ADS极低beta超导CH原型腔的物理和实验研究

强流质子加速器驱动的裂变和嬗变装置（ADS）是实现洁净裂变核能的有效途径之一。目前，国际上的趋势是在常温低能RFQ之后实现全超导加速。但是在极低beta段，目前还没有成熟的腔型选择。超导CH腔在低beta时真实加速梯度高（是spoke腔的几倍），并且机械结构比较稳定，将是连接低能RFQ和中能超导段的最佳选择。本项目的任务是对低能量段的束流动力学和腔体进行仿真计算，优化确定有效的加速结构；按照加速结构研究结果研制一个频率为325MHz，beta=0.08的原型超导CH腔，并完成垂直测试。其目的是解决在CH加速结构设计，高纯铌腔成形、焊接、清洗，高功率馈送等一系列过程中的关键物理和技术问题；通过多物理场耦合仿真和高频性能测试实验，研究造成CH超导腔运行不稳定的原因。该原型腔是目前世界上beta值最低的ADS用超导腔，将为我国全超导ADS加速器极低beta段的设计和超导加速腔的选择提供解决方案。

本项目针对高效加速强流质子直线的低能量段研发了6间隙，频率为162.5MHz，beta=0.067的超导CH腔体和相应的关键设备连续波高功率耦合器。分别开展了超导CH腔体物理设计、建造、表面处理和低温测试相关的研究，该超导CH腔体的关键测试指标Q0超过了国际同类型腔的最好水平；开展了耦合器相关的物理设计、建造和连续波测试相关的研究，耦合器测试达到连续波功率20KW，是同频段中功率最高的连续波耦合器。. 具体研究内容分为以下五个部分。. 低beta超导CH腔体的物理问题研究：模拟CH结构的电磁分布，最终优化完成了6间隙CH超导腔体的物理设计；分析研究二次电子倍增发生的条件，提出使用改变腔体局部形状的方式破坏二次电子倍增发生条件的方式；根据CH腔体高梯度加速强流的特点，确定了CH腔体耦合功率的方式、位置和耦合度要求；分析CH腔体调谐量问题，针对调谐量量小的问题提出了两种解决方案；为控制腔体频率随外界干扰的变化量，采用了两种加强筋加固腔体的方案并进行了详细分析。. 低beta超导CH腔体制造的关键技术研究：使用铜板替代昂贵的铌板进行了加工工艺的验证，确定腔体机械加工、冲压成形、精密装配和电子束焊接等整套工艺；最终完成超导CH铌腔体的加工、冲压、部件酸洗和电子束焊接。. CH腔体耦合器关键技术：开展了耦合器设计、漏热分析、陶瓷窗附近的二次电子模拟的研究；攻克了耦合器加工过程一系列工艺问题，完成了耦合器的加工；对耦合器进行了高功率测试达到连续波20KW.. CH腔调场关键技术研究。对CH铜模型腔体和超导CH铌腔体的场分布都进行了模拟和实验对比，确认场分布误差满足要求；同时针对变间隙的CH腔体提出了逐间隙变腔体外径调节场分布的做法。. 低beta超导CH腔的高频性能研究。详细分析和研究超导腔体的表面处理工艺对腔体性能的影响，包括采用缓冲化学抛光（BCP）、高压水冲洗、高温烘烤、超净间装配和低温烘烤等不同的处理手段；并运用到HWR腔体得到稳定的测试结果，从而确定了超导腔体的后处理方案；应用于超导CH腔体得到同类腔体的国际最好测试结果。