强流超导中低β加速结构中的尾场研究

The increasing demand for the high current proton beam and heavy ion beam promotes the development of low and medium β superconducting accelerating structures. Given the fact that the wakefields will be induced when the beams pass through the superconducting cavities with the intensity proportional to the beam current, wakefield characterization is a critical issue in high current accelerating facilities. Nonaxially symmetric cavity shapes are usually applied in the low and medium β superconducting accelerating sections, but the symmetry breaking adds more difficulty and complexity to the wakefield characterization since wakefields of different moments will couple. In this study, we will investigate how the asymmetry in cavity geometry and the introduction of power coupler affect the wakefields, and the combination of time-domain and frequency-domain analysis is expected to be applied to study the wakefield information, which will provide an effective solution to evaluate accurately the beam instability caused by wakefields for the low and medium superconducting acceleratng sections.

高流强质子束或重离子束的需求增长推动了中低β超导加速结构的快速发展。鉴于束流会在加速结构中感应出尾场，且强度正比于束流的流强，可能会对束流品质造成一定的影响，故对高流强加速装置中的尾场进行分析是一项关键的工作。由于中低β超导腔多采用非旋转对称结构，使得不同模式的尾场相互耦合，这增加了其尾场分析的难度和复杂性。本项目旨在研究非旋转对称性腔体结构以及功率耦合器的引入对尾场带来的影响，并拟采用时域分析与频域分析相结合的方法来研究尾场信息，为准确评估中低β加速段尾场可能带来的束流不稳定性带来了一条解决途径。

中低β超导加速器的应用日益广泛，以TEM工作模式为主的各种腔型如QWR，HWR及Spoke等成为国内及国际上强流质子及重离子超导加速装置中低能段普遍采用的加速结构。当束流穿过加速结构时，会在加速结构内感应出尾场，且其强度正比于束流流强。尾场会影响束流的品质，甚至限制加速器所能达到的流强，尾场和束流的相互作用是影响加速器稳定运行的重要因素之一。因此本项目旨在研究中低β超导加速结构中尾场的特点，并评估尾场对于束流稳定性的影响。. 中低β超导加速段大多所用的是更为紧凑的但不具有旋转对称性的复杂腔型，这为其的尾场分析增加了难度。此项目以China-ADS样机加速器低能超导段加速腔HWR-0.10为模型进行尾场研究，此腔型的特点是不具备旋转对称性，但水平对称性及垂直对称性尚未被破坏。研究结果表明：纵向阻抗中除了绝大部分的单极模成分（TEM模式），还有少部分的二极模成分；而横向阻抗值依赖于时域仿真时激发束流的束团的辐向角ϕ，当ϕ=0度及当ϕ=30度时，横向阻抗的峰值对应的频率不同。另外，研究过程中发现，对于HWR-0.10这种不具备旋转对称性腔型的尾场计算，单独采用时域法或者频域法都各有优缺点，因此，充分借鉴清华大学关于偏转腔尾场分析所使用的时频域结合法，既在很大程度上缩短了时域计算的束团追踪长度，而且避免在频域计算时漏掉某些高Qext模式，节约计算时间的同时也保证了较高的准确度。经过计算，所有模式的尾场阻抗均在影响束流稳定性阻抗阈值以下。. 项目研究结果得出当腔型的旋转对称性破坏后将对尾场产生的影响，并提出了针对复杂加速腔型的高效、准确的尾场研究方法。鉴于目前中低β超导加速器的普及，此项目研究成果具有较为广泛的应用价值。