【优博微展2018】吴晓伟：X波段高梯度Choke-mode加速结构的设计与实验研究

吴晓伟：2018年清华大学优秀博士学位论文二等奖获得者

X波段高梯度Choke-mode加速结构的设计与实验研究

Design and Experiment of X-band High-gradient Choke-mode Accelerating Structure

作       者： 吴晓伟         

指导教师： 陈怀璧

培养院系： 工程物理系            

学       科： 核科学与技术

读博感言： 不忘初心，砥砺前行

研究背景/选题意义/研究价值

X波段高梯度加速技术是常温加速结构的研究热点，在正负电子对撞机、自由电子激光、小型光源和紧凑型医疗装置中有着广泛的应用前景。提升加速梯度可以大大缩小装置的尺寸，降低装置的造价。限制加速结构达到高梯度的重要制约因素是射频击穿现象，该现象会引起束流品质下降、加速结构表面损伤等不利影响，研究并抑制射频击穿现象对于实现高梯度加速结构具有重要意义。

另一方面X波段加速结构中的尾场效应严重，尾场会对束团产生恶劣影响甚至导致束流崩溃。Choke-mode加速结构是一种可以抑制尾场的加速结构，具有加工简单、成本低廉、表面磁场低等优点。目前，国内外对X波段Choke-mode加速结构的高梯度性能研究鲜见报道，人类对其在高梯度下的射频击穿现象认识很少。

主要研究内容

论文工作首先采用行波多腔加速结构开展了加速结构测试的实验方法研究，通过高梯度实验总结出具有普适性的研究分析方法。该加速结构稳定工作时的加速梯度达到110 MV/m，验证了清华大学加速器实验室的高梯度研制技术。

论文进而设计并制作Choke-mode加速结构，开展高梯度实验，对choke中的射频击穿现象进行了深入研究。提出利用场致发射电流信号作为choke中射频击穿事件的依据，并在表面形态观察中得到了验证。研究发现choke内过高的电场和较小的尺寸引发了严重的射频击穿，如下图所示，其中B、C所在的choke区域射频击穿点较多，限制了加速结构梯度的提升。通过降低choke区域的电场和扩大choke区域的尺寸，论文工作设计并研制出高梯度Choke-mode加速结构，实验中最大加速梯度可达130 MV/m。通过比较不同尺寸choke的高梯度实验结果，论文总结出评估Choke-mode加速结构高梯度性能的参量，为将来设计高梯度Choke-mode行波多腔加速结构打下了基础。

Choke-mode加速结构的内表面观察结果

Choke-mode加速结构的高梯度实验历史

实验中最大加速梯度(蓝点)达到了130 MV/m

主要创新点

1. 国内首次研制了X波段高梯度行波加速管，开展了高梯度实验研究，实现了110 MV/m加速梯度下的稳定运行，并对实验中的射频击穿现象进行了系统性研究，发现了不同类型射频击穿现象的时间分布规律。

2. 首次设计并制造了X波段两节型Choke-mode单腔加速管，并开展高梯度实验研究，实现了Choke-mode加速结构的高梯度运行，为将来实现高梯度X波段Choke-mode阻尼结构的行波腔链奠定了技术基础。

3. 对Choke-mode加速结构中的射频击穿现象进行实验研究，提出将场致发射电流信号作为发生在choke内的射频击穿的判据，发现降低choke的表面电场和增加choke间隙尺寸可以有效降低射频击穿概率，提升工作梯度。基于高梯度实验的结果，总结出评估choke高梯度性能的参量。

代表性学术发表

1. Wu X, Shi J, Chen H, et al. High-gradient breakdown studies of an X-band Compact Linear Collider prototype structure. Phys. Rev. Accel. Beams., 2017, 20 (052001).

2. Zha H, Shi J,Wu X, et al. Higher-order mode absorption measurement of X-band choke-mode cavities in a radial line structure. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A., 2016, 814: 90–95.

3. Wu X, Zha H, Shi J, et al. High-gradient breakdown studies of X-band choke-mode structures. the 8th International Particle Accelerator Conference, IPAC-2017, Copenhagen, Denmark, 2017.

作者：吴晓伟

供图：吴晓伟

编辑：清华大学研究生院  周明坤  吴佳瑛 李文