高阶模DTL设计与测试

高阶模直线加速器原型的准备、设计与低功率测试

摘要

通常，在中高能区的束流加速中，漂移管直线加速器（DTLs）用于射频四极管直线加速器 （RFQ直线加速器）之后。随着束流能量的增加，DTL的加速效率逐渐降低。利用谐振腔的高阶 模式（HOM）可以实现更高的有效分流阻抗。我们提出了一种工作于325兆赫、采用TE115模式 的DTL，并完成了 1st HOM‐DTL组件。本文将报道该 1st HOM‐DTL的设计及低功率测试结果。

引言

如图 1[1],所示，在低能区，叉指H模（IH）型DTLs具有较高的分流阻抗和适合重离子加速的 加速结构，因此在RFQ型直线加速器[2,3]之后通常采用工作在TE111模式的DTLs。然而，在中 高能区，尽管其分流阻抗随能量升高而迅速下降，如图2所示，但由于在此类能量区域中其分 流阻抗高于交错杆型DTL，因此通常采用工作在TM010模式的Alvarez型DTL。

由于在高阶模式的TE11n模式下运行的IHDTLs具有适合在中高能区加速离子的特性，我 们提出了一种工作在TE115模式下的325MHzDTL。我们提出的IH型HOM‐DTL被设计为一 个原型聚束器，其结构如图3所示。

2. 电磁设计

所提出的HOM‐DTL的频率为325兆赫，是81.25兆赫频率的 4th次谐波。该HOM‐DTL是未来 重离子束团聚器的原型研究。预计峰值电压相当高，可达数兆伏。采用微波工作室（MWS） 和ANSYS软件进行腔体电磁仿真和机械仿真[6,7]。电磁设计。

如图3所示，HOM‐DTL具有与TE111模式的普通型IH‐DTL和TM010模式的Alvarez型DTL相 同的普通DT结构和脊，但通过配置支杆的方向，可将谐振腔的谐振频率调谐至TE115模式。

如图4所示，HOM‐DTL最显著的特点是间隙处的轴向加速电场非常均匀，即使在两个端部间隙 也是如此。而在普通DTL中，两端间隙的电场低于中心间隙。这种均匀电场分布使得谐振腔的 场调谐变得非常容易。所提出的HOM‐DTL采用10个杆和11个间隙，总长度为1米。如表1所示， 当采用1.5的基尔帕特里克因子时，HOM‐DTL的模拟总电压为1.93兆伏，其分流阻抗计算为 91.8 MΩ/m，优于图1所示相同束流β区域的其他结构直线加速器以及图2所示的普通DTL。这 表明325 MHz HOM‐DTL在中能区具有更好的功率效率。

由于现有的主要铜框架（图3中的铜色部分）已用于325兆赫HOM‐DTL的仿真和制造，因此对射频 结构进行了优化设计受限。

所提出的HOM‐DTL的射频特性由MWS确认，如图5所示，根据谐振的TE11n阶模式，频 率呈上升趋势，而Q值呈下降趋势。Q值下降表明射频模式更高，需要更高的射频功率。根据 我们的计算，脊对腔体射频特性有较大影响。脊的高度越高，支杆越长，Q值越高。TE114为 308.223兆赫，期望的谐振射频模式为325兆赫，与邻近模式完全分离。

与常规IH‐DTLs [8],相同，HOM‐DTL的最热点位于支杆。如图6所示，表面电流集中在 支杆区域。尽管受限于预算，HOM‐DTL将仅进行低功率测试，旨在验证无焊接和无对准的整 体成形方法，但主框架的冷却设计已考虑未来可能的应用。然而，仅在脊和支杆底部设计了冷 却回路。根据ANSYS计算结果，在支杆冷却采用10条水冷通道、占空比为10%的情况下，谐振 腔的最大变形出现（在两个调谐器之间），最高温度约为 40◦C，位于第一根管子中。

项目	数值
频率	325.008 (兆赫)
间隙编号	11
DT编号	10
腔体直径	660 (毫米)
束孔	20 (毫米)
DT直径	40 (毫米)
β	20 (毫米)
内长	800 (毫米)
总电压	1.93 @1.5 Kp. (兆伏)
耗散功率	50.6 @1.5 Kp. (千瓦)
Q值	9168
分流阻抗	91.8（兆欧/米）

频率调谐设计使用四个调谐器。主框架两侧各有两个调谐器，且调谐器在束流方向上均匀 分布。调谐器直径为60 mm，预设插入长度为35 mm。根据我们的模拟，频率的调节范围为 ±1.56 MHz，足以满足频率调谐需求。

3. 制造和低功率测试

HOM‐DTL由上海的一家制造公司制造并组装。如图7所示，尽管主框架是通过数控机床从一 块铜材料上加工而成，但由于预算限制，腔壁是由铝板弯曲成型的。支架通过两个不锈钢支架 直接支撑主框架。两个调谐器支撑架固定四个调谐器。调谐器也是由铝材料制成。我们正在申请国家科学基金以支持采用铜腔体制造而非铝腔体，最终， HOM‐DTL可在高强度重离子装置中用作重离子束团聚器。

3. 制造和低功率测试（续）

初始低功率测试在制造公司进行。使用网络分析仪测量了频率和品质因数Q。四个铝制调谐器插入深度为35 mm，即设计容积。如图8和表2所示，TE115模式的测量频率和Q分别为 325.008 MHz和7219。此处，测量频率与设计值吻合良好，测得的Q值约为在CST中使用理想电导体模拟计算结果的78%。TE114模式的测量频率为307.875 MHz，也与设计容积一致。

第二次低功率测试在我们研究所进行。HOM‐DTL在没有校准和对准的情况下被重新组装。测量结果显示与首次低功率测试存在一些偏差。TE115模式在没有调谐器的情况下测得为 325.16兆赫。两次测量之间有1.71兆赫的差异。我们推测铝腔体在运输过程中发生了位移，并且与主铜框架未良好组装。图9给出了TE115模式的测量和模拟的归一化电场分布，以及显示测量结果（红线）与模拟结果（绿线）并不吻合，尤其是两个端部间隙中的场强非常低。如上所述，导致场分布不匹配的原因可能与频率偏移相同。

项目	数值
频率	325.008 (兆赫)
未插入调谐器时的频率	323.45（兆赫）
Q值	7219

4. 总结

采用TE115 RF模式激励的高阶模腔被设计并模拟用于高能束流聚束。其分流阻抗为91.8 MΩ/m，高于中能加速段的TE111型IH‐DTL和Alvarez型DTL。沿800毫米轴线，设计的325 MHz高阶模‐漂移管直线加速器聚束器预期可产生1.93兆伏电压，并在轴线上实现均匀电场分布。然而，高阶模‐漂移管直线加速器原型的测量场强呈现非均匀分布。该原型由铜和铝制成。本研究中，铝腔体发生形变，导致第二次测量频率与首次测量不同。我们计划修复并重新组装铝腔体，并再次测量腔体特性。