第 1 章 绪 论 1.1 X 波段高梯度加速技术 X 波段常温高梯度加速结构具有加速梯度高、结构紧凑的优点，与 传统的 S 波段（加速梯度为 20.30 MV/m）和 C 波段（加速梯度为 30. 50 MV/m） 加速结构相比， X 波段高梯度加速结构的加速梯度高达 100 MV/m，达到相同束流能量时，采用 X 波段高梯度加速结构可以减 小装置的尺寸、降低成本和节约空间。X 波段高梯度加速技术概念的提出 最早可以追溯到 20 世纪 70 年代苏联布德克尔核物理研究机构（Budker Institute of Nuclear Physics，BINP）提出的正负电子对撞机计划（VLEPP）。 该计划提出使用工作频率为 14 GHz、加速梯度高达 100 MV/m 的加速结 构来组建中心能量为 1 TeV 的对撞机 [1]。20 世纪 80 年代以来，为了建造 更高中心能量（TeV 量级以上）、更加紧凑的直线对撞机，人们基于 X 波段 高梯度加速技术提出了全球直线对撞机（Global Linear Collider，GLC）和 下一代直线对撞机（Next Linear Collider，NLC）的研究合作计划 [2{4]。X 波 段高梯度加速技术在这一时期得到了全面发展，美国的斯坦福国家加速器 实验室（SLAC National Accelerator Laboratory，SLAC）和日本的高能加速 器研究机构（High Energy Accelerator Research Organization，KEK）研制 出了长 60 cm、可稳定工作在 65 MV/m 的高梯度加速结构 [5{7]。2004 年国 际技术推荐小组（International Technical Recommendation Panel，ITRP） 经过认真考虑，决定将 TeV 能级超导直线加速器（teraelectronvolt energy superconducting linear accelerator，TESLA）和 GLC/NLC 的研究工作合 并，并选择超导加速方案作为下一代直线对撞机的技术路线 [8{10]。有关 GLC/NLC 的 X 波段常温高梯度加速技术研究转移到了紧凑型直线对撞 2 X 波段高梯度 Choke-mode 加速结构的设计与实验研究 机（compact linear collider，CLIC）研究计划中，CLIC 是由欧洲核子研究 中心（European Organization for Nuclear Research，CERN）提出的中心能 量为 3 TeV 的正负电子对撞机计划，采用常温双束加速方案，装置布局如 图 1.1 所示 [11{13]。CLIC 主加速段最早的工作频率为 30 GHz、加速梯度为 150 MV/m，后来于 2008 年将工作频率调整为 12 GHz、加速梯度调整为 100 MV/m。基于 X 波段高梯度加速技术的对撞机信息如表 1.1 所示 [14]。 为了研制出满足 CLIC 要求的加速结构，自 2007 年起，SLAC、KEK 和 CERN 合作开展了加速梯度高达 100 MV/m 的加速结构的研究工作 [15]。 图 1.1 CLIC 的布局 表 1.1 直线对撞机的高梯度加速结构 计划名称 VLEPP NLC GLC CLIC 研究机构 BINP SLAC KEK CERN 工作频率（过去/现在）/GHz 14 11.4 11.4 30/12 设计加速梯度/（MV/m） 100 50 50 150/100 功率源 速调管 速调管 速调管 双束加速 加速结构长度（过去/现在）/m 1 1.8/0.6 1.3/0.6 0.2.0.3 通常 X 射线自由电子激光装置需要高达 9 GeV 左右的束流能量，而 现存的基于 S 波段和 C 波段的常温自由电子激光装置运行在 40 MV/m 以 下的加速梯度。近年来随着 X 波段高梯度加速技术的深入发展，国际上多 第 1 章 绪 论 3 个研究机构均提出了基于 X 波段高梯度加速结构的紧凑型 X 射线自由电 子激光装置的设想。采用 X 波段高梯度加速技术，可以缩短装置的尺寸， 节约成本，还可以将重复频率提升至 1 kHz [16{22]。例如，对于澳洲光源 和上海应用物理研究所正在筹备建设的自由电子激光装置，加速梯度约为 70 MV/m 的 X 波段加速结构可以在满足目标束流能量的同时，实现在现 有园区内建设装置 [23]。 除了大型的自由电子激光装置以外，X 波段高梯度加速技术还可以应 用在小型光源上。例如，在康普顿散射 X 射线源中，将常用的 S 波段加速 结构替换为 X 波段高梯度加速结构，可以在同等长度下获得更高的能量。 清华大学加速器实验室计划对现有的康普顿散射 X 射线源束线进行升级， 增加 6 根 X 波段高梯度加速管（每根 0.64 m，加速梯度为 75 MV/m），将束 流能量提升至 350 MeV，如图 1.2 所示 [24]。为了研究和推动 X 波段小型光 源的发展，国际上的多家研究机构和大学成立了专门的研究组织 Compact Light [25]。 图 1.2 清华大学加速器实验室康普顿散射 X 射线源的升级束线布置 此外，X 波段高梯度加速技术在工业加速器和医用加速器中也有着广 泛的应用。在放射治疗领域，质子和重离子治疗装置通常使用回旋加速器 和同步加速器，这类装置占地面积大，建造费用高昂。将高梯度直线加速 技术应用到放射治疗中，可以实现高重复频率和脉冲式的工作模式，达到 扫描治疗的效果，同时还可以缩小装置尺寸，使治疗装置可以集成在医院 中，降低建造费用 [22, 26{30]。 1.1.1 X 波段高梯度加速技术的研究状况 在 X 波段高梯度加速结构研制的初期，对撞机工作在单束团高重频 模式，不需要考虑抑制高阶模式的问题，这一阶段设计的加速结构腔型为 普通圆柱腔。CERN 和 KEK 于 1994 年设计并测试了两根 X 波段高梯度 4 X 波段高梯度 Choke-mode 加速结构的设计与实验研究 加速管，平均梯度达到了 85 MV/m（当输入为脉冲压缩器 SLED 脉冲时， 峰值梯度达到了 100 MV/m 以上），加速结构的盘片如图 1.3(a) 所示。这 一时期人们对射频击穿现象的认识尚处于初步阶段，对加速结构高梯度性 能的评估并不完善，实验中并没有对射频击穿概率进行相关测量。这之后 的 10 年间，人们逐步认识到评估射频击穿概率和保持加速结构稳定运行 的重要性 [15, 31]。 工作在多束团模式的对撞机可以提高能量传输效率。为了抑制多束团 模式下的尾场效应，SLAC 和 KEK 设计出了总长为 1.8 m 的圆形失谐阻 尼加速结构（rounded damped-detuned structure1，RDDS1），该结构的盘 片如图 1.3(b) 所示。该结构具有良好的尾场抑制能力，但由于腔体内存在 多处尖锐边缘，被认为会具有较差的高梯度性能，所以对该结构没有开展 相关的高梯度实验研究 [15]。 SLAC 和 KEK 在 RDDS1 的基础上将加速结构的尖锐边缘圆弧化 来降低表面磁场，增加腔间相移，扩大加速结构的盘荷孔径的同时保持 较低的群速度，设计出了高相移失谐阻尼加速结构（high-phase advance DDS，HDDS）。该结构长 0.6 m，可以稳定工作在 65 MV/m [2, 32]，如 图 1.3(c) 所示 。截至 2004 年，SLAC 和 KEK 制作并测试了若干 HDDS 结 构，在这一时期的测试中，射频击穿概率等参数被良好地记录了下来 [6]。 从 2007 年开始，X 波段高梯度加速技术的研究主要转移到了 CLIC 计划中，CLIC 主加速结构采用强阻尼方案，目前基准方案中的强阻尼（波 导阻尼）加速结构如图 1.3(d) 所示。为了实现加速结构在 100 MV/m 加速 梯度下稳定运行，SLAC、KEK 和 CERN 共同开展了高梯度加速结构的合 作研究 [33]。 SLAC-KEK-CERN 的合作组为了提升加速结构的工作性能，在 X 波 段高梯度加速技术的发展过程中，经过大量实验探索，研究出了一套包含 精密加工、扩散焊和真空烘烤等的制作工艺。这种工艺目前已成为制作 X 波段高梯度加速结构的基准方案 [32, 33]。随着加速结构工作频率的提升，腔 体盘片的尺寸也越来越小，SLAC 和 KEK 提出了利用 1/2 结构和 1/4 结 构的腔体加工方案。这种方案沿加速结构的横向对整管进行分割，利用铣 床直接加工出 1/2 或 1/4 个加速结构，来代替传统的纵向多盘片组装方 案，如图 1.4 所示 [34{40]。采用这种方案可以减少加速结构焊接时的部件 第 1 章 绪 论 5 数，焊接面电磁场很低且没有电流流过，对焊接的要求低于传统的纵向多 盘片组装方案，同时减少了需要加工的表面积。近年来，这种方法已经成 功应用在了 X 波段以及更高频率加速结构的加工制备中 [41{44]。 图 1.3 X 波段高梯度加速结构盘片的变化 (a) 常规圆柱腔加速结构；(b) 圆形失谐阻尼加速结构； (c) 高相移失谐阻尼加速结构；(d) 波导阻尼加速结构 图 1.4 1/2 结构和 1/4 结构 (a) CLIC 原型腔 T24 行波腔链的 1/2 结构； (b) CLIC 原型腔波导阻尼驻波单腔结构的 1/4 结构 为了使 X 波段高梯度加速结构更好地应用到实际的装置中，与之相 关的准直技术也得到了发展 [45]。2013 年以来，CERN 联合了多所大学和 公司，开展了纳米级加速器计量准直研究计划（particle accelerator com- ponents' metrology and alignment to the nanometre scale，PACMAN）[46]。 PACMAN 研究组利用导体线（材料为 Be-CU）、尾场模拟器（wakeˉeld mon- itor，WFM）、三维坐标系测量器（coordinate measuring machine，CMM） 和矢量网络分析仪搭建了测量平台，对 CLIC 原型腔 TD24 加速结构进行 了预准直研究，实验中利用导体线对 TD24 中第一双极子模式产生微扰， 移动 TD24 的同时用矢量网络分析仪寻找 WFM 端口反射系数的最小值， 6 X 波段高梯度 Choke-mode 加速结构的设计与实验研究 从而确定 TD24 电磁场的中心。该方法对电磁场中心的测量横向精度可达 1.09 m，纵向精度可达 0.58 m [47{51]。 1.1.2 高梯度加速结构的限制因素 目前 X 波段行波多腔加速结构和驻波单腔加速结构所能稳定达到的 最高加速梯度约为 120 MV/m（脉冲宽度 252 ns）[52.53] 和 160 MV/m（脉 冲宽度 160 ns）[54]。 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（俗称“打 火”现象）。射频击穿是一个复杂的物理现象，通常被认为与场致发射存在 着密切的联系，由高电场强度下结构表面的场致发射电流所引发 [54.55]， 因此高梯度加速结构中的射频击穿问题尤为严重。当加速结构中发生射频 击穿时，腔壁上发射出大量的电流导致发射点升温，进而熔化发射点形成 等离子体，迅速提升腔体内的气压值。该电流对入射功率和加速结构本身 的干扰在整个系统中产生非线性效应，严重影响被加速的束流。射频击穿 会改变束流的轨迹和发射度，造成束流能量不稳定，导致束流亮度下降甚 至束流丢失 [6;56.57]。实验中伴随着射频击穿会观察到反射功率剧烈增大， 传输功率迅速降低，场致发射电流急剧增加，加速结构内的真空度下降，并 且还伴随着 X 射线、发光和发声等现象 [55, 58{60]。这些现象可用来作为判 断射频击穿发生的依据。射频击穿会在加速结构表面形成烧蚀坑，破坏表 面形态，如图 1.5 所示，并对加速结构造成损伤 [59]。这些对加速结构产生 的损伤会引起腔间相移改变、腔体失谐和反射功率变大，缩短加速器的使 用寿命。 图 1.5 射频击穿在电子显微镜下的微观形态 被观测的加速结构为 TD26 第 1 章 绪 论 7 由于射频击穿对被加速的束流和加速结构本身都具有严重影响，还会 迫使加速器停止运行，缩短机器的运行时间，实际采用高梯度加速结构的 装置对于射频击穿概率有着严格的要求。射频击穿概率的定义由式 (1-1) 给出： BDR = NumBD Nump ￡ L (1-1) 其中，BDR 是射频击穿概率，单位是每脉冲每米（pulse.1￠m.1）；NumBD 是统计的射频击穿数目；Nump 是统计的脉冲数目；L 是加速结构的长度。 例如，CLIC 要求其主加速结构运行在 180 ns 脉冲宽度和 100 MV/m 加速 梯度时的 BDR 要低于 3 ￡ 10.7 pulse.1￠m.1 [12]。为了研究并抑制射频击 穿，实现高梯度加速结构的稳定运行，世界范围内的多个研究组开展了相 关的高梯度实验研究项目。 1.2 高梯度实验研究 高梯度实验研究是理解高梯度加速结构中射频击穿现象的重要手段。 目前世界上开展的高梯度实验研究主要由 SLAC、CERN 和 KEK 主导进 行。在国内，清华大学加速器实验室和上海应用物理研究所也在开展相关 的研究和准备工作。 高梯度实验通过向被测加速结构通入高功率，采用长时间测量的方 法，研究其在高梯度下的性能。高梯度实验通常分为前期的微波老练阶段 和后期的测量阶段。对于 1.1.1 节介绍的制作工艺所加工的加速管，它并 不能直接承受最高的馈入功率。通常需要一个较长的高功率时间来逐步 提升其高梯度性能，在这个过程中要保持一个较低的射频击穿概率来防止 加速结构遭受不可逆转的损害，同时不断地提升功率水平和脉冲宽度，直 到馈入功率逐渐饱和。这也被称为微波老练过程，微波老练通常被认为是 一个逐渐改善结构表面和提升加速结构所能承受最大梯度的过程 [2]。当 被测加速结构的老练阶段结束后，加速结构已经可以稳定运行在较高的加 速梯度下，这一阶段对加速结构开展一些具有目的性的测量，如射频击穿 概率的测量，以评估其在高梯度下的性能。高梯度实验系统以入射波、场 致发射电流和真空度等信号作为射频击穿的判据，将实验过程中的射频 击穿事件记录下来，对收集到的信号和数据进行统计性分析，比较不同参 8 X 波段高梯度 Choke-mode 加速结构的设计与实验研究 数对高梯度性能的影响，如研究加速梯度、表面磁场、脉冲升温、频率和 功率等物理参数对射频击穿概率的影响，从而深入理解射频击穿，并对加 速结构的高梯度性能进行评估和预测，进而改进高梯度加速结构的设计方 案 [41.42;54;61.62]。 按功率的类型可以将高梯度实验研究分为微波高梯度实验研究和直流 高梯度实验研究。微波高梯度实验基于速调管功率源的实验装置，可以直 接测试行波以及驻波高梯度加速结构的性能，对相关的射频击穿现象开展 研究。目前正在运行的 X 波段微波高梯度实验平台有 CERN 的 Xbox1-3 装置和 KEK 的 Nextef 装置 [63{68]。直流高梯度实验是基于直流功率源的 装置，相比于微波高梯度实验，它更加廉价、容易和快速。目前正在运行 的直流高梯度实验平台有 CERN 的直流火花系统（DC spark system）和大 电极直流火花系统（large electrode DC spark system）[69{74]。 大量的高梯度实验研究结果表明，射频击穿概率与加速梯度和脉冲宽 度有着强烈的正相关关系 [7, 75{77]，CLIC 研究组在一项包括频率为 12 GHz 和 30 GHz、长度为 20.60 cm、不同类型（行波、驻波、有阻尼结构和无阻 尼结构）的加速结构的高梯度实验研究中 [76]，总结出射频击穿概率与加速 梯度具有以下关系： BDR / E30 acc (1-2) 其中，BDR 是射频击穿概率，其定义由式 (1-1) 给出，Eacc 是加速梯度，30 次方关系是通过对不同加速结构数据进行拟合得出的最优参数，对于直流 高梯度实验研究也得出了同样的结果 [73]。 射频击穿概率同时也受脉冲宽度影响，射频击穿概率随着脉冲宽度的 增长而增大，它们具有以下关系 [7, 52, 76]： BDR / t5 p (1-3) 其中，tp 是脉冲宽度。结合式 (1-2) 和式 (1-3)，可得 BDR E30 acc ￠ t5 p = 常数 (1-4) 式 (1-4) 是高梯度加速结构中加速梯度、脉冲宽度和射频击穿概率的经验 公式。利用高梯度实验数据，芬兰赫尔辛基大学提出晶格缺陷模型，对射 第 1 章 绪 论 9 频击穿概率与表面电场的关系进行解释 [78]，进而总结出以下关系： BDR / expμ"0E2 surf￠V kBT . (1-5) 其中，"0 是真空介电常数；Esurf 是表面电场强度；"0E2 surf 可以理解为电 场在金属表面产生的应力；￠V 是晶格缺陷的松弛体积；T 是温度；kB 是 玻尔兹曼常数。利用式 (1-5) 对实验数据进行拟合，在微波高梯度实验和 直流高梯度实验中均取得了良好的一致性 [78]。 SLAC 在高梯度实验研究中发现输入耦合器内的尖锐边缘处具有较高 的射频击穿概率，他们认为这是由强表面磁场引起的射频击穿。通过将该 区域圆弧化来降低表面磁场，成功地解决了这一问题 [15]。通常认为表面 磁场以脉冲升温的形式对射频击穿现象产生影响。由于金属具有一定的电 阻率，微波功率在腔体表面传播时，将以欧姆热的方式产生局部脉冲升温。 由脉冲升温产生的热应力会改变金属局部晶格，增加表面粗糙度，降低金 属表面品质，对结构的性能产生负面影响，从而增加射频击穿概率 [79{84]。 对于脉宽为 tp 的矩形脉冲（表面磁场强度 Hsurf 为恒定值），脉冲升温的 最大值 ￠T 由式 (1-6) 给出 [80]： ￠T . H2 surf ±R r tp .kc" (1-6) 其中，± 是趋肤深度；R 是金属电阻率；. 是金属密度；k 是导热系数；c" 是比热容。由于脉冲升温会提升射频击穿概率，CLIC 研究组通过总结高 梯度实验的结果，给出在合理的射频击穿概率下运行的加速结构最大脉冲 升温不应超过 56 K[12]。 除了电场强度、脉冲宽度和脉冲升温之外，射频击穿概率还与功率和 功率流密度有关。由于驻波加速结构中功率流密度为零，为了将驻波和行 波加速结构的高梯度实验结果统一起来，CLIC 研究组基于场致发射融化 发射点的模型，提出修正坡印廷矢量 Sc 来描述射频击穿概率 [76]： Sc = Re(S) + 1 6 Im(S) (1-7) 其中，S = E ￡ H 为复数坡印廷矢量。对于驻波和行波加速结构的实验结 果，Sc 都具有一个类似的上限值，可用作加速结构设计中降低射频击穿概 率的重要优化参数。进而 CLIC 研究组指出：为了在 200 ns 脉宽下获得低 10 X 波段高梯度 Choke-mode 加速结构的设计与实验研究 于 1 ￡ 10.6 pulse.1￠m.1 的射频击穿概率，Sc 不应超过 5 MW/mm2 [76]。 近期在美国阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory，ANL）开展的 针形阴极实验表明，在保持阴极表面基模电场强度不变的情况下，腔体储 能与场致发射电流存在明显的正相关关系。储能可能影响了局部一些由场 致发射电流激发的高阶模式的幅度，进而对射频击穿概率产生影响 [85]。 为了满足 CLIC 对主加速结构射频击穿概率、脉冲宽度和加速梯度的 要求，验证装置的可行性，CLIC 研究组设计出了多代原型试验腔，并开展 了一系列的高梯度实验研究，实验的汇总结果如图 1.6 所示。由图中结果 可知，部分原型腔在达到 100 MV/m 加速梯度的同时，也满足了 CLIC 对 于射频击穿概率的要求。 图 1.6 不同 CLIC 原型腔的高梯度实验结果汇总（见文前彩图） 不同颜色的点代表不同的 CLIC 原型腔，正方形的点代表原始数据，圆形的点代表利用式 (1-3) 将原始数据缩放到 180 ns 脉宽后的情况，叉形的点代表利用式 (1-4) 将原始数据缩放到 180 ns 脉宽和 3￡10.7 pulse.1￠m.1 射频击穿概率后的情况 1.3 Choke-mode 加速结构 工作在多束团模式下的加速器面临着抑制尾场效应的问题，Choke- mode 加速结构是一种具有尾场抑制功能且易加工的加速结构。