低beta射频超导加速腔场致发射研究

Large scale application of SRF accelerators has to lower the price, shorten the length of accelerator. So, high gradient and high Q SRF cavities are need. Field emission is still one of the limitations for SRF accelerators. For the high gradient SRF electron accelerating cavities, some progress has been made on the field emission study during these years. However, the study of field emission is never done on the low beta SRF cavity because these kinds of cavities are developed fast in the last few years. Due to the complex of the low beta cavity, the inner surface is not easy to clean and field emission is the key limitation in low beta cavity. Currently, low beta cavities are widely used in the new proton or heavy ion high current project in the world. So, our study will aim at the mechanism of field emission in the low beta cavities and building up a method to locate the field emitter. All these will improve the gradient, Q value and the yield product of the low beta cavity.

超导加速器的大规模应用，要求尽量缩短加速器长度以降低造价，因此需要提高超导腔的加速梯度及Q值，而场致发射仍然是高梯度、高Q值超导加速器项目所遇到的问题之一。目前在高beta电子加速腔内，场致发射的研究已经取得了部分成果。但是对于低beta超导腔，由于其发展迟于超导电子腔，目前国际上对于这类超导腔的场致发射的研究还没有开展。开展本研究另一重要原因在于低beta超导腔结构复杂而难于清洗，场致发射是限制这类超导腔性能的重要因素之一。目前国际上高流强质子及重离子加速多采用低beta超导腔，该项目的完成将对低beta超导腔的场致发射机制及建立一套可行的能够较为准确地定位场致发射点的方法对于提高超导腔加速梯度、Q值和成品率是十分重要的。

超导加速器的大规模应用，要求尽量缩短加速器的长度以降低造价，因此需要提高超导腔的加速梯度及Q0值，而场致发射仍然是高加速梯度、高Q0值超导加速器项目所遇到的问题之一。目前在高beta电子加速腔内，场致发射的研究已经取得了部分成果。但是对于低beta超导腔，由于其发展迟于超导电子腔，目前国际上对于这类超导腔的场致发射的研究还没有开展，同时低beta超导腔结构复杂而难于清洗，场致发射是限制这类超导腔性能的重要因素之一。半波长型谐振腔（Half Wave Resonator- HWR）作为低beta超导腔的代表，在诸多国际高流强质子及重离子超导加速器中都有应用。本项目主要围绕HWR腔研究低beta超导腔中的场致发射效应，研究内容包括：C-ADS 25 MeV超导质子直线加速器中场致发射效应对HWR腔性能的影响， HWR腔中场致发射电子行为的模拟、HWR腔中场致发射效应相关光辐射检测系统的研制，HWR腔中场致发射源的定位、HWR腔及附属设备的优化及洁净间中超导腔和腔串的装配工艺改进等，以降低场致发射效应对HWR腔性能的影响。实验研究发现：从垂直测试到在线运行及在在先运行过程中，场致发射效应是导致HWR性能下降的主要原因。HWR腔中场致发射效应发生的最概然区域是在束流口和耦合口附近；所研制的光辐射检测系统响应时间为700纳秒，满足加速器机器保护对时间的需求（10微秒）。发现疑似场致发射源区域有白色结晶物；优化了HWR腔的主耦合器（采用双窗结构）和信号提取耦合器的天线，避免场致发射发射电子轰击到耦合器的陶瓷窗，影响加速器稳定运行。基于模拟和实验结果，对HWR腔及腔串装配工艺进行了改进，显著的降低了场致发射效应对超导腔性能的影响。该项目的研究结果能够有效提高低Beta 超导腔的加速梯度和Q0值，提高超导加速器的效率和稳定性。