X波段高梯度加速结构物理及关键技术研究

自由电子激光装置，直线对撞机对直线加速器提出了新的需求，要求加速器结构紧凑，费用适中，长度尽可能缩短。X波段高梯度直线加速器满足这些要求，成为近年来国际上的研究热点。本项目针对X波段高梯度直线加速器的关键技术以及关键物理问题，进行理论分析和模拟研究；研制性能更优的X波段高梯度直线加速结构；利用Schottky效应辅助的光电发射来对加速结构中某位置的场增强因子进行测量，对其加速结构与打火的关系进行理论分析；研究高梯度加速结构中的关键技术，如表面处理技术，扩散焊技术；改进已有的微波测量平台，满足高梯度X波段加速结构微波测量的要求；完成加速梯度100MV/m的加速样管研制与测试；这些领域在申请单位已有相当的研究基础。该项目可为未来X波段高梯度加速器的建设及应用打下基础，也为我们国际X-射线自由电子激光，直线对撞机等相关研究进行很好的技术储备。

本项目针对X波段高梯度加速结构的关键技术以及物理问题，开展了包括高梯度加速结构设计、打火机理研究和结构研制与测试三方面的研究。发展了choke-mode 的等效电路模型并给出了吸收带宽更宽的新型choke设计(CDS-C)，其尾场模拟结果表明在下一个束团处尾场幅度控制在 4~5 V/(pC m mm)以内，满足欧洲核子中心紧凑型直线对撞机（CLIC）的尾场阻尼要求。实验测量了不同类型choke结构对高阶模的吸收性能，与模拟相符。新型choke结构被CLIC列入研制计划。打火机理研究方面，开展了肖特基效应辅助的光电发射实验，对高梯度加速结构中的某一具体位置的场增强因子进行测量，实验结果表明：低的逸出功可能是导致场致发射和潜在的射频击穿的因素。开展了激光触发射频击穿实验，研究了射频击穿后的能量流动，实验结果表明弱耦合驻波加速结构可以降低射频击穿概率。开展了高分辨率的场致发射电流成像实验，达到分辨率为100微米，场致发射电流成像实验是历史上首次对场致发射点进行直接观测。在该实验平台上还开展了场致发射电流与腔体微波储能关系的研究，实验表面在电场相同是，高的微波储能也会导致场致发射电流增大。结构研制与测试方面，开展了X波段加速结构的加工调试研究，掌握了扩散焊技术，并搭建了X波段高梯度加速结构微波测量及调谐平台，实现了加速结构的精确调谐。在此基础上，成功研制了T24_THU_#1实验腔体，并开展了高功率实验研究，实验在6×10-8打火概率下的加速梯度高于110 MV/m，达到国际领先水平。开展了X波段choke-mode结构的高功率实验研究，基于CDS-C的设计成功研制了三套 choke-mode 结构的驻波实验管，实验结果表明该型驻波实验管可以稳定运行在75 MV/m。X波段高梯度结构的成功研制为大科学装置的应用提供了技术储备。