HWR超导腔高功率输入耦合器关键技术研究

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在过去的几十年中,射频超导技术一直处于加速器技术的发展前沿。一个完整的射频超导加速系统包括,超导腔、高功率输入耦合器、高次模吸收器以及低温恒温器。其中,高功率输入耦合器不仅要负责向超导腔中馈送功率,还要为超导腔中的超高真空提供保障,因此高功率输入耦合器是超导加速系统中极为关键的部件之一。一直以来,超导腔高功率输入耦合器都是国际各大加速器实验室的研究热点。  2011年,中国科学院正式启动了“ADS先导专项”。其中,用于驱动次临界反应堆的强流质子直线加速器是ADS项目的重要子系统之一。ADS强流质子加速器全部采用射频超导加速结构,其低能段需要使用大量的低β超导腔型。其中,HWR超导腔便是ADS质子加速器注入器Ⅱ可以选择的一种重要腔型。在这样的大工程背景下,本文开展了HWR超导腔高功率输入耦合器的研制工作。这也是国内首次开展用于强流质子加速器的低β超导腔耦合器的相关研究。  在吸取国内外超导腔耦合器研制经验的基础上,本文首先完成了HWR超导腔高功率输入耦合器的结构选择与物理设计。在物理设计中,主要进行了耦合器的电磁场仿真、窗体与外导体的热计算以及耦合器局部的二次电子倍增效应研究。在物理设计的指导下,本文完成了耦合器的机械设计,并制定了相应的工艺路线。  经过探索与尝试,课题组成功掌握了耦合器加工中的陶瓷窗焊接、陶瓷片TiN镀膜、内导体电子束焊接等关键技术,并完成了耦合器样机的加工。为了进行耦合器样机的高功率测试,本文自主研制了用于HWR超导腔耦合器、工作频率为162.5MHz的耦合器高功率测试平台。在随后进行的高功率测试与老练中,HWR耦合器成功通过了连续波20kW的高频功率,这一功率是目前国内质子加速器超导腔耦合器的最高水平,在国际上也处于领先。  
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