宽带磁合金加载同轴加速腔关键技术研究

电感加载的同轴高频加速腔是质子和重离子同步加速器中的关键设备之一，粒子在加速过程中，因其回旋频率随能量的变化而改变，因此高频加速腔不仅要为粒子提供足够的加速电压同时还必须具有足够的工作带宽。随着强流质子加速器和医用加速器离子治癌技术与装置的快速发展，需要具有更宽频带的加速腔来满足其更宽能量范围的要求。由于加速腔的性能由加载材料的特性所决定，此申请项目旨在通过对新型加载材料的研究和磁合金加载腔的结构设计与加工工艺等关键技术的研究掌握宽带加速腔的性能、特点和制造技术，以满足质子与重离子同步加速器的宽带加速要求。磁合金是一种纳米微晶软磁合金材料，它具有高导磁率、低Q值、居里温度高、热稳定性好的特点，是研制宽带加速腔的合适材料。强流质子加速器的发展与医用加速器离子治癌装置的快速普及，使宽带加速结构具有很广阔的应用前景，对宽带磁合金加载腔的关键技术研究是非常必要的。

为了满足质子与重离子同步加速器能够在比较宽的能量范围内对粒子进行有效的加速，采用宽带非调谐式同轴磁合金加载谐振腔是最佳的选择方案。本项目对与磁合金加载腔相关的材料性能研究、制作工艺的探索、建立磁合金环性能测试平台、同轴加载实验高频腔的设计、微波测量等多项关键技术都进行了深入的研究。在对国内外多个磁合金带材生产厂家的产品和磁合金环的加工制作工艺进行了广泛深入调研的基础上，先后对多个不同牌号的材料和不同制作工艺的磁环样品进行了测试与性能分析比较，根据测试结果确定选用国产铁基纳米微晶材料1K107B开展磁合金环的工艺研究，并专门搭建了磁合金环测试平台对磁合金环性能进行了全面的测量，其测试结果直接用于指导工艺研究。为了对宽带非调谐式同轴谐振腔的性能进行研究，研制了一台单间隙的磁合金加载实验腔，根据对磁合金环的测试结果，进行了腔的物理计算、腔体的分部参数计算和电磁结构设计、腔阻抗带宽的优化和热分析仿真，完成了腔的机械设计和加工，经测试腔的频率带宽范围可达1~10MHz，好于本项目设置的研究目标。本项目的研究工作，不仅促进和推动了国内新材料的应用和新工艺的技术进步，而且为将来该技术在质子治疗和空间效应辐照加速器领域的应用以及未来CSNS中国散裂中子源强流质子同步加速器的升级提供了非常重要的技术储备和实验研究平台。