C波段高梯度加速结构“打火”规律研究

High gradient accelerating structure is remarkable way to scale down the accelerator facility, which to large extent presents development and research of advanced accelerator technology, and also with extensive application for facilities of compact Free Electron Lasers, International Linear Collider and industrial accelerators.The breakdown phenomena is the most important issue of high gradient accelerating structure, with destructive effect on accelerator operation. Breakdown phenomena is tightly resulted from fine strucutre of material, power operation and geometry design, and some ways for suppressing breakdown are seeked from huge experimental datas analysis of these factor. According to operating frequency,mostly high gradient accelerating structure is divide into three type of S-band, C-band and X-band. Higher accelerating gradient is approchable for higher operating frequency, however fabraction is more complicated and beam quality is lowered. so that C-band accelerating structure is the compromised and optimum scheme for compact Free Electron Lasers facilitie with requeirment of high accelerating gradient and high beam quality. So far it's firt time to refer reseach on breakdown of C-band high gradient accelerating structure all over world, and comparably there has already been integrated and detailed experemental and analyzed datas for breakdown phenomena of S-band and X-band high gradient accelerating structure.In this project, Breakdown of C-band high gradient accelerating structure is diveded into several independent parts for experements and data analysis, and it's first time to start this work over world which does been valueable for improving accelerating gradient of C-band and extending application of C-band high gradient accelerating structure.

高梯度加速结构可以有效的缩减加速器规模，是加速器技术前沿研究之一，广泛应用于紧凑型自由电子激光装置、国际电子对撞机以及工业加速器装置。高梯度加速结构重点研究问题为"打火"现象，可对加速器运行造成致命影响。高梯度加速结构"打火"现象与运行模式以及结构设计有紧密联系，通过分类研究分析，探索抑制"打火"现象的途径，实现更高的加速梯度。高梯度加速结构按照工作频率可以分为S波段、C波段和X波段，加速梯度随工作频率升高而提升，但是加工难度增大，束流品质降低，因此对于对高梯度和束流品质都有高要求的紧凑型自由电子激光装置而言，C波段高梯度加速结构是最优选择。目前相比于S波段和X波段，C波段高梯度加速结构的"打火"现象在国际范围内还未进行深入研究，因此本项目根据C波段与其他波段结构的差异性，首次针对"打火"现象物理模型、功率运行模式以及设计等方面对C波段高梯度加速结构进行研究，总结"打火"现象的关联规律。

高梯度加速结构可以有效的缩减加速器规模，是加速器技术前沿研究之一，广泛应用于紧凑型自由电子激光装置、国际电子对撞机以及工业加速器装置。高梯度加速结构重点研究问题为“打火”现象，可对加速器运行造成致命影响。高梯度加速结构“打火”现象与运行模式以及结构设计有紧密联系，通过分类研究分析，探索抑制“打火”现象的途径，实现更高的加速梯度。对于对高梯度和束流品质都有高要求的紧凑型自由电子激光装置而言，C 波段高梯度加速结构是一个折中选择，同时相比于S 波段和X 波段，C 波段高梯度加速结构的“打火”现象在国际范围内还未进行深入研究，因此本项目根据C 波段与其他波段结构的差异性，首次针对“打火”现象物理模型、功率运行模式以及设计等方面对C 波段高梯度加速结构进行研究，总结“打火”现象的关联规律。. 通过本项目的研究，最终建立了用于“打火”研究的高功率测试平台以及数据采集系统，利用该平台对C波段高梯度RF系统进行了深入的研究，研制成功了C波段加速结构、C波段能量倍增器和相应的波导系统，最终获得了50.8MV/m的带束测试结果，具备国际领先水平。通过本项目研究，建立了高梯度加速技术的研究平台，总结并掌握了C波段高梯度加速技术的“打火”规律，并成功研制了C波段高梯度微波单元。. 本项目的研究成果具有非常重要的科学意义。首先本项目解决了大科学工程上海软X射线自由电子激光装置的关键技术——C波段高梯度加速技术，保证工程项目的顺利完成，该工程采用6台C波段RF单元，将电子束团加速至840MeV，并首次实现出光；另外本项目建立的高加速梯度研究平台可以拓展至其他波段，比如X波段加速技术的研究，实现更高梯度；最后本项目成果可以进行科技产业化，实现应用加速器的小型化，促进国民经济的发展。