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加速器驱动次临界反应堆系统CiADS(Chinese Initiative Accelerator Driven System)[1]是国家重大科技基础设施,旨在验证加速器驱动的核废料嬗变原理和关键技术。ADS是通过加速器产生的高能质子轰击重金属散裂靶,产生广谱中子驱动次临界快中子反应堆运行,对高放射性核废料进行嬗变处理。这种将强流质子加速器与次临界反应堆耦合ADS系统,是核废料安全处置的有效手段[2-4]。ADS系统由三大部分组成:高功率超导质子直线加速器、重金属散裂靶和次临界核反应堆。一个工业化ADS系统一般要求加速器的束流指标为10~15 mA,能量为1.0~1.5 GeV的连续波质子束。2011年,中国科学院启动战略性科技先导专项“未来先进核裂变能—ADS嬗变系统”为了预研超导直线加速器的关键技术,中国科学院近代物理研究所与高能物理研究所合作研制了25 MeV超导直线加速器示范装置CAFe(Chinese ADS Front-end superconducting demo linac)[5-6],结构如图1所示。
由于CiADS 散裂靶和次临界反应堆对加速器失束率有严苛的要求[7],因此 CAFe的重要课题之一是研究并提高超导加速器的运行可靠性。射频超导腔电磁场的幅相稳定直接关系到超导加速器的可靠性,是国内外超导加速器长期的研究重点和热点。
场致发射是一种在外加电场的作用下,电子隧穿金属表面势垒而逸出的现象[8]。大量的研究[9-10]表明,场致发射效应是限制超导腔加速梯度的重要因素之一,是超导腔性能退化的重要表现。此外,超导腔中的场致发射电子行为还会干扰Pt信号,导致腔体故障,影响腔体的稳定运行。国际上之前有相关报道,如:CEBAF(The Continuous Electron Beam Accelerator Facility)早期的运行阶段,出现了超导腔输入耦合器周期性打火的问题,甚至会导致耦合器冷窗真空泄漏,这严重影响了加速器的稳定运行[11];DIAMOND(Diamond storage ring)的运行过程中也存在由腔体中的电子行为导致的提取信号异常,从而影响加速器稳定运行的问题[12];这些对于场致发射对超导腔运行稳定性能影响的研究,对象均为类似椭球结构β值为1的电子加速腔。但对于结构复杂的低β超导腔的影响的研究相对较少。
CAFe超导加速器的起始超导加速结构为HWR010(Half-wave Resonator)同轴结构超导腔,它的工作频率为162.5 MHz,最优β为0.1[13]。如图2所示,HWR010超导腔在线运行的工作模式的电磁场为TEM模,强电场区位于腔体的中间段,强磁场区位于腔体两端。耦合口位于腔体中部区域,垂直安置在束管两侧,一侧为主耦合器,另一侧为提取耦合器[14],两个耦合器均位于腔体的强电场区。提取耦合器的功能是从超导腔中提取少量功率传输给低电平控制系统。低电平控制系统根据提取到的射频场信息(包括幅度和相位)通过负反馈调节来控制超导腔运行。
在HWR010腔体运行的过程中,超导腔的提取耦合器传输信号出现了异常。图3为示波器捕捉到的异常射频信号,表现为持续时间百ns量级的剧烈震荡的电压信号。异常信号导致原传输信号被阻断,这会引起超导腔相位失锁,束流不能被稳定加速,这成为了加速器失束的重要原因之一。
在超导腔运行时,我们监测到X射线剂量达40 μSv/h时就开始出现异常信号,超过700 μSv/h时异常信号的频率高于1次/h。为了解电子在腔体中的运动及对腔体的作用,利用粒子跟踪模拟程序对场致发射电子在HWR010工作模式电磁场下进行了模拟。CAFe的HWR010超导腔的提取耦合器为同轴结构,如图4(a)所示,提取耦合器由馈通、提取天线及真空微波陶瓷窗组成。内导体为钛材质的直杆形天线,天线直径为6 mm,外导体的内径为14 mm,内外导体之间的真空微波陶瓷窗的材质为95%Al2O3。模拟时,假设在腔体强场区处内导体表面均匀附着初始电子,出射能量设置2~4 eV,电子轨迹模拟结果的腔体横切面如图4(b)所示。
可以看到,场致发射电流可以进入提取耦合器内外导体的间隙,最终轰击在微波介质窗上。位于强电场区的提取耦合器受到了场致发射电子的影响[15],在微波介质窗表面引发了沿面放电的现象[16]。对提取耦合器陶瓷窗检查可以看到明显的放电痕迹(如图5所示)。由于电子在窗体表面的累积改变了陶瓷窗的电导率,影响射频场的传输,造成提取信号的异常,从而进一步导致提取耦合器传输给低电平控制系统的信号出现大的波动,使其进行错误的调控并造成控制系统开环、腔体失谐、丢束、加速器停机,甚至器件损坏等严重后果[17-18]。
为了解决这一问题,本文拟对提取天线结构进行优化,并开展低温垂直测试验证该优化设计的可行性。
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(1) 解决场致发射电子在微波介质窗上引起的放电问题。优化后的天线应解决场致发射电子进入提取耦合管及在窗体表面累积造成的放电问题。
(2) 耦合度与原提取天线的耦合度应保持一致。耦合度的设计值应与原天线的耦合度偏差应尽量小,从而使其能与已有的腔体低电平控制系统匹配。
(3) 不影响腔体的低损耗运行。不引入二次电子倍增效应,因其产生的大量电子负载造成腔体的损耗过大,使腔体无法维持稳定的超导态。
(4) 安装简便,清洗容易,易抽真空。优化后的天线应保持原天线结构简单便于机械加工、装配及后处理流程等优点,并且不增加后处理流程的难度。
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超导加速腔的优点在于高的功率传输效率、低的腔体功率损耗。所以要求提取耦合器具有低的耦合度,避免过度负载以保证超导腔具有较高的品质因数。超导腔的功率传输系统包括馈入功率的主耦合器、超导谐振腔和功率提取耦合器。具体的示意图如下图6所示。
图 6 二端口腔体模型示意图[9]
根据超导腔二端口模型[9]有如下推导:提取耦合器与超导腔体的耦合度为
$$ \beta_{\rm e} =\frac{{P}_{\mathrm{e}}}{{P}_{0}} = \frac{{Q}_{0}}{{Q}_{\mathrm{e}}} \text{,}\; $$ 其中:
$ {P}_{0}$ 、$ {P}_{\mathrm{e}} $ 分别为为腔体自身腔壁损耗功率和代表谐振腔通过端口对外泄露的功率;$ {Q}_{\mathrm{e}} $ 为外部品质因数;Q0为腔体固有品质因数,同时也是描述谐振腔射频特性好坏的重要参数:$$ {Q}_{0} = \frac{\omega U}{{P}_{0}} \text{,}\quad {Q}_{\mathrm{e}} = \frac{\omega U}{{P}_{\mathrm{e}}} \text{。} $$ U是腔中电磁场的总储能,
$ P/\omega $ 为一个周期内腔体中的损耗能量。谐振腔与外电路的耦合使腔内的损耗增大。 -
为了避免腔体内部的场致发射电子轰击到耦合器窗体上,将天线的顶端尺寸扩大,形成一个帽子的形状以覆盖住耦合口。这样可以利用金属天线的导电性屏蔽场致发射电子使其无法进入提取耦合器内。优化的天线结构如图7(a)所示,耦合口的内径为14 mm,天线头的直径为15 mm,边缘厚度为1 mm。为验证天线头的尺寸是否可以将电子挡住,在图7(b)中利用粒子追踪模拟程序对带有优化后的天线结构的耦合口附近的电子运动轨迹进行了模拟。模拟初始条件设置及模拟过程同图4(b)。模拟结果表明,场致发射电子在耦合口附近被天线阻挡而无法到达耦合器中的陶瓷窗。
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为了保持超导腔的低损耗性能且只需得到微波场的信息,提取耦合器的耦合度一般为1/100到1/1 000之间。HWR010腔的品质因数为109 量级,原提取天线的
$ {Q}_{\mathrm{e}} $ 约为1×1011,耦合度为1/100量级。腔体工作时峰值电场Epk一般在15~30 MV/m,对应的储能范围约为1.4~5.7 J。故提取耦合器传输给低电平系统的功率范围是14.5~58 mW。优化后的天线的耦合度与原天线的耦合度偏差应尽量小,与低电平控制系统匹配。低电平控制系统对超导腔提取信号的要求在10~20 dBm (10~100 mW)的范围内。图8中计算出不同天线长度对应的Qe值。为了满足加速器对耦合度的要求,且需要安装简便,清洗容易,易抽真空,天线的长度不宜过短,以免与法兰的间距过近。优化后的天线还应保持原天线的优点:结构简单,便于机械加工,以便不增加装配及后处理流程。天线加工时边缘应光滑圆润,以避免引入场畸变点。天线与耦合口间应具有一定间距,避免增加抽真空的难度。综合考虑,将天线长度取值为35 mm,对的Qe值为2.336×1011。选取腔体运行最常用的值4 J时,对应的提取功率约为17.5 mW,这一耦合度基本满足低电平的要求。
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二次电子倍增效应与场致发射效应一样,常发生在射频超导谐振腔中,是射频超导腔寻求高梯度的限制之一。二次电子倍增效应是一种电子共振现象,电子沿着特定的轨迹与腔体工作模式的频率形成共振,导致大量电子的产生,从而影响腔体正常工作。二次电子倍增效应与结构和局部场相关,故优化后的耦合结构需要进行电子轨迹跟踪模拟,来验证是否引入二次电子倍增效应。将天线的表面及耦合器外导体的内表面均匀附着电子,设置出射能量为2 eV,出射角度为0°~ 80°。图9为在工作模式射频场下的模拟结果。结果表明,这种设计结构中的电子数目逐渐衰减,40 ns后电子数接近于零。这说明在腔体的工作模式场下优化后的天线结构不会引发电子倍增机制,电子最终撞击腔壁被吸收和传输。
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优化后的天线须在杜瓦中进行单个腔体的低温运行测试,以验证天线是否可以提取并传输微波信号,同时测试其实际的耦合度并且与后端控制系统的匹配。测试还可以确认天线是否影响超导腔的品质因数,以确认对超导腔的运行及后端控制系统无不良影响。
将优化的天线进行机械加工并在超净间进行抛光、超声波清洗、氦清洗等后处理,得到的实物如图10(a)。而后将天线与耦合器微波馈通[图10(b)]及配套的法兰进行装配[图10(c)],得到了整套提取耦合器。
将新结构提取耦合器装配到HWR010腔体上进行了4.2 K下的低温测试。本次垂测使用的HWR010超导腔是第一支在线使用的超导腔,曾被强流质子束辐照过,在腔体内表面造成一些损伤,使得腔体的Q0有所下降。图11中的测试结果显示,新的天线不会影响腔体的本征参数,在测试过程中腔体X射线剂量始终为零,说明没有二次电子倍增效应发生。以上结果验证了新结构天线不会降低腔体的品质因数,且不会带来其他降低腔体性能的影响。
而后将新结构天线进行在线应用,在装配有新结构天线的3个低温恒温器中的所有超导腔在一年的运行期间未被监测到之前的异常信号。此前旧天线在线时,在腔体具有超过40 μSv/h(18 MV/m)的辐射剂量时就开始出现异常信号影响运行。而带有新结构天线的超导腔可加载峰值电场30 MV/m(足够满足工作要求)以上,并在腔体具有840 μSv/h辐射的情况下,连续监测36 h未有之前的异常信号出现。这意味着新结构天线使腔体的工作性能大大提高。
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CAFe超导加速器上的HWR010超导腔出现了提取信号异常的现象,这引发低电平控制系统误操作导致腔体失谐而后停机,影响加速器的稳定运行。通过实验研究与分析得知,产生该现象的主要原因是场致发射电子导致的,而原有的提取天线结构在抵挡电子方面存在缺陷。为此我们对原有提取天线的结构进行了优化,有效地避免了场致发射电子进入提取耦合器中。通过粒子轨迹跟踪模拟,验证了优化后的提取耦合器在满足耦合度要求的前提下能有效避免场致发射电子对提取信号的干扰。优化后的天线在测试中得到验证,该天线可以满足传输信号的功能并未发现影响腔体运行的其他问题。新设计的天线在线应用后,有效地抑制了异常信号的发生,超导腔的工作性能得以提高,加速器运行的稳定性得到了明显改善。
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摘要: 我国自主研发的超导加速器CAFe是ADS加速器的前端示范装置,其对加速器的运行稳定性有非常高的要求。在CAFe的运行中存在场致发射效应干扰超导腔提取信号的问题,是造成超导腔运行故障最频繁的问题之一,这严重降低了加速器的稳定性。这一问题是由于超导腔内的场致发射电子在相关微波传输器件上引起了放电现象,干扰了信号的传输并造成低电平控制系统对超导腔的错误控制,最终导致超导腔失谐和加速器停机故障。本文通过优化提取天线的结构,避免场致发射电子进入提取耦合器,从而解决传输信号异常的问题。优化后的天线在线运行效果良好,解决了超导腔这种提取信号异常的问题,提高了加速器运行的稳定性。Abstract: The China ADS Front-end demonstration facility(CAFe) is the prototype accelerator for the China Accelerator Driven Subcritical system(ADS), and exhibits extremely high requirement on operation stability. During the operation of CAFe, the field emission effect interferes with the pickup signal from the superconducting cavity, which is one of the most common causes for beam trips and other operation faults. Such interference seriously harmed the accelerator operation stability. The origin of the problem comes from the fact that field emission electrons cause discharge on the microwave transmission device, which interferes with the signal transmission and causes the low-level radio frequency system to control the superconducting cavity incorrectly, and finally leads to the superconducting cavity failure and accelerator shutdown. In this paper, the structure of the pick-up antenna was optimized to avoid the field emission electrons from entering the pick-up coupler, so as to solve the problem of abnormal signal. The optimized antenna showed desirable results during the online operation tests, the problem of abnormal signal extraction was solved, and the stability of accelerator operation was improved.
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Key words:
- superconducting accelerator /
- stable operation /
- field emission effect /
- flashover /
- coupler
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图 6 二端口腔体模型示意图[9]
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