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ADS超导直线加速器射频系统关键问题剖析与突破路径研究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球能源需求的不断增长以及对环境保护的日益重视，核能作为一种高效、清洁的能源，在能源结构中的地位愈发重要。加速器驱动次临界系统（AcceleratorDrivenSub-criticalSystem，ADS）作为一种新型的核能利用系统，因其在核废料嬗变处理、提高核燃料利用率以及增强核反应堆安全性等方面的独特优势，成为了国际核能领域研究的热点之一。

ADS主要由强流质子加速器、高功率散裂靶和次临界反应堆三部分构成。其中，强流质子加速器是ADS的核心部件之一，它的性能直接决定了整个系统的运行效率和稳定性。而超导直线加速器凭借其高效率、低束流损失、高加速梯度等显著优势，成为了ADS强流质子加速器的首选方案。例如，中国科学院近代物理研究所承担的中科院战略性先导科技专项“未来先进核裂变能——ADS嬗变系统”中的超导质子直线加速器注入器II原型样机，就取得了重大进展，实现了能量为10.2MeV，流强为10.5mA的脉冲质子束加速以及能量为9.55MeV、流强为2.14mA的连续质子束加速，完成了ADS注入器II的专项目标，这充分展示了超导直线加速器在ADS系统中的关键作用。

在超导直线加速器中，射频系统扮演着至关重要的角色。射频系统的主要功能是产生并提供射频功率，以建立稳定的加速电场，实现对粒子束的有效加速。其性能的优劣直接影响到加速器的束流品质、能量增益、运行稳定性等关键指标。如果射频系统的幅度和相位稳定性不佳，将会导致束流能量的波动和粒子轨道的偏离，进而影响加速器的整体性能，甚至可能导致束流丢失等严重问题。准确控制射频系统的参数，确保其稳定运行，对于提高加速器的性能和可靠性具有至关重要的意义。

射频系统在运行过程中会面临诸多挑战。例如，由于环境温度的变化、电源的波动以及元器件的老化等因素，射频信号的幅度和相位容易产生漂移；在强流束条件下，束流与射频场之间的相互作用会导致束流负载效应，进而影响射频系统的稳定性；此外，射频系统中的噪声干扰也会对束流品质产生不利影响。因此，深入研究ADS超导直线加速器射频系统的关键问题，探索有效的解决方案，对于推动ADS技术的发展和应用具有重要的现实意义。

本研究旨在通过对ADS超导直线加速器射频系统的深入研究，揭示其在运行过程中面临的关键问题和挑战，并提出相应的解决方案和优化策略。具体而言，将围绕射频系统的模型建立与误差分析、宽带射频前端的研制、射频相位参考线的研究以及射频系统功率优化等方面展开研究，为ADS超导直线加速器的设计、建造和运行提供理论支持和技术保障，推动我国在先进核能领域的技术进步和创新发展。

1.2国内外研究现状

在国际上，ADS超导直线加速器射频系统的研究开展得较早，众多科研机构和实验室取得了一系列具有重要影响力的成果。美国的费米实验室（Fermilab）长期专注于超导加速腔技术的研究与开发，积累了丰富的经验。在ADS相关的射频系统研究中，他们对射频超导腔的设计进行了深入优化，通过改进材料和工艺，显著提高了腔体的性能和可靠性。例如，在其质子加速器项目中，采用先进的超导材料和加工技术，实现了更高的加速梯度和品质因数，有效提升了质子束的能量和强度，使得加速器在运行过程中能够更高效地实现粒子束的加速。欧洲核子研究中心（CERN）在超导加速腔领域处于世界领先水平，其大型强子对撞机（LHC）项目中的超导加速腔研究成果丰硕。研究人员深入研究了超导腔的电磁场分布、束流-腔相互作用等物理过程，通过精确的数值模拟和大量的实验验证，提出了一系列优化方案，成功解决了在强流束条件下腔体性能下降等关键问题，为ADS超导直线加速器射频系统的研究提供了重要的理论和实践参考。日本高能加速器研究机构（KEK）在ADS相关的超导加速腔研究方面也成绩斐然，针对低β超导腔开展了大量研究工作，通过改进腔体的设计和冷却技术，有效提高了腔体的稳定性和运行效率，在某些实验装置中成功实现了低β超导腔的稳定运行，为ADS中质子束的高效加速提供了技术支持。

国内在ADS超导直线加速器射频系统研究方面虽然起步相对较晚，但近年来随着国家对ADS技术研究的重视和投入不断增加，取得了长足的进步。中国科学院近代物理研究所承担的中科院战略性先导科技专项“未来先进核裂变能——ADS嬗变系统”中的超导质子直线加速器注入器II原型样机研制取得重大进展，先后实现了能量为10.2MeV，流强为10.5mA的脉冲质子束加速以及能量为9.55MeV、流强为2.14mA的连续质子束加速，完成了ADS注入器II的专项目标。2021年