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收稿日期:1998204228 ;修回日期:1998206221 基金项目:国家 “八五” 攻关项目 (85 2092 3) 作者简介:陈怀璧(1964 ) , 男,江苏海安人,助理研究员,硕士,加速器物理与技术专业 第34卷第1期原子能科学技术Vol. 34 ,No. 1 2000年1月Atomic Energy Science and TechnologyJan. 2000 9 MeV行波电子直线加速器 加速管的物理设计 陈怀璧,丁晓东,林郁正 (清华大学 工程物理系,北京 100084) 摘要:海关大型货物在线检测用加速器采用4 MW速调管作为微波功率源,保证加速管入口功率 可达315 MW、 工作频率为2 856 MHz;以行波方式加速电子,聚束器俘获效率大于80 %;加速管 全长约220 cm;电子能量设置9、6 MeV两档,对应的额定脉冲束流强度理论设计值分别为170和 300 mA。本文给出了纵向粒子动力学、 盘荷波导的尺寸及加速管的工作特性等方面的计算结果。 关键词:行波电子直线加速器;加速管;粒子动力学计算;聚束器;盘荷波导 中图分类号:TL53 文献标识码:A 文章编号:100026931(2000)01220207 9 MeV行波加速管是海关大型货物在线检测用行波电子直线加速器的核心部件。它利 用速调管功率源提供的约315 MW微波功率,在长约220 cm的行波加速管内把电子加速到 9 MeV。由此束流轰击重金属靶产生的X射线作为整个辐射在线检测系统的高能X射线源。 特别是应产生足够的射线能量、 足够数量的光子及小的焦点,以保证能够检测等效厚度为 30 cm钢或115 m水的货物,及满足获得清晰图像的要求与信息获取的统计涨落要求。因此, 9 MeV行波加速管的设计对整个检测系统有重要意义。 1 加速管工作参数的确定 111 加速方式和功率源的选择 根据可行性论证结果,决定以速调管为功率源,以行波方式加速电子。因为速调管为他激 放大器,脉冲发生决定于晶体主振级,不存在漏脉冲问题,且寿命长、 功率大,无需进口,与驻波 加速方式相比,行波方式加速工作容易稳定,俘获系数高,便于多档工作,且可省去大功率铁氧 体RF隔离元件。 112 a/的选择 在加速管参数选择中,a/(膜片孔径与工作波长之比)尤为重要,它是影响加速管色散程 度的主要参量。减小a/,可增加行波电场辐值,有利于单位距离内电子获得更大能量。然 而,a/减小,加速管的色散会增大,微波频率对加速管相速度的影响也随之增大,这将导致 电子相对于波的严重滑相,频率稳定度下降,而且,在a/减小的同时,加速管的衰减系数却 增加。 从以加速器工作的稳定性为主要因素考虑,选择a/ 0111。 113 工作模式的选择 工作在/ 2模式,群速度最大,频率稳定性好 ,便于微波测量与调整。而在2/ 3模式下, 加速波导有较高的束流崩溃阀电流以及有较高的分流阻抗,这是目前大多数中、 高能电子直线 加速器所以采用2/ 3模式的主要原因。此外,栏片数也减少四分之一,便于制造,还能适当地 改善加速管的真空导通能力。 设计中考虑到功率源速调管的频率稳定度好(f / f= 510 - 7 ) , 且加速器电流值较高 (6 MeV档脉冲工作束流250300 mA) ,决定采用 2/ 3模加速结构。 114 加速管长度的确定 设计中加速管长度的确定以充分利用微波功率加速电子到指定能量为原则,使加速器具 有较高的功率利用系数。借助于计算机对此进行计算。图1、2分别示出加速管末端剩余功率 和加速器效率随加速管长度z变化的计算曲线。 图1 末端剩余功率随长度变化曲线 (P0= 3. 5 MW ,I= 170 mA) Fig. 1 Remainder of power at the end of the structure along the length in the case ofP0= 3. 5 MW andI= 170 mA 图2 加速器效率随长度z变化曲线 (P0= 3. 5 MW ,I= 170 mA) Fig. 2 Accelerating efficiency vs length of the structure in the case ofP0= 3. 5 MW andI= 170 mA 115 粒子动力学计算及聚束器方案的确定 根据海关大型货物在线检测用加速器的实际需要,粒子动力学计算的主要任务是设计出 满足上述主要束流指标并有较高俘获系数的聚束器及较好能量分布的加速管。 为了获得尽可能高的俘获系数,在聚束段的物理设计中,经过多种方案的比较1 ,2,选择 了1种对9 MeV档和6 MeV档俘获都较好的方案。场强Ez( z)(kV/ cm)、 波速p(z)按 Ez( z) = 67(21310- 3 z2+0144) z10.50 cm 42183+01767 3 ( z - 10.5) 10150 cmz42100 cm 12第1期 陈怀璧等:9 MeV行波电子直线加速器加速管的物理设计 p( z) = 2 tg -1(519 10- 3 z2+0180) z26.25 cm 01870 9+81110- 3 ( z - 26125) 26.25 cmz42100 cm 变化,9 MeV和6 MeV两档的俘获系数都达到了80 %。 此聚束器相应的加速电场Ez( z)和波速p(z)的变化规律示于图3、4。 图3 聚束器内Ez的变化曲线 (P0= 3. 5 MW ,I= 170 mA) Fig. 3 Electric field strength of buncher in the case ofP0= 3. 5 MW andI= 170 mA 图4 聚束器内p的变化曲线 (P0= 3. 5 MW ,I= 170 mA) Fig. 4 pof buncher in the case ofP0= 3. 5 MW andI= 170 mA 图5 耦合器驻波场分布 Fig. 5 Electric field distribution in the coupler 由图3、4可知,聚束器长40 cm ,最高场强为 67 kV/ cm。初始波速p(0)0143 ,介于6 MeV 档的电子注入速度e(0)0146和9 MeV档的电 子注入速度e(0)0138之间,且d dz | z= 0= 0。 在相振荡曲线的计算中,考虑了耦合器驻波场 的影响。根据实验测量结果3,驻波场的截止点约 位于耦合器的1个束流孔道半径处(图 5) 。对本 工作的情况,截止点坐标zs- 1100 cm ,耦合器驻 波场对相运动的影响主要是产生约80 的相移,对 能量和能谱的影响不大。 聚束器出口处的场强,即最高场强,取决于与 聚束器相连的主加速管膜片孔径大小。根据公式: Ez=6197 a2 P (7) 可估算所能达到的场强。当膜片孔径a/= 01110、 基波功率比= 0163、 主加速段入口功率P = 217 MW 、 = 10. 5 cm、a= 1. 2 cm时,则Ez= 6613 kV/ cm。 现取Ez,max= 67 kV/ cm。 22原子能科学技术 第34卷 图6、7示出了9 MeV档和6 MeV档电子出口能谱图。 图6 9 MeV档能谱图 Fig. 6 Energy spectrum at 9 MeV state 2 加速管几何参数及微波参量的理论 计算 根据上述选择的加速场强和相速随加速 管轴线的分布规律,采用变分法4计算盘荷 波导腔体(图 8) 尺寸(表 1) 。 图7 6 MeV档能谱图 Fig. 7 Energy spectrum at 6 MeV state 图8 盘荷波导几何尺寸 Fig. 8 Cross section of disk2loaded waveguide 表1 9 MeV行波加速管腔体几何尺寸 Table 1 G eometry of the TW accelerating cavity 腔号 束孔径 a/ mm 腔长 D/ mm 膜片厚 T/ mm 腔直径b/ mm 用前膜片孔 径an计算 用后膜片孔 径an+1计算 平均值 01414031510304100441070441098441084 11414511513934100441032441057441045 21414921611244100431929431928431929 151210313316884100411408411339411373 161117663416894100411305411230411268 17671114653419904100411222411222411222 32第1期 陈怀璧等:9 MeV行波电子直线加速器加速管的物理设计 3 工作特性计算 借助计算机计算微波频率、 微波功率、 束流负载变化对加速器的电子束能量、 能谱、 俘获系 数的影响。 311 频率特性 图9、10分别示出了频率变化对电子出口能量和能散度的影响。 图9 电子能量随微波频率的变化 (P0= 3. 5 MW ,I= 170 mA) Fig. 9 Energy follow frequency variation in the case ofP0= 3. 5 MW andI= 170 mA 图10 电子出口能谱宽度随微波频率的变化 (P0= 3. 5 MW ,I= 170 mA) Fig. 10 Energy spectrum width of outlet vs fre2 quency in the case ofP0= 3. 5 MW andI= 170 mA 312 功率特性 图11、12分别示出了加速管入口功率变化对电子能量和俘获系数的影响。 图11 加速管入口功率对电子能量的 影响(f0= 2 856 MHz ,I= 170 mA) Fig. 11 Energy vs variation of input RF power in the case off0= 2 856 MHz andI= 170 mA 图12 加速管入口功率对俘获系数的影响 (f0= 2 856 MHz ,I= 170 mA) Fig. 12 Capture efficiency vs variation of input RF power in the case off0= 2 856 MHz andI= 170 mA 42原子能科学技术 第34卷 313 束流负载特性 图13 束流负载曲线 (P0= 315 MW ,f0= 2 856 MHz) Fig. 13 Curve of beam loading in the case of P0= 315 MW andf0= 2 856 MHz 图13示出了束流负载曲线。 4 公差讨论及对各系统稳定性要求 盘荷波导加速管是强色散系统,其几何尺 寸是针对选定的工作频率f、 波速p和场强 Ez来进行设计的。因此,运行时的微波频率 和(或)加速腔尺寸变化,都会引起波速p变 化,波速变化导致滑相,而滑相又会引起电子 能量的降低和能谱的增宽。 根据海关大型货物检测系统的要求,加速 器打靶产生的X射线剂量率的变化要控制在 3 %之内。为此,需要对各系统的稳定性要求 进行公差分配。束流I、 束调管阴极脉冲电压 U、 频率f、 温度T等量单独变化对剂量率的 影响分别为: ( Jr Jr ) I= 0. 2I I ; ( Jr Jr ) U= 4. 05U U ; ( Jr Jr ) f= 410 - 4f ; ( Jr Jr ) T= 2. 110 - 2T 。 为了尽可能使每项公差要求都在工程可接受的范围内,根据几次试算结果,确定选取以下 公差分配方案: I I = 1 %; U U = 015 %; f= 10 kHz; T= 1。 对应的剂量率变化为: ( Jr Jr ) I= 0. 2 %; ( Jr Jr ) U= 2 %; ( Jr Jr ) f = 0. 4 %; 52第1期 陈怀璧等:9 MeV行波电子直线加速器加速管的物理设计 ( Jr Jr ) T= 2. 1 %。 总的剂量率变化为: Jr Jr = 2. 93 % 3 %。 这一结果满足设计要求。 所设计的加速器于1995年9月开始出束,1995年11月机器达到设计指标。1996年1月 通过国家教委组织的 “八五” 科技攻关项目专题鉴定与验收。目前,机器运行情况良好。 参考文献: 1 汪伯嗣,张洁昌,曹国宏,等 11985年全国直线加速器技术及应用学术交流会论文集(三) C1 北京: s. n. ,198511101151 2 林郁正,马铁良,闫俊奇,等 1 粒子加速器及其应用M1 重庆:科学技术文献出版社重庆分社,1980135 401 3 蔡鸿程 1 耦合器和盘荷波导的匹配及场分布测量的实验研究R1 北京:清华大学工程物理系,19821 4 Nakamura M. A Computational Method for Disk2loaded Wareguides With Rounded Dirk2hole EdyesJ .Japan J Appl Phys ,1968 ,7(3) :257271. Physical Design of 9 MeV Travelling Wave Electron Linac Accelerating Tube CHEN Huai2bi , DING Xiao2dong , LIN Yu2zheng ( Department of Engineering Physics , Tsinghua University , Beijing100084, China) Abstract :An accelerating tube is described in this thesis. It is a part of an accelerator used for in2 spection of vehicle cargoes in rail cars , trucks , shipping containers , or airplanes in customs. A klystron with power of 4 MW and fre