ADS注入器ⅡRFQ 加速器研制及测试

张周礼，何 源，石爱民，孙列鹏，徐显波，施龙波，李晨星，王文斌，卢 亮，张 斌，金晓凤，王 静，王贤武，郭玉辉，贾 欢，武军霞，赵红卫，刘 勇，李德润，张 川

（1.中国科学院 近代物理研究所，甘肃 兰州 730000；2.罗伦斯伯克利国家实验室，美国；3.德国重离子研究所，德国）

我国于2011年启动了“ADS未来先进核裂变能”项目以解决核能发展过程中核燃料不足和核废料处理的问题。作为先导科技专项，ADS项目前期的研究目标是至2015年建造一台25～50 MeV 的质子直线加速器，以解决常温和超导质子直线加速器在连续工作时的一些关键技术问题［1］。该直线加速器前端由两个注入器构成，两个注入器均采用了RFQ 加速器与射频超导腔体联合注入的方式。其中，注入器ⅡRFQ 由中国科学院近代物理研究所与美国罗伦斯伯克利国家实验室联合研制，本文对该RFQ 的设计及调试情况进行介绍。

1 动力学设计

注入器ⅡRFQ 的工作频率为162.5MHz，用于将流强为10mA的质子束流从能量0.035MeV提高到2.1MeV。选择162.5MHz作为RFQ的频率是基于腔体发热问题的考虑，该频率降低了腔体的功率密度，可大幅提高腔体的热稳定性能。选择2.1 MeV 作为输出能量，是为了避免加速束流时中子的产生［2］。为与其下游超导直线加速器的参数匹配，该RFQ 的横向发射度增长被要求不大于10%，输出纵向发射度小于1keV·ns。表1 列出了注入器ⅡRFQ的主要动力学参数。

表1 注入器ⅡRFQ 的主要动力学参数Table 1 Main dynamics parameters of injectorⅡRFQ

2 腔体射频设计与热力学分析

使用三维电磁场仿真软件CST Microwave Studio［3］对注入器ⅡRFQ 腔体进行了射频结构设计及模拟计算。该RFQ 腔体采用了四翼型结构，横截面为正方形。采用了π模稳定杆加大四极模频率与相邻二极模频率的间隔，以增强腔体的射频稳定性［4］。图1示出腔体的CST 三维模型，其中竖直和水平的细杆是π模稳定杆。表2列出腔体的射频计算结果。

图1 RFQ 腔体CST 三维模型Fig.1 CST 3-dimensional model of RFQ cavity

表2 RFQ 腔体射频参数Table 2 RF parameters of RFQ cavity

使用有限元分析软件ANSYS［5］对腔体水冷管道的尺寸、布局进行了设计，得到了合理的腔体温度分布。图2示出腔体水冷管道布局和腔体温度分布。分析结果显示，当腔体水冷管道直径为12mm、温度为20 ℃的水以2.29m／s的速度通过腔体时，腔体的最高温度为26 ℃。同时分析结果表明，翼和壁上冷却水的温度与腔体频率的关系分别为-16kHz／℃和13.2kHz／℃，这为腔体使用水温调节频率提供了理论依据。

图2 腔体水冷管道布局和温度分布Fig.2 Cooling channel layout and temperature distribution of cavity

3 腔体低功率测试

注入器ⅡRFQ 腔体加工完成后在20 ℃的恒温室内进行了低功率测试，测试装置如图3所示。装置主要由测量支架、直径为19 mm的介质小球、Kevlar线、步进电机和矢量网络分析仪构成。测量过程中为避免重力作用对介质小球位置的影响，采用了小球直接接触电极的测量方法。由于腔体调谐器较多（80个），编写了专门的程序以方便场的调谐［6］。在所有调谐器插入腔体深度为20 mm 时对腔体场平整度进行了初步测量，结果显示此时场平整度为±0.039，如图4所示；在对所有调谐器的插入深度进行4 次调谐后，场平整度达到了±0.015；然后通过调节腔体两端端板与电极的间隙，场平整度达到了±0.01。最后的测量结果显示，腔体的四极模和相邻的二极模频率分别为162.46 MHz和183.4 MHz，腔体无载Q值为13 000。

图3 腔体低功率测试装置Fig.3 Low power test equipment of cavity

4 腔体高功率加载及束流测试

完成与高频功率源的对接后（图5），对注入器ⅡRFQ 腔体进行了功率加载。从2kW的连续功率开始，然后连续与脉冲功率交替进行，在经过45 d 后腔体加载功率达到92.7kW，腔体极间电压达到了设计值65kV。期间，使用韧致辐射法对腔体电压进行了测量［7］，测量结果示于图6。

图4 腔体调谐前和调谐后的场平整度Fig.4 Field flatness before and after cavity tuning

图5 注入器ⅡRFQ 安装现场Fig.5 InjectorⅡRFQ installed on-line

图6 腔体电压（65.27kV）韧致辐射图Fig.6 Bremsstrahlung chart of cavity voltage（65.27kV）

RFQ 束流测试从2mA 的脉冲束开始，然后逐步增加流强至10mA，最后将脉冲束转换为连续束。图7示出腔体加速10mA 连续束的时间图，其持续时间为4.5h。在10 mA 时对束流参数进行了测量，测试结果显示，束流传输效率为95.3%，输出能量为2.165 MeV，束流能散为1.9%，束流水平和竖直横向发射度均为0.33πmm·mrad。

图7 10mA 连续束运行时间图Fig.7 Time diagram of CW beam of 10mA

5 总结

中国科学院近代物理研究所研制并测试了ADS注入器ⅡRFQ 加速器，束流测试结果显示，该加速器能长时间稳定地加速10mA 的连续束流，传输效率可达到95%以上，且束流其他参数均满足设计要求，为整条ADS直线加速器的成功研制打下了良好的基础。

［1］ TANG J Y，CHENG P，GENG H P，et al.Conceptual physics design for the China-ADS LINAC［C］∥Proceedings of PAC2013.USA：［s.n.］，2013.

［2］ BAFFES C，AWIDA M，CHEN A，et al.WEPPD035［C］∥Proceedings of IPAC2012.USA：［s.n.］，2012.

［3］ RODNIZKI J，HORVITS Z.RF and heat flow simulations of the SARAF RFQ 1.5MeV／nucleon proton／deuteron accelerator［C］∥Proceedings of LINAC2010.Japan：［s.n.］，2010.

［4］ LI Derun，STAPLES J W，VIROSTEK S P.Detailed modeling of the SNS RFQ structure with CST microwave studio［C］∥Proceedings of LINAC2006.USA：［s.n.］，2006.

［5］ ANSYS Inc.ANSYS workbench platform［R／OL］.（2008-09-8）［2014-04-10］.http：∥www.ansys.com／.

［6］ 潘刚.四翼型RFQ 调谐方案研究［D］.北京：中国科学院大学，2013.

［7］ OSTROUMOV P N， BARCIKOWSKI A，CLIFFT B，et al.High power test of a 57-MHz CW RFQ［C］∥Proceedings of LINAC2006.USA：［s.n.］，2006.