上海应物所高梯度C波段射频加速技术研究取得重大进展

中国科学院上海应用物理研究所联合中国电子科技集团第十二研究所（中电十二所）和上海三浩真空技术有限公司（三浩真空），经过长期的理论研究和技术攻关，成功研发了高梯度C波段射频加速技术单元，在SDUV-FEL加速器平台上进行了该技术单元试验研究，获得了50MV/m的带束加速梯度，实验结果表明该技术研究取得重大进展。

C波段射频加速技术是国际上新发展起来的高梯度加速技术，在自由电子激光和医用及工业应用加速器上有重要应用。2011年日本建成了8GeV的C波段直线加速器，带束加速梯度为35MV/m；瑞士和意大利也紧随其后研制了自己的C波段加速结构，并正在建设用于自由电子激光和康普顿背散射光源的C波段加速器，在可查文献记录中，他们的高功率试验加速梯度最高达到55MV/m，带束加速梯度最高达到45MV/m。

上海应用物理研究所于2008年开始研制C波段加速技术，先后与中电十二所和三浩真空一起研制成功了1m长等阻抗、0.5和1.8m长等梯度加速管样机，以及脉冲功率压缩器。C波段加速结构首次采用4π/5模式的拱形腔，以提高加速结构的功率效率和束流品质，能量倍增器采用TE₀₁₁₅模式，实现高品质因素性能。在高功率试验中，0.5米长加速结构样管获得60MV/m的加速梯度。1.8米长样管在束流试验中，取得了50.8MV/m的世界最高的C波段带束加速梯度，在略高于设计要求的运行梯度42.7MV/m下，其脉冲“打火”概率低于0.01%，能量倍增器峰值功率获取了5.6倍增因子，最高输出峰值功率达到145MW。

高梯度C波段射频加速技术是X射线自由电子激光试验装置（SXFEL）的关键技术，利用40MV/m的高加速梯度，可以较大尺度地缩减加速器规模。通过该项目技术攻关，掌握了高梯度加速结构的射频理论分析、3D电磁场模拟设计、快速精确的微波“冷测”技术和系统化的高功率束流测试等关键技术，并探索形成一套完整的加工制造工艺。

通过本项目研究，攻克了C波段高梯度射频加速技术，各项技术指标均能够满足SXFEL装置的运行要求，部分指标还达到了国际最好水平，为后续的C波段加速结构批量制造和SXFEL的顺利建设提供了技术保障。（自由电子激光部供稿）

C波段加速单元束流测试（上）、带束加速梯度测量结果（下）