（核技术及应用专业论文）c波段驻波加速管的物理设计与实验研究.pdf

c 波段驻波加速管的物理设计与实验研究 摘要 随着较大功率c 波段与x 波段微波源的出现、机械加工水平的提高( 如数 控加工机床的出现等) 和实际应用的迫切需要，使得加速器小型化成为加速器发 展的必然趋势之一。 论文首先调研了国内外c 波段电子直线加速器的发展现状和应用前景，包 括医疗卫生、工业c t 等部门对小型化、小柬斑加速器的需求，并简要讨论了c 波段驻波加速管中的物理与技术问题。同时对理想双周期结构的等效电路分析作 了简要回顾，并对包括多级聚束段的加速结构作了简要的等效电路分析。 论文其次对驻波加速管中的电磁场进行了理论分析，同时简要分析了 电子在驻波加速管中的纵向运动、横向运动以及空间电荷效应对电子横向 运动的影响，另外，为了实现电磁场数值计算和粒子动力学模拟，简要介 绍了s u p e r f i s h 电磁场数值计算程序和p a r m e l a 、g p t 粒子动力学计 算程序。 紧接着论文的第四章重点进行了c 波段驻波加速管的物理设计和优化研究。 利用c 语言自编了s u p e r f i s h 和g p t 的接口程序，并利用该程序对c 波段驻 波加速管进行了详细的优化设计，研究了聚束段各腔尤其是首腔的各个腔型参数 对腔体微波性能和束流动力学模拟结果的影响，最终得到了一个c 波段2 m e v 小束斑驻波加速管的物理设计方案，文中给出了详细的设计参数和动力学模拟结 果。 论文最后部分讨论了c 波段2 m e v 驻波加速管的腔链调谐和冷测实验研究。 内容包括：加速腔频率的测量和调谐、耦合腔频率的测量和调谐、品质因素的测 量、场分布的测量、色散曲线的测量、禁带的测量积消除等，同时，论文还从腔 链色散方程和测得的实验数据出发，利用最小二乘法进行拟合得到拟合色散曲 线，并计算出禁带的大小和腔闯藕合系数。 关键词；c 波段；驻波；加速器；束斑 一 ! 鎏垦壁鎏塑坚望笪塑塑堡塑盐量壅堕堑壅 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ea p p e a r a n c eo fh i g h p o w e rc - b a n da n dx - b a n dm i c r o w a v e s o u r o e ，t h ei m p r o v e m e n to fm a c h i n ep r o c e s sl e v e ls u c ha st h en u m e r i c a lc o n t r o l p r o c e s sm a c h i n et o o l ，a n da l o n gw i t hac r y i n gn e e d o fp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ， m i n i a t u r i z a t i o ni st u r n i n gi n t oo n eo f t h en e c e s s i t yt r e n do f a c c e l e r a t o r sd e v e l o p m e n t f i r s t l y , i ti si n v e s t i g a t e di n t h i sd i s s e r t a t i o nt h ed e v e l o p m e n ta c t u a l i t ya n d a p p l i c a t i o nf o r e g r o u n di n c l u d i n gt h er e q u i r e m e n to fs o m ed e p a r t m e n t ss u c ha s m e d i c a lt r e a t m e n ts a n i t m i o na sw e l la si n d u s t r yc td e p a r t m e n t se t c a n di ti sa l s o b r i e f l yd i s c u s s e di n t h i sd i s s e r t a t i o ns o m ep h y s i c a la n dt e c h n i q u ep r o b l e m sa b o u t c - b a n da c c e l e r a t i n gt u b e a tt h es 自k w l et i m e ，b r i e fe q u i v a l e n tc i r c u i ta n a l y s i so fi d e a l b i p e r i o ds t r u c t u r ei sr e v i e w e d ，a n dt h a to fa c c e l e r a t i n gc a v i t i e s ( m o s t l yc o m p r i s e s m u l t i l e v e lb u n c h i n gs e c t i o n ) i sb r i e f l yp r e s e n t e d s e c o n d i y ，t h e o r e t i ca n a l y s i so fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l di ns wa c c e l e r a t i n gt u b ei s p e r f o r m e di nt h i sd i s s e r t a t i o n s i m u l t a n e i t y , a n a l y s i so f p o r t r a i tm o v e m e n t ，l a n d s c a p e o r i e n t a t i o nm o v e m e n to fe l e c t r o na n dt h ei n f l u e n c eo fs p a c ec h a r g eo nl a n d s c a p e o r i e n t a t i o nm o v e m e n to fe l e c t r o ni sa l s op r o c e s s e d i na d d i t i o n , e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d m a t h e m a t i c a ls o f t w a r es u p e r f i s ha n dp a n i c l ed y n a m i cc a l e u l a t i o ns o f t w a r eg p t 、 b u t m e l aa r ei n t r o d u c e di no r d e rt oi m p l e m e n tt h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l dn u m e r i c a l c a l c u l a t i o na n dp a n i c l ed y n a m i cs i m u l a t i o n t h i r d l y , p h y s i c a ld e s i g na n do p t i m i z a t i o nr e s e a r c ho nc - b a n da c c e l e r a t i n gt u b e i sd e t a l l e d l yp e r f o r m e di 1 1c h a p e r4o ft h i sd i s s e r t a t i o n w ew r o t eaa p p l i c a t i o n p r o g r a m m i n gi n t e r f a c e so fs u p e r f i h sa n dg p ts o f t w a r eu s i n gcl a n g u a g e b y m e a n so ft h i sp r o g r a m , w em a k ead e t a i l e do p t i m i z a t i o no nc b a n ds w a c c e l e r a t i n g t u b e t o g e t h e r ，t h ei n f l u e n c eo f e a c hp a r a m e t e r so f c a v i t i e se s p e c i a l l yt h ef i r s tc a v i t y i nb u n c h i n gs e c t i o no nm i c r o w a v ep e r f o r m a n c eo ft h ec a v i t i e sa n do nd y n a m i c s i m u l a ：t i o nr e s u l ti ss t u d i e di nd e t a i l f i n a l l y , ap h y s i c a ld e s i g ns c h e m eo fc - b a n d a c c e l e r a t i n gt u b ed e s i g ni sg a i n e d t h ed e t a i l e dd e s i g np a r a m e t e r sa n dd y n a m i c s i m u l a t i o nr e s u l t sa l es h o w ni n 也ed i s s e r t a t i o n i i c o l dt e s t sa n dt u n i n go fc - b a n da c c e l e r a t i n gc a v i t i e sa r ep e r f o r m a n c e di nt h el a s t c 波段驻波加速管的物理设计与实验研究 p a r to f t h ed i s s e r t a t i o n t h ec o n t e n t sa r e ：m e a s u r ea n dt u n i n go fa c c e l e r a t i n gc a v i t i e s ， c o u p l i n gc a v i t i e s ，l i 【e a s u r eo fq u a l i t y , f i e l dd i s t r i b u t i o n ，d i s p e r s i o nc h i v e a n dt h ew a y o fm e a s u r i n ga n de l i m i n a t i n gt h es t o pb a n d ，e t c a tt h es a r f l et i m e ，u t i l i z i n gt h et e s t d a t aa n dt h ed i s p e r s i o ne q u a t i o no fc a v i t yc h a i n ，w em a k eaf i td i s p e r s i o nc u r v eb y w a yo fl e a s ts q u a r e sf i t ，a n dw ew o r ko u tt h ew i d t ho fs t o pb a n da n dt h e i n t e r c a v e r n o u sc o u p l i n gc o e f f i c i e n t k e yw o r d s ：c - b a n d ；s t a n d i n gw a v e ；a c c e l e r a t o r ；b e a ms p o t i i i 独创性声明 y 8 0 9 9 1 3 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国工程物理研究院或 其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：相峰 签字日期：加f 年哪 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解并接受中国工程物理研究院研究生部有关保存、 使用学位论文的规定，允许论文被查阅、借阅和送交国家有关部门或机构，同 时授权中国工程物理研究院研究生部可以将学位论文全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 学位论文作者签名：相佛 导师签名 签字日期：加庐卿 讶叫 签字日期：加f 年 月 o 日 c 波段驻波加速管的物理设计与实验研究 第一章绪论 近年来，低能电子直线加速器物理研究及应用引起了世界各国研究者 的很大关注，在我国也受到了重视，低能电子直线加速器己广泛应用于医 疗卫生、无损检测和海关集装箱监测等领域【l l l 2 】。由于电子直线加速器工作 频率直接影响着整机的性能及尺度，提高加速器的工作频率，不仅能使加速器的 整体尺寸减小，而且在同样微波功率源下，可以得到更高的电子能量。与目前的 s 波段( 2 4 g h z ，如图1 1 所示) 加速器相比，c 波段( 4 - 5 g h z ) 电子直线加速器具有 结构紧凑、加速梯度高和效率高的优点1 3 】，【4 】，【5 j 。国外已经出现了结构紧凑的c 波 段电子直线加速器，并在无损探伤、医疗卫生等方面得到越来越广泛的应用；同 时，c 波段电子直线加速器还可用作自由电子激光的注入器【6 j ，目前正在改建中 s a s e f e l 的注入器采用了1 g e vc 波段紧凑型直线加速器，改建以后，整个 s a s e - f e l 系统的机械总长不到1 0 0 m 【7 】；另外，日本的直线对撞机j l c 也采用 了c 波段加速器作为注入器峭j 。 高频加速器技术的出现使加速器发展进入了一个新的领域，开展高频电 子直线加速器物理和实验研究有着广泛的应用前景。国际上召开的多次粒子加 速器会议上都有该技术进展的报道【7 坤l 。国内高频电子直线加速器的研制， 起步较晚，报道很少。 圉1 1 电磁波频谱图 1 1电子直线加速器的工作频率 电子蓬线热遴器工黪菝率，燕秀l 速爨没诗爨懿黄选参数，它与挝速嚣瓣缀多 参量都有关，直接影响着加速器蹩机的性能和尺度。提磁加速器的工作频率，能 傻熬速爨戆整薅尺寸藏小，劳憝得到更麓邀子裁豢。垂1 9 4 7 年凌耘坦禚建成世 界上第一台微波藏线加逋器以来，r f 电子直线加速器在农业、工业、躐疗卫生 兰垫墼茎垫垫垄笪盟塑里丝生兰塞矍堑塞 和物理研究等方面得到了广泛应用 1 0 【1 ”。目前，电子直线加速器不仅在数量， 而且在品种上帮得到了迅速发展，成为发展最快的一类加速器，全世界已有数于 台电子直线加速器在工作着，许多公司都有了定型的商业产品。在工业和无损探 伤领域中，已经形成x 波段( 8 1 2 g h z ) 1 1 6 m e v 一系列商业化的产品1 2 。 1 。2 c 波段加速器的特点及发展简介 1 2 1c 波段加速器的特点 与s 波段相比，c 波段加速器具有结构紧凑、加速梯度高的优点，与x 波 段加速器相比，又有稳定性好、加速管易加工的特点，因此，目前c 波段便携 式电子直线加速器在工业无损探伤、医疗卫生等方面具有很大的可行性和广泛的 应用前景f 1 3 】。它可为工业c t 的发展提供紧凑的x 射线源；高梯度c 波段直线 加速器还可用作自由电子激光的注入器，以及作为高能直线对撞机中的注入器。 1 2 2c 波段电子直线加速器的发展简介 早在6 0 年代，国际上就开始研制c 波段和x 波段电子直线加速器。但是由 于缺少c 波段和x 波段高功率微波源和受加工i 艺的限制，进展不大f l 钉。国内 外现有的数千台电子直线加速器大都工作在s 波段，l 波段，p 波段数目较少， 且后两者结构比较庞大。 7 0 年代后期以来，由于核电站、航空航天工程，以及地质、电力、医疗等 部门需要，对便携式电子直线加速器要求不仅是射线能量高、穿透力强、剂量大、 靶点小、分辨率高和曝光时间短，而且要求整机轻便，可以现场、在线、实时检 测。对于有些部门，s 波段加速器结构也已偏太，不能满足它门对便携式加速器 的要求。这些需求大大激发了人们对高频电子直线加速器及其相关技术的兴趣。 8 0 年代以来，随着微波功率技术的进一步发展，出现了脉冲功率达m w 级 的高频率同轴磁控管，这使得c 波段和x 波段加速器的研制终于成为了现实。 美国s c h o n b e r g 辐射公司研制成了x 波段( 9 3 0 0 m h z ) 便携式电子直线加速器“埘 美国斯坦福直线加速器中心( s l a c ) 研制出用于正负电子直线对撞机的c 波段加 速结构【8 】；俄罗鲰的莫斯科工程物理研究院也开展了这方面的工作 1 6 】。例外，国 际上还发展了轻便的移动式“术中放疗机”，可在外科手术室中直接对病人进行术 中放射治疗，以增疗效。 c 波段驻波加速管的物理设计与实验研究 在研制c 波段小型加速器方面，日本的高能物理研究所k e k 也已取得了一 些成果。2 0 0 0 年k e k 研制出一台结构紧凑的医用c 波段( 5 7 1 2 m h z ) 驻波电子直 线加速器，该加速器包括电子枪的总长为6 0 0 m m ，电子枪注入电压是2 5 k v 直流 高压，电子枪后接1 个胶构成的预聚束段、3 个腔构成的聚束段和11 个腔构成 的加速段，耦合度2 3 ，其整体结构如图1 2 。在2 0 0 0 年3 月第一次高功率测试 中，以3 8 m w 的r f 功率输入，获得了能量约为9 m e v 的1 6 0 m a 峰值电流1 1 7 1 。 图1 2c 波段加速结构整体图 截止到2 0 0 3 年1 0 月，k e k 研制出了一系列c 波段高功率微波源系统【5 】。 其中包括： 1 c 波段东芝e 3 7 4 6 型速调管。如图1 3 所示，这是世界上第一只c 波段高功率 速调管，功率5 0 m w ，工作频率约5 7 0 0 m h z ，高压达3 6 0 k v ，并经多次实验测 试证实了它对多腔输出结构是稳定和有效的。 围1 3 东芝e 3 7 4 6 型。波段逮调管 2 c 波段速调管的调制器。该调制器利用逆变器型电源供电，去除了传统设计中 笨重的充电形成线器件和d e q m g 电路，结构紧凑，设计输出电压2 3 4 k v ，脉 冲宽度为3 9 p s ，该调制器沿袭了“灵巧调制嚣”概念，它的设计目标是满足稳定、 简单、便宜、高效和易于操作的要求。该加速器的r f 系统整体结构如图1 4 所示。 c 波段驻波加速管的物理设计与实验研究 图14c 波段( 5 7 1 2 m h z ) 高功率r f 系统 闰中标出的a 、b 、c 三部分分别表示： a 结构紧凑的脉冲调制器( 3 5 0 k v ，3 1 0 a , 2 峭( 平项) ，5 0 h z ) b 5 0 m w 高功率速调管( t o s h i b ae 3 7 4 8 ) c c 波段加速器波导部分 3 用于最负电子对撞机的c 波段加速结构。该加速结构如图1 5 所示，目前还 处于进- 步发展之中f 8 】。 圈1 5c 波段加速结构 表1 1 给出的是一台监将要研制用于医疗部门的c 波段驻波加速器的设 计指标： 4 表110 波段加速结构的特性参数 加速器长度2 3c m 加速腔数目9 个 能量9m e v 束流6 0 0m a 重复率2 4 0h z 分流阻抗1 4 0m d m r f 功率l lm w 目前，韩国也正在开震c 波段加速器技术的研究，下面表1 2 和图1 6 给出的是第三届亚洲粒子加速器会议报道的韩国正在研制中的一台c 波段 9 m e v 驻波加速器的设计参数和结构示意图【1 8 j ： b e a l ne n e r z v 9 3m e v r ff r e a u e n e v ， 5 om h z i n p u tr fd o w e r 1 5m w b e a md i a m e t e r0 4c m t h en u m b e ro f c e l l s 3 1个 a v e r a 旺ef i e l d 1 3 5m v ，m s h u n ti m v e d a n c e 1 4 6m f 1 m o u a l i t vf a c t o r 1 3 1 0 0 t o t a ll e n g t h 1 0 0 7c m ， 厂 u 飞m l n 8 n o n l n l n l n l 同行i 一廓泖琊邪冰l nl i 球沸r l j r 。f - g u i n 翼黧_ 二j i i i 2 歉, b i - p ? e 刚? 黑j 慧纛i 纛溯蘩； 图1 6c 波段加速结构部分示意图 c 波段驻波加速管的物理设计与实验研究 该加速管耦合腔长为2 m m ，光速段加速腔长为2 3 2 m m ，直径为2 4 m m 。工 作模式为昙模。 1 9 9 7 年清华大学研制出了圊产第一只x 波段、2 m e v 的轴耦合驻波加速管， 如图1 7 所示【1 4 】，n 9 1 。 该加速管由1 1 个加速腔和l o 个藕合腔组成，聚束段由5 个鞠邃麓梅成。蕊逮结梅耱谇尺寸内径 9 03 0 1 9 9 9 年清华大学研翎了一只x 波段( 9 3 0 0 m h z ) 6 m e v 辅藕合驻波蕊遽管 溉 2 0 l ，英铜黢燕速警焊接嚣如下嚣1 8 鼹汞。该热速管慧长豹3 8 c m ，有效分流 阻抗达1 4 3m v m ，电子枪是热阴极电予枪，注入电压1 5 k v ，微波功率源是英 国e 2 v 公司提供的m g 6 0 0 5 型1 5 m w 磁控管。当馈入功率楚1 3 6 m w 辩，可 鞋得到躲肆索滤5 0 m a ，衷褒小予1 5 r n m 。 c 波段驻波加速管的物理设计与实验研究 图1 8x 波段轴耦合驻波加速管焊接图 1 9 9 9 年，中国原子能研究院研制出了一台1 5 m e v 无损探伤用电子直线加速 器样机口。加速器的功率源是电子部十二所提供的雷达用5 c m 同轴磁控管，其 主要参数如下表1 4 ： 表1 4 同轴磁控管主要参数 f r e q u e n c yw o r k i n gf r e q u e c c y p o w e rp u l s e w i d t h y l i zm t i z唧us 5 0 5 0 5 5 0 0，5 3 0 0l3 3 该加速器为模轴耦合驻波结构，加速管由4 个腔组成，两个聚束腔，两 个加速腔，聚束腔相速= 0 5 、0 9 ，加速腔= 1 ，轴耦合腔宽o 8 m m ，壁厚 1 2 m m ，整管平均分流阻抗大于1 0 0m 1 2 m ，整管平均品质因子1 0 0 0 0 ，最佳耦 合度1 9 2 ，注k 电e , 1 8 k v ，束斑大小约为庐1 5 r a m ，束流脉宽3 p s 。 1 3医疗、工业c t 对小型化、小焦斑加速器的需求 为了满足医疗、工业等部门的需要，电子直线加速器向着整机轻便、可以现 场在线、实时检测、射线能量高、剂量大、靶点小、分辨率高和曝光时间短的方 向发展，追切需要研制超短、低能、大电流、高品质、高梯度电子直线加速器。 1 3 1 小型化加速器的发展需求 加速器小型化的发展，使得驻波电子直线加速器倍受关注。早在5 0 年代末 c 波段驻波加速管的物理设计与实验研究 期，美国麻省理工学院s l a t e r 等人指出：当加速结构比较短时，驻波方式是 比较有利的，在相同微波功率和加速结构情况下，可以使电子获得较高的能量。 但直到1 9 6 4 年寻找到合适的边耦合驻波加速结构以后，才使驻波加速器迅速发 展起来。 加速器小型化的发展，也使得加速器工作频率不断提高，从而使加速器整体 尺寸减小，而且在相同微波功率源的情况下，还可获得更高的电子能量。 1 3 2 小焦斑加速器发展需求 在医疗部门中，电子直线加速器广泛应用于癌症的放射性治疗【2 】。为了满足 放射性治疗的进一步需要，目前对加速器技术提出了如下要求i s ： 1 1 g y s e e 或更高的剂量率 2 x 射线精确治疗空间精确度达0 1 m m 3 加速结构更加紧凑 4 对x 射线束空间、时间占空因子的完全控制 在无损探伤中，基于电子束打靶产生x 射线源的高能工业c t 成像系统的 灵敏度f 空间分辨率能检测到的最小缺陷尺寸) 在很大程度上绝决定于x 射线焦 斑尺寸。由于任何x 射线源都有一定的几何尺寸，做无损检测时，如果被检物 品有缺陷，c t 成像得到的缺陷边缘会产生半影区，导致边缘模糊，降低底片的 清晰度。加速器射线源焦斑尺寸越小，半影的影响越小，系统的探伤灵敏度越高。 因此，设法减小加速器电子束的横向尺寸以获得小束斑电子束打靶是高能工业 c t 中提高成像系统灵敏度的主要措施之一。 为了在靶点处获得较小的电子束斑，有两种方法，一是在现有的加速器束流 出口后面加一个聚焦单元压缩束流横向尺寸并引出束流，但用这种方法在靶点得 到的束流强度会减小2 2 1 。另一种是在加速器的设计中进行电子柬横向动力学计 算，研究从电子枪发射出来的电子束流在加速器运动中发射度的增长情况，探讨 在电子直线加速器中如1 1 可控制电子的运动，以得到尽可能小直径的电子束流，并 采取适当的措施，获得满足无损检测要求的小束斑和射线剂量【2 j 】，口4 j 。 1 4c 波段加速器中的物理与技术问题 1 4 1 描写加速管微波性能的有关物理参量 1 单位长度的分流阻抗z c 波段驻波加速管的物理设计与实验研究 单位长度的分流阻抗z 等于加速腔所能建立起的跨越腔平均电压平方与单 位长度上消耗的微波功率之比。其定义如下： 仁掣1 e ( z ) d z 2 ：亟p 塑l ：堡p l 。，叫 p | l 、 。 式中：p 是损耗于加速结构内的总功率，l 是加速结构长度，e ；( 力是轴线上场 腔中的场是随时间变化的，e ：( z ，t ) = e z ( z ) 研n ( 甜) ，e z ( 力是轴上电场的幅值， r ：e _ 广( z ) s i n 一( 詈) d z ( 1 2 ) le ：出 互= 簪= z t 2 ( 1 _ 3 ) 固有品质因数是腔内储能w 与在一个高频周期内单位弧度内的损耗功率p 。 之比。式中0 9 0 是微波谐振角频率，定义为： 娥= 警 ( 1 吲 5 有载品质因数 考虑到与谐振腔相连接的电源电阻及外部回路损耗时的品质因数，称之为 有载品质因数，定义为： c 波段驻波加速管的物理设计与实验研究 吼= 瓦( n o w = 国最o _ w w ( 1 5 ) 式中，e 是消耗在腔内的功率损耗，j k 是消耗在电源内阻及外部回路中功率损 耗，p l 是考虑有耦合时的功率损耗。 6 外界品质因数 一m o w 2 e x t2 丁 ( i - 6 ) 由( 1 一嘞，( 1 - 5 ) ，( 1 - 6 ) 有： ：妻+ 去( i - 7 ) 线q o 。鳓 7 有束无载品质因数 当谐振腔作为加速管时，束流穿过腔后，要从腔体吸收一定的功率只，因 此束流也是一种负载。为和外部回路负载相区分，将考虑了束流负载影响，但不 考虑外部回路负载影响的品质因数，特称为有柬无载品质因数残 几一旦 蛾一r + 最 ( i - s ) 显然，当考虑束流负载影响时，我 轨 8 柬流负载 由有效分流阻抗的定义( 1 3 ) 式可知，理想电子柬所携带的束流功率是： b = k ，( f ) ( r - z t 2 - 上) 1 7 2 ( 1 9 ) 式中的k 。，( ，) 是平均束流负载。 9 耦合度b 。 尼寺= 岳 l o r l 1 0 ) c 波段驻波加速管的物理设计与实验研究 由( 1 7 ) 和( 1 1 0 ) 则有： 西1 = ( 1 + 孱西1 1 4 2c 波段加速器中的物理问题 与s 波段加速器相比，加速器工作频率的提高，会使加速腔的很多参数发生 变化，从而涉及到一系列不同于s 波段加速器的物理与技术问题。 1 极限场强提高，极限场强是指管内金属表面最大电场强度( p e a ks u r f a c e e l e c t r i cf i e l d ) 。过去加速器界认为此最大电场强度不能超过k i l p a t r i c k 极限电场 强度e k ，e k 由下式决定： ，= 1 6 4 3 1 0 一x e k 2 e x p ( - - 8 5 e k )( 1 1 2 ) 其中，为工作频率( o h z ) 例如： 对于s 波段，= 3 0 r e 时，e k = 4 6 8 m v m 对于c 波段，f = 5 g h z 时，e k = 5 9 2m v m 实验证明，k i l p a t r i c k 极限不是不可突破的极限，例如s 波段b j 一4 和b j 一 6 驻波加速器【2 5 m 们，管内金属表面最大电场强度( 据估算分别为1 3 2 9 m v m 、 1 8 0 7 m v m ) 超过了上述极限值。最近美国斯坦福直线加速器中一t ：, ( s l a c ) 的王 聚文博士的研究表明，k i l p a t r i c k 极限场强可以提高七倍，他推导出的极限电场 强度公式如下 2 7 】： e 。= 1 9 5 x f “2 ( 1 1 3 ) 其中e w 是王聚文极限电场强度 那么，对于上面的例子，有： 对于s 波段，f = 3 g h z ，e 。= 3 4 0 m v m 对于c 波段，f = 5 g h z ，e w = 4 4 0m v m 2 单位长度上的有效分流阻抗z s 也变大【3 】， 风。c 厂2( 1 1 4 ) c 波段加速器有效分流阻抗的提高，表明了加速效率的提高a 3 填充时间因子f 减小【l ， t “，。3 陀 填充时间因子的减小有利于短脉冲加速器的工作。 4 加速腔金属壁上表面阻抗r 增大，对铜，表面阻抗【3 】 r o c ，1 佗 由此可见，加速器工作频率提高，会导致功率传输损耗增大， ( 1 1 5 ) ( 1 1 6 ) 这是不利的。 c 波段驻波自r 速管的物理设计与实验研究 5 无载品质因素q 减小，q 与频率的关系是【3 】 q o o c 厂1 尼 ( 1 17 ) 因此，提高加速器的工作频率，会导致加速腔品质因素减小。 6 加速管中电子发射度增长的问题 和r f 枪中一样，在驻波电子直线加速管中，也存在着电子束发射度增长的 问题。驻波加速管中，引起电子横向发射度增长的因素主要有三个口s 】 2 9 】， 3 。 ：a 空间电荷效应，电子束的空间电荷径向斥力迫使电子束发散，在低能段和强流情 况下，这一效应更为严重。b 射频( r f ) 场效应，表现在两个方面，一是r f 场的 横向非线性力引起发射度的增长；二是r f 场随时间变化，处于不同相位的电子 受到r f 场作用力不同，造成发射度增长；c 另外，在较长的驻波加速管外部附 加的螺线管线圈会在腔内产生轴向直流磁场，对正向和反向的电子都起聚焦作 用，既提高了正向电子的俘获率，但同时也提高了反轰功率。 利用腔型优化设计，合理地选择r f 场强及其分布，可使得束流发射度增长 最小口。 7 加速管中电子反轰现象 电子反轰不仅在热阴极微波电子枪中是一个重要问题，在驻波加速管中，尤 其是在高梯度加速管中，也是比较普遍存在的。驻波加速管的电子反轰主要是产 生热电子发射效应，由于反轰电子能量较高，它会引起电子枪阴极温度的升高及 发射电流的增长【3 。在不同的加速管中，电子反轰的程度并不一样，故设计时 有必要寻找降低反轰的措施。 驻波加速管中，由于加速电场强度很高，电子俘获和电子反轰都主要发生于 注入阶段，其中大部分发生于首腔之中。 在影响电子反轰的诸多因素中，能有效降低电子反轰的是调整首腔加速电场 幅值和俘获系数，具体的措施有两种，一是缩短首腔长度，提高电子俘获率，降 低电子反轰；二是适当降低首腔加速电场幅值【33 1 。文献蚓详细分析了驻波加速 管中的电子反轰运动，并计算了不同场分布、不同电场幅值及注入电压对电子反 轰的影响。 1 4 。3c 渡段嬲德嚣枣搜索麓蓬 热速嚣王嚣频黪豹提嶷，在繁张薮技术突破的瓣孵，魄带来籁列有褥进一 步解决的技零问鼷。 l + 麓速爨设诗、裁遣辩热王翅题。攘速爨镞波工捧频率熬巍，使褥： c 波段驻波加速管的物理设计与实验研究 ( 1 ) 加速腔的机械公差更为严格； ( 2 1 腔内功率密度更高； 这不但给加速器设计、制造和加工提出了更高要求，而且会给安装、调试带 来新的问题，通过优化设计新型c 波段加速腔和掌握一套适合于高频加速器的 安装、调试经验是一件有长远意义的事情。 2 微波源问题。目前国际上还没有开发出一系列用于低能电予直线加速器的中 小功率c 波段微波源。k e k 研制的5 0 m w 东芝e 3 7 4 6 型c 波段速调管，目前主 要应用于s a s e f e l 的o e v 直线加速器或j l c 直线对撞机等高能加速器中。 如何开发出一系列专门用于便携式、小型、低能直线加速器的c 波段微波源， 还是一个亟待解决的问题。另外，在高功率密度情况下，由于功率损耗较大，使 微波源稳定运行于高峰值功率还比较困难。 3 开发c 波段专用的小型灵巧调制器( s m a r t m o d u l a t o r ) 。能否寻找新的原理和 设计概念研制出通用的、更紧凑的调制器，有待进一步研究。 4 研制出适合于c 波段的大功率四端环形器，也是一个亟待解决的问题。 1 5 本文的背景和主要内容 1 5 1 背景 随着m w 量级的c 波段、x 波段微波源的出现，以及机械加工水平的提高 和实际应用的迫切需要，使得加速器小型化成为加速器发展的必然趋势之一，同 时，基于加速器驱动的高能工业c t 和医疗卫生等部门也推动着加速器向 着小束斑、小型化方向发展。 为了满足加速器小型化的要求，世界各国纷纷开展了c 波段、x 波段 高频加速器的研究。高能物理研究中，国际上已经研制出作为正负电子对 撞机注入器的紧凑型c 波段加速器，正在改建中的s a s e - f e l 也准备采用 c 波段加速器作为注入器，从而可以大大减小了系统的整体尺寸。 国内对于高频加速器的研究，起步较晚，在投入了较多人力和物力开 展理论和实验研究以后，清华大学研制出了x 波段2 m e v 和6 m e v 驻波加 速管，中国原子能研究院研制出了一台c 波段1 5 m e v 加速器样机。但是，目 前国内c 波段加速器的研究仍较薄弱。为了填补国内这一薄弱领域，掌握 整套c 波段加速器的冷测、热测技术，同时也为了使我们自行研制开发 的加速器驱动高能工业c t t 3 5 1 能向着小型化、高分辨率方向发展，中国工 程物理研究院在已有的l 波段、s 波段加速器调试平台和调试技术基础上， c 波段驻波加速管的物理设计与实验研究 进行了c 波段小束斑驻波电子直线加速器的研究。 本论文即是在研制c 波段小型化驻波电子直线加速器过程中而进行的 一系列理论和冷测实验研究工作。 1 ，5 2 主要内容 第一章是绪论。介绍了国内外c 波段电子直线加速器的研究与发展情况、c 波段电子直线加速器应用前景，以及医疗卫生、高能工业c t 等领域对小型化、 小焦斑加速器的需求，并简要讨论了c 驻波加速管中的物理问题，最后介绍本 文的背景与主要工作。 第二章针对加速器的多级聚束特点，利用等效电路的方法研究了聚束 段对加速管微波特性的影响情况，得出了一些对冷腔调试有一定指导意义 的结论。 第三章是驻波加速管中的电磁场和束流动力学分析。进行了驻波加速 管中电磁场的理论分析和利用s u p e r f i s h 实现数值求解；分析了驻波加 速管中电子的纵向横向运动以及空间电荷效应对电子横向运动的影响，同 时介绍了利用p a r m e l a 和g p t 实现束流动力学设计。 第四章是利用s u p e r f i s h 和g p t 对c 波段加速管的电磁场和束流动 力学的数值模拟和优化设计研究，尤其是对聚柬腔各腔型参数进行了详细 的优化设计分析，得出了各腔型参数对腔体微波性能和电子最终束斑的影 响情况；最后给出了本论文c 波段加速管的最终设计结构参数和详细的数 值模拟结果。 第五章是c 波段加速管的冷测实验研究。详细介绍了该驻波加速管的 冷测调谐原理、方法和过程，包括加速腔、耦舍腔频率的测量与调谐，禁 带的测量与消除，品质因素的测量，场分布的测量等；与此同时，利用理 论分柝和数值求解色散方程的方法，计算出禁带的宽度和腔间耦合系数， 并与实验结果进行了对比；并利用最小二乘拟合，得出了c 波段驻波加速 管腔链的拟合色散曲线。 第六章是结论。 c 波段驻波加速管的物理设计与实验研究 2 1 引言 第二章驻波加速管等效电路分析 由于加速管中束流的横向发散主要发生在低能聚束段，因此，为了获得较小 的束斑和能散，在加速器设计中，需要通过大量优化设计，精心选择合适的腔型 和场强分布，使其尽量有利于束流的横向聚焦和纵向聚柬。 目前的加速器，大多工作在s 波段，聚束段通常设计为由一个腔或几个腔组 成。在研制高频加速器时，也多采用由多个渐变结构加速腔组成的聚束段，通过 多级聚束的方法抑制空间电荷效应，以实现较好的横向聚焦和纵向聚束【3 6 】，如 k e k 研制用于医疗和废物处理的c 波段9 m e v 驻波加速管聚束段由一个预聚束 腔和三个聚束腔组成，清华大学研制的x 波段2 m e v 驻波加速管聚束段由9 个 腔组成。 为了研究聚束段对加速管微波性能的影响，可以使用等效电路的方法进行分 析，即把各种类型的驻波直线加速结构，看成是若干谐振腔通过不同方式互相耦 合的谐振腔链，在一定条件下，可以将这种具有分布参量的耦合腔链等效为具有 集中参量的耦合遛路，以简化分析和计算。现有的许多文献对端腔是加速整腔和 加速半腔的驻波加速管作了比较详尽的等效电路分析 3 7 1 ，口8 3 9 1 。 本章主要在此基础上分析了多个腔组成的聚束段对加速管微波性能的影响， 得出了一些结论。本文的讨论只限于以整腔结尾的加速腔链。 2 2 对理想双周期结构等效电路分析的简要回顾 孤立谐振腔可用集中参数的谐振遛路表示，磁耦合的谐振腔可用电感耦合的 谐振迪路表示。设理想双周期腔链由( 2 n + 1 ) 个遛路构成，两端腔( 第一个和最 后一个腔) 均是加速整腔，偶数单元对应加速腔，奇数单元对应耦合腔。其集 中参数电路图如图( 2 1 ) 所示，其色散方程【3 】如下： ( 1 一享+ tc o s 2 烈1 一事+ 也c 。s 2 们= 砰c o s 2 庐 ( 2 1 ) 扑2 褊 c 波段驻波加速管的物理设计与实验研究 图2 1 理想双周期性结构的等效电路 g 为模式数g = 1 ，2 2 n ，2 + 1 西为相邻腔之间相移昀半均值 g 是分立的整数，表示耦合腔链的谐振频率是分立的，即由2 n + 1 个遛路组成的 耦合迫路有2 n + 1 个谐振频率，称为可着辛西，詈，丽2 nz ，丽2 n + l 厅 模的谐振频率。简记为：2，v 。a 对于双周期l + 1 l 2 z 【+ lj2 l “+ j 结构，在2 三( g 2 ) 处，有两个谐振频率，分别对应两端腔为加速腔和两端腔 为赧合胖的情况。 彩! = 1 竺 三1 一七z 田蟹：1 竺 詈1 一也 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 当磺彬，即非藕合共振时，两个频率间有一个禁带，如图( 2 2 ) 、( 2 4 ) 亍i 腧调觏瓤，使得志2 盎一隅供跗浦列燃黼失 如图( 2 3 ) 所示。 1 6 船昂 c 波段驻波加速管的物理设计与实验研究 o 一 ， 一， 2n0 r ， 一 一 孔 2 z0 红i 。= n i 。 22 图2 2 非耦合共振图2 3 耦合共振 图2 4 过调节 如果忽略邻近耦合( k 2 = k 3 = 0 ) ，并令q 2 q c o o ，由( 2 - 1 ) 式得剑单刷别色 散关系如下： = 一 竺! ( 2 4 ) 1 + 佃s 罱 由上式可以求出通带宽： b w = ( 9 0 - - ( o z 兰向 同时由( 2 4 ) 也可以求得工作模式附近相邻模式的频率间隔，例如要和万模 与其邻近模式的频率间隔如下： 出= 乜i ，一删兰1 1 三山。 ( 2 5 ) 如詈刊等。叫三兰葫哦 u 。 国：彩一。，兰鱼! 国。 2 6 ) 细一钏口堋等一兰蠢f 社也 为了使结构工作稳定，一方面可以通过增加耦合系数毛来增大带( b w ) r 但 这是有限度的，过分增加向，会使结构的分流阻抗下降，另一方面应当选取频率 间隔较大的模式。至2 模的频率间隔比石模大得多( 。；4 石n ) ，这是驯 选 取罢模运行的一个重要原因。 1 7 f 一2 吐 # 一2 c 波段驻波加速管的物理设计与实验研究 兰模运行时，其场分布满足： ，。2n_a(2-7) 0 ，即l 时，耦合腔中的场与聚束腔中的场反相；而当1 一錾 时，耦合腔中的场与聚束腔中的场同相。 综上所述： 1 场强表达式中不含品质因素q ，说明在无损耗情况下，加速腔( 即聚束段 的聚束腔) 和耦合腔中的场分布与品质因素无关； 2 耦合腔中的场能否为零