C-ADS项目RFQ 加速腔的射频耦合器研制

石爱民，孙列鹏，张周礼，何 源，卢 亮，李晨星，2，徐显波，施龙波，2，王文斌

（1.中国科学院 近代物理研究所，甘肃 兰州 730000；2.中国科学院大学，北京 100049）

ADS RFQ 加速器的输出流强为10 mA，输出能量为2.1MeV，是后续强流MW 级高功率质子加速器的输入级。腔体功率的馈入是ADS RFQ 加速器非常关键的技术之一，为达到RFQ 的技术指标，必须为其腔体双端口同时输入60kW 的射频功率。目前国内外市场上均未见同频率的大功率耦合器产品，而委托研发价格昂贵、周期长，为此本文自主研发适用于该RFQ 腔的射频耦合器。

目前国外同类功率等级耦合器的陶瓷窗大多采用薄壁平板型和套管式结构，平板型陶瓷窗为达到阻抗要求通常用改变同轴馈管的外径与内径实现变阻，其优点是陶瓷窗易于加工，适合于较大功率，缺点是与相连导电体在较大尺寸时不易焊接，且整体陶瓷窗加工成本较高。套管式结构虽无需改变同轴馈管的外径与内径，只通过插入式环状物即可调整阻抗，并可抑制二次电子发射，是不错的方案，但结构复杂不易制作、爬电距离较短、容易产生放电，且薄壁平板型和套管式陶瓷窗均不可独立拆卸，不方便今后的使用与维护，制造成本是碗状陶瓷窗的数倍，因此本文选择碗状陶瓷窗结构，以克服上述缺点。

1 耦合器研制路线

耦合器研制分为3部分：电磁设计、机械结构设计和加工工艺设计。电磁设计着重考虑阻抗匹配、耦合度、陶瓷窗材料在射频功率下的介质损耗、受热变形与二次电子发射状况的评估等；机械结构设计着重考虑满足电磁设计的条件下，尽可能的简单可靠，便于装配和各部件拆卸；加工工艺设计着重考虑机械加工的可行条件。

1.1 电磁设计

设计的耦合器主要由耦合环、内导体、外导体（同轴传输线）、碗状陶瓷窗组成。

1）耦合环

根据文献［1］确定耦合环的大小，通过等效电路分析得到以下公式：式中：A 为耦合环磁通所需的面积；S 为腔体1／4象限的横截面积；Q0为无负载时的品质因数；ω 为腔 体 谐 振 角 频 率；L0为1／4 象 限 的 电感，L0＝μ0S／lV，μ0 为 真 空 磁 导 率，lV为 翼 长度；Li为耦合环的自感；RC为射频传输线的特征阻抗。Li可由式（2）［2］计算：

式中：μr 为导体的相对磁导率；w 和h 分别为耦合环的长和宽；a为导体的半径。

S 由式（3）计算：

式中，r为腔体的截面半径。

表1列出了用于计算耦合环所需的RFQ腔体参数，将其代入上述公式可得到所需的耦合环面积为23cm2。实践中通过理论计算与仿真确定初步参数，最终数据由试验测试获得。

表1 计算耦合环面积所需的参数Table 1 Required parameter of calculating coupling loop area

2）内、外导体

除耦合环外，其他部分可等效为同轴传输线，同轴传输线中的陶瓷窗是隔离腔体真空与外界大气的必须材料，它的介入改变了空气介质下同轴传输线的阻抗特性。采用CST 软件进行仿真计算，逐步修正内导体外径的几何参数，使其达到能满足同轴传输线特征阻抗50Ω的传输段，仿真结果如图1所示，图中S11参数为等效反射电压和等效入射电压的比值。由图1可看出，在使用频率为162.5 MHz时S11参数为-27.66dB，与其对应的阻抗为48.47Ω，达到了工程设计要求。

图1 耦合器的S11参数模拟结果Fig.1 Simulated result for S11parameter of coupler

3）热力学仿真

由于耦合器的通过功率非常高，因此对高频特性的热力学分析尤为重要，当介入的陶瓷及其周围由于特性阻抗的变化以及内导体的场强较高等因素导致的温度急剧升高后会直接影陶瓷窗的形变，为此有必要在陶瓷窗焊接中用特殊的结构和工艺。图2为耦合器温度分布的模拟结果。根据计算，水路通径为10 mm，流速按照实际测试结果0.26 L／s 流量和2.29m／s流速下获得的高频热分析，可以在该设计下将陶瓷窗和整个耦合器的温升控制在35～60 ℃之内，满足运行要求。

图2 耦合器热力学模拟结果Fig.2 Thermal simulated result of coupler

4）匹配段设计

考虑到实际现场的安装与耦合器内导体冷却水的引出，在耦合器后面增设一段1／4波长的匹配段，合理选择馈管长度，使增加匹配段后从功率馈入点看进去的S11参数达到-40dB，匹配段的结构如图3所示，匹配段的S11参数仿真结果如图4所示。

图3 耦合器1／4匹配段设计结果Fig.3 Quarter-wave matching port for coupler

图4 匹配段S11参数仿真结果Fig.4 S11parameter simulated result of quarter-wave matching port

1.2 机械结构与加工工艺设计

耦合器械结构主要由外导体、内导体和陶瓷窗等3部分构成，其中外导体分为4段：第1段为圆柱筒形结构，前端配有可旋转活套法兰，以便于耦合度的调节；第2段为圆锥筒形结构，主要用于阻抗均匀过渡；第3段为碗状陶瓷窗安装体，用于固定碗状陶瓷窗；第4段为外接端口，用于适配外部同轴馈管组件。内导体主要分为3段：第1段采用半圆形环状结构，用于电磁耦合，用直径10mm 的双铜管并列绕制，冷却水由此双管一进一出构成冷却回路；第2段采用圆形直管加圆锥形变阻管组合，圆形直管与前端的半圆形环状电磁耦合结构采用真空钎焊相连，锥形变阻管尾部和碗状陶瓷窗用螺栓相连，以便部件损坏时更换；第3段为耦合器内导体尾部接口，用于和外部同轴馈管内插芯连接。

碗状陶瓷窗由3部份组成，主体用高频损耗小的95%三氧化二铝陶瓷经模具成型后再烧结成碗状结构，陶瓷窗内表面镀以氮化钛防止二次电子发射引起的电晕放电。陶瓷窗外径方向采用轴向真空钎焊无氧铜法兰，陶瓷窗内径采用径向真空钎焊无氧铜过渡套筒，用于连接前段内导体和后段功率馈入接口，碗状陶瓷的内外圆弧延长了高频电路长度从而具有很好的抗高频爬电特性。碗状陶瓷窗和同轴传输线为分离拆卸式结构，有利于维护、清洁、更换。碗状陶瓷窗如图5所示。

图5 碗状陶瓷窗Fig.5 Bowl-shaped ceramic window

耦合器两端均采用圆形法兰结构，用螺栓链接腔体与外部馈管，陶瓷窗也采用相同方法以便于碗状陶瓷窗损坏后的拆卸，整个耦合器有6路冷却水进行冷却，耦合器的最终机械设计图如图6所示。

2 耦合器测试结果

耦合器的测试结果列于表2。由表2 可见，当频率为162.5 MHz时，单个耦合器传输功率达60kW，这是在过耦合情况下测得的，由于测试条件所限，未能在匹配状态下测试，从理论分析可证明在匹配状态下单个传输功率可大于60kW。

3 结论

综上所述，ADS RFQ 射频大功率耦合器采用上述方法与工艺是合理实际的，这种圆形同轴传输馈管上使用碗状陶瓷窗组合而成的耦合器已达到了兰州ADS项目的四翼型腔体馈送120kW 射频功率的目的，并在2014年7月实现了10 mA／2.1 MeV 质子出束，其优点是窗体整体结构简单、易于拆装更换，使制造成本降低，其缺点是碗状陶瓷烧结稍有困难。耦合器是中国科学院近代物理研究所独立研发，在同类加速器中尚属首例，可为相近频率类似功率等级的耦合器提供技术参考。

图6 耦合器最终机械设计图Fig.6 Final mechanical design drawing of coupler

表2 耦合器的主要测试参数Table 2 Main measured parameters of coupler

［1］ NAKANISHI T，UEDA N，ARAI S，et al.Construction and operation of a test RFQ linac for heavy ions［J］.Particle Accelerators，1987，20：183-209.

［2］ GROVER N W.Inductance calculations working formulas and tables［M］.New York：D.Van Nostrand Company，1946.