近日，中國科學(xué)院上海高等研究院（以下簡稱“上海高研院”）上海光源中心的粒子加速器微波技術(shù)團隊在微波結(jié)構(gòu)領(lǐng)域取得重要進展，原創(chuàng)性地提出了一種基于正交雙模式的極化方向可變偏轉(zhuǎn)腔的新概念，并基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和多目標算法等智能算法實現(xiàn)了復(fù)雜微波結(jié)構(gòu)設(shè)計。研究成果以 ”Design of a dual-mode transverse deflecting structure using neural network and multi-objective algorithms“ 為題發(fā)表在Physical Review Accelerators and Beams上，并被選為編輯推薦的封面文章(每年約有十篇論文入選)。論文的第一作者為中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所的博士研究生龔寒昱，通訊作者為上海高研院的方文程研究員和譚建豪副研究員。
射頻偏轉(zhuǎn)腔是粒子加速器的關(guān)鍵設(shè)備，在束流測量和操控、飛秒激光-束流同步和超短FEL輻射脈沖診斷等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。近年來，先進粒子加速器技術(shù)正在發(fā)展6-D束團相空間重構(gòu)、超快立體角束流分配和超長粒子束長度測量等前沿技術(shù)，以滿足未來自由電子激光裝置、超快電子衍射和質(zhì)子閃療（FLASH）技術(shù)的發(fā)展需求。當前偏轉(zhuǎn)腔技術(shù)只能實現(xiàn)單一的極化方向，難以滿足這些新技術(shù)的要求，亟需發(fā)展新原理，實現(xiàn)可變極化方向的新型偏轉(zhuǎn)腔，以滿足未來粒子加速器的發(fā)展需求。上海高研院上海光源中心的粒子加速器微波技術(shù)團隊原創(chuàng)性的提出正交雙模式原理，基于兩個正交模式的幅相控制技術(shù)，實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)電磁場極化方向可調(diào)的功能。同時，技術(shù)團隊依靠三維電磁場模擬軟件，深入研究了模式特征和結(jié)構(gòu)設(shè)計，最終成功驗證了正交雙模式原理的可行性。
新型的偏轉(zhuǎn)腔由雙模常規(guī)腔、雙模耦合器和低通濾波結(jié)構(gòu)組成。在偏轉(zhuǎn)腔內(nèi)同時激發(fā)極化方向正交、傳輸方向相向的兩個行波偏轉(zhuǎn)模式——HEM11和HEM12。在三維電磁場模擬設(shè)計中，兩個正交模式合成后，偏轉(zhuǎn)電磁場相位的傳播速度與束團飛行速度同步，使束團感受到穩(wěn)定的橫向偏轉(zhuǎn)力，并通過調(diào)節(jié)兩個正交模式的幅度和相位配比，改變橫向偏轉(zhuǎn)力的極化方向和強度，進而實現(xiàn)束團偏轉(zhuǎn)方向在立體角度可調(diào)的功能。相比較于傳統(tǒng)單一模式的偏轉(zhuǎn)腔結(jié)構(gòu)，雙模偏轉(zhuǎn)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，優(yōu)化目標繁多，因此技術(shù)團隊還基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和多目標優(yōu)化算法開發(fā)了高效的優(yōu)化算法，成功完成了15-cell雙模偏轉(zhuǎn)腔驗證樣機的物理設(shè)計和工程設(shè)計。目前，該樣機已完成加工和測量，即將開展高功率測試和束流實驗，預(yù)計偏轉(zhuǎn)梯度均可以達到30MV/m。
該研究成果得到了國家自然科學(xué)基金面向項目、優(yōu)青項目和ANSO項目的共同支持。
原文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevAccelBeams.27.042001
