C-ADS項目RFQ 加速腔的射頻耦合器研制

石愛民，孫列鵬，張周禮，何 源，盧 亮，李晨星，2，徐顯波，施龍波，2，王文斌

（1.中國科學院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學院大學，北京 100049）

ADS RFQ 加速器的輸出流強為10 mA，輸出能量為2.1MeV，是后續強流MW 級高功率質子加速器的輸入級。腔體功率的饋入是ADS RFQ 加速器非常關鍵的技術之一，為達到RFQ 的技術指標，必須為其腔體雙端口同時輸入60kW 的射頻功率。目前國內外市場上均未見同頻率的大功率耦合器產品，而委托研發價格昂貴、周期長，為此本文自主研發適用于該RFQ 腔的射頻耦合器。

目前國外同類功率等級耦合器的陶瓷窗大多采用薄壁平板型和套管式結構，平板型陶瓷窗為達到阻抗要求通常用改變同軸饋管的外徑與內徑實現變阻，其優點是陶瓷窗易于加工，適合于較大功率，缺點是與相連導電體在較大尺寸時不易焊接，且整體陶瓷窗加工成本較高。套管式結構雖無需改變同軸饋管的外徑與內徑，只通過插入式環狀物即可調整阻抗，并可抑制二次電子發射，是不錯的方案，但結構復雜不易制作、爬電距離較短、容易產生放電，且薄壁平板型和套管式陶瓷窗均不可獨立拆卸，不方便今后的使用與維護，制造成本是碗狀陶瓷窗的數倍，因此本文選擇碗狀陶瓷窗結構，以克服上述缺點。

1 耦合器研制路線

耦合器研制分為3部分：電磁設計、機械結構設計和加工工藝設計。電磁設計著重考慮阻抗匹配、耦合度、陶瓷窗材料在射頻功率下的介質損耗、受熱變形與二次電子發射狀況的評估等；機械結構設計著重考慮滿足電磁設計的條件下，盡可能的簡單可靠，便于裝配和各部件拆卸；加工工藝設計著重考慮機械加工的可行條件。

1.1 電磁設計

設計的耦合器主要由耦合環、內導體、外導體（同軸傳輸線）、碗狀陶瓷窗組成。

1）耦合環

根據文獻［1］確定耦合環的大小，通過等效電路分析得到以下公式：式中：A 為耦合環磁通所需的面積；S 為腔體1／4象限的橫截面積；Q0為無負載時的品質因數；ω 為腔 體 諧 振 角 頻 率；L0為1／4 象 限 的 電感，L0＝μ0S／lV，μ0 為 真 空 磁 導 率，lV為 翼 長度；Li為耦合環的自感；RC為射頻傳輸線的特征阻抗。Li可由式（2）［2］計算：

式中：μr 為導體的相對磁導率；w 和h 分別為耦合環的長和寬；a為導體的半徑。

S 由式（3）計算：

式中，r為腔體的截面半徑。

表1列出了用于計算耦合環所需的RFQ腔體參數，將其代入上述公式可得到所需的耦合環面積為23cm2。實踐中通過理論計算與仿真確定初步參數，最終數據由試驗測試獲得。

表1 計算耦合環面積所需的參數Table 1 Required parameter of calculating coupling loop area

2）內、外導體

除耦合環外，其他部分可等效為同軸傳輸線，同軸傳輸線中的陶瓷窗是隔離腔體真空與外界大氣的必須材料，它的介入改變了空氣介質下同軸傳輸線的阻抗特性。采用CST 軟件進行仿真計算，逐步修正內導體外徑的幾何參數，使其達到能滿足同軸傳輸線特征阻抗50Ω的傳輸段，仿真結果如圖1所示，圖中S11參數為等效反射電壓和等效入射電壓的比值。由圖1可看出，在使用頻率為162.5 MHz時S11參數為-27.66dB，與其對應的阻抗為48.47Ω，達到了工程設計要求。

圖1 耦合器的S11參數模擬結果Fig.1 Simulated result for S11parameter of coupler

3）熱力學仿真

由于耦合器的通過功率非常高，因此對高頻特性的熱力學分析尤為重要，當介入的陶瓷及其周圍由于特性阻抗的變化以及內導體的場強較高等因素導致的溫度急劇升高后會直接影陶瓷窗的形變，為此有必要在陶瓷窗焊接中用特殊的結構和工藝。圖2為耦合器溫度分布的模擬結果。根據計算，水路通徑為10 mm，流速按照實際測試結果0.26 L／s 流量和2.29m／s流速下獲得的高頻熱分析，可以在該設計下將陶瓷窗和整個耦合器的溫升控制在35～60 ℃之內，滿足運行要求。

圖2 耦合器熱力學模擬結果Fig.2 Thermal simulated result of coupler

4）匹配段設計

考慮到實際現場的安裝與耦合器內導體冷卻水的引出，在耦合器后面增設一段1／4波長的匹配段，合理選擇饋管長度，使增加匹配段后從功率饋入點看進去的S11參數達到-40dB，匹配段的結構如圖3所示，匹配段的S11參數仿真結果如圖4所示。

圖3 耦合器1／4匹配段設計結果Fig.3 Quarter-wave matching port for coupler

圖4 匹配段S11參數仿真結果Fig.4 S11parameter simulated result of quarter-wave matching port

1.2 機械結構與加工工藝設計

耦合器械結構主要由外導體、內導體和陶瓷窗等3部分構成，其中外導體分為4段：第1段為圓柱筒形結構，前端配有可旋轉活套法蘭，以便于耦合度的調節；第2段為圓錐筒形結構，主要用于阻抗均勻過渡；第3段為碗狀陶瓷窗安裝體，用于固定碗狀陶瓷窗；第4段為外接端口，用于適配外部同軸饋管組件。內導體主要分為3段：第1段采用半圓形環狀結構，用于電磁耦合，用直徑10mm 的雙銅管并列繞制，冷卻水由此雙管一進一出構成冷卻回路；第2段采用圓形直管加圓錐形變阻管組合，圓形直管與前端的半圓形環狀電磁耦合結構采用真空釬焊相連，錐形變阻管尾部和碗狀陶瓷窗用螺栓相連，以便部件損壞時更換；第3段為耦合器內導體尾部接口，用于和外部同軸饋管內插芯連接。

碗狀陶瓷窗由3部份組成，主體用高頻損耗小的95%三氧化二鋁陶瓷經模具成型后再燒結成碗狀結構，陶瓷窗內表面鍍以氮化鈦防止二次電子發射引起的電暈放電。陶瓷窗外徑方向采用軸向真空釬焊無氧銅法蘭，陶瓷窗內徑采用徑向真空釬焊無氧銅過渡套筒，用于連接前段內導體和后段功率饋入接口，碗狀陶瓷的內外圓弧延長了高頻電路長度從而具有很好的抗高頻爬電特性。碗狀陶瓷窗和同軸傳輸線為分離拆卸式結構，有利于維護、清潔、更換。碗狀陶瓷窗如圖5所示。

圖5 碗狀陶瓷窗Fig.5 Bowl-shaped ceramic window

耦合器兩端均采用圓形法蘭結構，用螺栓鏈接腔體與外部饋管，陶瓷窗也采用相同方法以便于碗狀陶瓷窗損壞后的拆卸，整個耦合器有6路冷卻水進行冷卻，耦合器的最終機械設計圖如圖6所示。

2 耦合器測試結果

耦合器的測試結果列于表2。由表2 可見，當頻率為162.5 MHz時，單個耦合器傳輸功率達60kW，這是在過耦合情況下測得的，由于測試條件所限，未能在匹配狀態下測試，從理論分析可證明在匹配狀態下單個傳輸功率可大于60kW。

3 結論

綜上所述，ADS RFQ 射頻大功率耦合器采用上述方法與工藝是合理實際的，這種圓形同軸傳輸饋管上使用碗狀陶瓷窗組合而成的耦合器已達到了蘭州ADS項目的四翼型腔體饋送120kW 射頻功率的目的，并在2014年7月實現了10 mA／2.1 MeV 質子出束，其優點是窗體整體結構簡單、易于拆裝更換，使制造成本降低，其缺點是碗狀陶瓷燒結稍有困難。耦合器是中國科學院近代物理研究所獨立研發，在同類加速器中尚屬首例，可為相近頻率類似功率等級的耦合器提供技術參考。

圖6 耦合器最終機械設計圖Fig.6 Final mechanical design drawing of coupler

表2 耦合器的主要測試參數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.