CSNS-II低β超導橢球腔的電磁設計

瞿培華 劉華昌 李 波 王 云 李阿紅 陳 強 吳小磊樊夢旭 彭 軍 羅喜保

1（中國科學院高能物理研究所 北京 100049）

2（散裂中子源科學中心 東莞 523803）

中國散裂中子源（Chinese Spallation Neutron Source，CSNS）的總體科學目標是根據國家需求建成一個世界一流的中子散射多學科研究平臺，使其為生命科學、材料科學、化學、物理等領域的微觀研究提供強有力的研究手段。一期工程主要內容包括：一臺80 MeV負氫直線加速器、一臺1.6 GeV快循環質子同步加速器、一個靶站和三臺譜儀及相應的配套設施，其中直線段由3 MeV的射頻四極加速器（Radio Frequency Quadrupole，RFQ）和80 MeV的漂移管直線加速器（Drift Tube Linac，DTL）組成［1］。2020年2月28日CSNS打靶束流功率達到100 kW設計指標［2］。直線段能量升級已提出。CSNS二期工程（CSNS-II）計劃升級束流功率至500 kW［3］，直線段能量由80 MeV提高到300 MeV以上。擬采用超導腔，其中一種方案為全橢球腔加速，324 MHz DTL后接648 MHz低β橢球腔。中國科學院高能物理研究所在2001年開展了700 MHz、β=0.45超導腔的設計研究，完成了單cell腔形的優化設計，并對其進行了靜態洛倫茲力和動態洛倫茲力的失諧分析［4］。本文主要對頻率為648 MHz、幾何β為0.47的超導橢球腔進行電磁設計和分析，通過反復迭代，完成設計，其性能滿足工程要求。對該超導橢球腔的Multipacting（MP）效應進行了模擬，分別給出2D和3D的計算結果。

1 CSNS-II直線段全橢球腔超導方案

CSNS-II加速器總體參數［5］如表1所示。直線加速器束流脈寬500 μs，束流脈沖峰值流強50 mA，穩定運行時注入束流能量為300 MeV，具備350 MeV注入的能力。

表1 CSNS直線段主要參數Table 1 Main parameters of CSNS linac

CSNS-II直線段升級有三種預備方案，分別在DTL 加速器后接：1）324 MHz double-spoke（dspoke），648 MHz Superconducting Radio-Frequency accelerator（SRF）β=0.65；2）648 MHz single-spoke（s-spoke），648 MHz SRFβ=0.65；3）648 MHz SRFβ=0.47，648 MHz SRFβ=0.65，第三種方案如圖1所示。射頻超導諧振腔可以在連續波模式或長宏脈沖模式下提供高的加速梯度，在國際上已大規模地應用到粒子加速器領域。……