射频超导谐振腔的优势及ERL技术的介绍

　　射频超导谐振腔可以工作在连续波或长宏脉冲模式．射频超导技术已发展为加速各种带电粒子束的重要手段．射频超导技术发展的前期受材料性能、腔的处理以及加工安装水平等的限制，经过几十年的不断改进，射频超导技术获得了重大突破．射频超导腔应用到超导加速器上并成功运行，积累了腔的质量控制工艺和工业化制备的大量经验，近期国际上面对未来大科学装置项目，在射频超导技术方面进行了大量的研发工作，主要包括提高超导腔加速梯度的新腔型研究和采用新型材料（大晶粒铌材）超导腔的研究，能量回收直线加速器（ERL）技术是近年来获得发展的重要加速器技术．ERL具有高效、节能、稳定性好、低辐射水平等优势，被越来越多地应用到先进光源和自由电子激光装置中．

　1 射频超导与ERL的优势

　　射频超导谐振腔最大的优越之处在于它可以工作在连续波（CW）模式或长宏脉冲模式下，提供高的加速梯度［1】，超导腔的表面电阻比铜腔的小5个量级，其品质因数Qo -般大于109，采用高纯材料制成的射频超导腔，由于其剩余电阻很小，在2K以下超低环境中Qo能够超过1010．即使计入液氦制冷系统消耗的功率，同样规模的超导腔的总功耗也只有铜腔的几百分之一．RF加速结杓会影响束的品质，如能散度、发射度、束晕、最大流强等等，要得到好的束流品质，对加速器提出了非常高的要求，超导腔高的加速梯度能减少腔的数目，缩短了CW加速器的长度．由于超导腔壁损耗极小，腔形易优化，超导腔束孔大，减弱了束腔相互作用，未来光源要求高品质电子束具有低的电子束发射度、高亮度、高相干性和超短时间结构．光阴极电子枪加上超导直线加速器可以提供高品质电子束．而高光子通量需要高流强电子束，仅仅是使用直线加速器需要非常大的电力资源．能量回收直线加速器（ERL）技术解决了上述问题．图1是ERL的原理图，与波荡器作用产生自由电子激光输出后，电子束返航注入主加速器，在减速相位把电子束的动能转换为微波能量，用于加速新的电子束．ERL可使自由电子激光的能量转换效率有几倍到几十倍的提高，并使辐射防护和微波功率源的投资大幅度地降低，因此，采用ERL技术，不仅可以大幅降低高频系统的造价和主耦合器的功率负担，提高效益／投资比，还具有高效、节能、稳定性好、低辐射水平的特点．由于ERL技术的优势，采用ERL技术已成为新光源发展的一个趋势。