X波段高梯度加速结构及尾场效应研究

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1、博士学位论文X波段高梯度加速结构及尾场效应研究作者姓名：黄晓霞指导教师:赵振堂研究员中国科学院上海应用物理研究所学位类别:工学博士学科专业:核技术及应用培养单位:中国科学院上海应用物理研究所2017年12月StudyoftheX-bandHighGradientAcceleratingStructureandWakefieldEffectsAdissertationsubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesinpartialfulfillmentofthe

2、requirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyinNuclearTechnologyandApplicationsByHuangXiaoxiaSupervisor:ProfessorZhaoZhentangShanghaiInstituteofAppliedPhysics,ChineseAcademyofSciencesDecember,2017摘要摘要高能物理和光子科学的发展，对实验装置的能量提出了更高的要求，推进了加速器的发展。为了发现和研究新的物理现象，粒子对撞

3、机的对撞能量需要提升一个量级。受限于安装长度，加速梯度也需要相应的提高。这同时迎合了紧凑型自由电子激光装置的发展需求，有利于实验室装置和医疗设备等装置的小型化。因此，高加速梯度是实现紧凑型直线加速装置的关键因素。为了实现高梯度的目标，斯坦福直线加速器中心（SLAC）、日本高能加速器研究中心（KEK）和欧洲核子研究中心（CERN）等机构，致力于研究X波段乃至更高频率的加速结构，并在测试装置NLCTA（NextLinearColliderTestAccelerator）、XTF（NewX-bandTestFac

4、ility）和CTF（CompactLinearColliderTestFacility）上进行了大量的研究。目前，X波段加速结构最高能获得120MV/m的无束流负载稳定加速梯度，远高于S波段和C波段能达到的加速梯度。对于30GHz频率的加速结构，加速梯度可以在极短脉冲长度下实现150MV/m，但是不能在多束团模式下稳定运行。随着精密加工技术、高功率源等的发展，多个机构联合建立了X波段自由电子激光国际合作组，将X波段高梯度加速结构作为未来紧凑型自由电子激光装置的首选方案。但是X波段加速结构仍然面临“打火”和

5、横向尾场抑制等技术难题。结构的“打火”通常发生在腔壁上，与表面电磁场相关，限制了结构的加速梯度。横向尾场效应与束团间隔、束团数目等息息相关，在多束团模式运行中尤其严重。针对单束团模式运行的装置，例如自由电子激光装置，横向尾场效应的抑制与束流孔径相关。本论文完成了80MV/m的X波段高梯度盘荷波导结构的设计、加工和调谐。该结构是专门为紧凑型自由电子激光装置设计，后由于工程项目变动，样管安装在上海软X射线自由电子激光装置上，用于束团线性压缩。本论文提出了利用多项式拟合建模的多目标优化算法，分析了表面电磁场抑制、

6、尾场效应抑制和耦合器中的多极场效应抑制问题，进行了非谐振微扰测量调谐等，完成了样管的制造，并且开展了高功率实验和束流实验。I博士学位论文——X波段高梯度加速结构及尾场效应研究本论文还详细介绍了用于紧凑型直线对撞机项目第一阶段（380GeVCLIC）的X波段波导阻尼结构的设计。通过优化腔体轮廓、阻尼波导尺寸、高次模吸收负载位置等，实现了横向尾场效应的抑制和表面电磁场的优化。本文基于高斯失谐原理的尾场效应抑制，探讨了盘荷波导结构在双束团运行模式时的尾场效应，并拓展到多个束团运行模式。关键词：X波段高梯度加速结构

7、，横向尾场，表面电磁场，高次谐波补偿，波导阻尼结构，双束团模式IIAbstractAbstractThedevelopmentofhighenergyphysicsandphotonicsciencehasproposedhigherrequirementsfortheenergyofexperimentalfacilities,whichgreatlypromotethedevelopmentofparticleaccelerators.Inordertodiscoverandstudynewphysic

8、alphenomena,thecenterofmassofparticlecollidersneedstobeincreasedbyoneorderofmagnitude.Duetolimitedinstallationlength,theacceleratinggradientmustbeimprovedcorrespondly.Itcaterstothedevelopmentforcompactfreeele