射频超导加速器束-腔作用的物理问题研究

Relativistic charged particle beams traversing the accelerating cavities in superconducting radio-frequency accelerators will excite higher order modes in the cavities, which may lead to extra cryogenic heat load from the cavities, degeneration of beam quality, and beam break-up. Therefore higher modes are among the main reasons those limit the maximum achievable beam currents for stable operation of superconducting radio-frequency accelerators. With well-centered beams in the accelerating cavities, the beam-cavity interaction may be suppressed and thus higher order modes power in the cavities may be reduced; as a result the heat load caused by higher order modes absorption will be decreased, the beam quality can be improved and the maximum current for stable accelerator operation may be increased. For this purpose, the project will focus on higher order modes excited by charged particle beams in the accelerating cavities and develop diagnostic technologies for high repetition rate beams in accelerating cavities based on the measurements of higher order modes. These new technologies are very promising for beam position monitoring inside the superconducting accelerators, where traditional methods such as beam position monitors and optical screens cannot be employed to perform the measurements directly. Moreover, the higher order modes based beam position measurements provide the position of the beam in the accelerating cavities relative to their physical center precisely, which may be the base for beam orbit controlling in the accelerating cavities to suppress beam-cavity interaction. This project will also investigate the possible methods to control the beam orbit based on higher order modes measurements and therefore suppress the beam-cavity interaction and increase the threshold current especially for high repetition rate, high bunch charge operation of superconducting radio-frequency accelerators and energy recovery linacs.

在射频超导加速器中，相对论性带电粒子束经过加速腔时激励起的高阶模会导致加速器热负载的增长、束流品质的退化以及束流崩溃等问题，它是限制射频超导加速器中束流强度提高的重要因素之一。让束流沿加速腔的物理中心通过加速器，可以抑制束-腔作用，降低高阶模导致的热负载，改善束流的品质，提高加速器运行时的阈值电流。为实现这一目的，本项目将研究强流粒子束通过加速腔时激励起的高阶模场，发展基于高阶模测量的高重复频率束流诊断技术。与目前常用的束流位置测量手段相比，这种新的诊断技术可以直接、精确地给出束流相对于加速腔的物理中心的位置信息，为控制束流在加速腔中的运动提供重要的依据。在上述研究的基础上，本项目还将探讨基于高阶模信号对加速腔中束流的运动进行反馈控制，进而减小束-腔作用的可能途径。这种充分利用束-腔作用的内在信息对束流进行反馈控制的新方式，将有助于提高射频超导加速器及能量回收直线加速器等运行时的电流阈值。

近年来，随着欧洲X射线自由电子激光装置及美国SLAC国家加速器实验室LCLS II自由电子激光项目的推进，产生高重复频率、高品质电子束团的超导加速器已成为大型电子直线加速装置的重要发展方向，研究高重复频率电子束流经过超导加速腔时的行为也因此具有更为重要的意义。. 在国家自然科学基金面上项目的资助下，我们着重研究了束流通过射频超导加速腔时的束-腔作用，包括束流在超导腔内激励起来的高阶模、基于高阶模的束流诊断、高阶模对束流的影响以及降低束-腔作用、提高射频超导加速器与能量回收直线加速器装置运行时的阈值电流的有效途径等。根据项目研究计划，我们建立了束流激励超导加速腔内高阶模场的数值模型，搭建了射频信号激励超导腔内高阶模场的实验平台及高阶模信号的提取与分析系统，建立了电子束流脉冲串激励加速腔内高阶模的解析理论，开展了束流激励加速腔内高阶模的实验研究；开展了基于高阶模的束流诊断的实验研究以及高阶模抑制途径的研究。. 不同于之前国际上开展的单束团束流激励超导腔内高阶模的研究工作，本项目首次系统地研究了高重复频率电子束流在超导腔内激励起来的高阶模；从数值模拟及理论分析两个方面探讨了它的频谱特点，特别是其谱线中存在的高阶模本征峰及束流谐波峰；建立了解析理论，并在实验中进行了验证。本项目也首次提出利用具有中心频率稳定性且不受模式简并影响的束流谐波峰来进行束流诊断，并进行了实验验证。目前这一束流诊断技术已成功应用于北京大学射频超导加速器及太赫兹实验平台的加速腔物理中心准直、束流调试等工作中。项目组也探讨了以工艺成熟的9-cell TESLA型超导腔为基础建设小型能量回收试验装置的可行性，发现对设计流强在10 mA以内的小型能量回收直线加速器试验装置来说，TESLA型超导腔原则上可满足要求。这对于未来建设能量回收直线加速器试验装置具有一定的指导意义。