近日，中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院（以下簡(jiǎn)稱“上海高研院”）上海光源中心的粒子加速器微波技術(shù)團(tuán)隊(duì)在微波結(jié)構(gòu)領(lǐng)域取得重要進(jìn)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(biāo)算法等智能算法實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜微波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。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(guó)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(cè)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(lái)，先進(jìn)粒子加速器技術(shù)正在發(fā)展6-D束團(tuán)相空間重構(gòu)、超快立體角束流分配和超長(zhǎng)粒子束長(zhǎng)度測(cè)量等前沿技術(shù)，以滿足未來(lái)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(dāng)前偏轉(zhuǎn)腔技術(shù)只能實(shí)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(shí)現(xiàn)可變極化方向的新型偏轉(zhuǎn)腔，以滿足未來(lái)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(tuán)隊(duì)原創(chuàng)性的提出正交雙模式原理，基于兩個(gè)正交模式的幅相控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)極化方向可調(diào)的功能。同時(shí)，技術(shù)團(tuán)隊(duì)依靠三維電磁場(chǎng)模擬軟件，深入研究了模式特征和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最終成功驗(yàn)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(shí)激發(fā)極化方向正交、傳輸方向相向的兩個(gè)行波偏轉(zhuǎn)模式——HEM11和HEM12。在三維電磁場(chǎng)模擬設(shè)計(jì)中，兩個(gè)正交模式合成后，偏轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)相位的傳播速度與束團(tuán)飛行速度同步，使束團(tuán)感受到穩(wěn)定的橫向偏轉(zhuǎn)力，并通過調(diào)節(jié)兩個(gè)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(qiáng)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)束團(tuán)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(biāo)繁多，因此技術(shù)團(tuán)隊(duì)還基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和多目標(biāo)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(yàn)證樣機(jī)的物理設(shè)計(jì)和工程設(shè)計(jì)。目前，該樣機(jī)已完成加工和測(cè)量，即將開展高功率測(cè)試和束流實(shí)驗(yàn)，預(yù)計(jì)偏轉(zhuǎn)梯度均可以達(dá)到30MV/m。

該研究成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面向項(xiàng)目、優(yōu)青項(xiàng)目和ANSO項(xiàng)目的共同支持。

原文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevAccelBeams.27.042001