S波段電子直線加速器高功率同軸負(fù)載的研究.pdf

1、低能高功率直線加速器在工農(nóng)業(yè)及醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，對(duì)直線加速器的小型化和可移動(dòng)性要求也越來(lái)越迫切。然而，剩余功率的輸出耦合器及吸收負(fù)載結(jié)構(gòu)成為實(shí)現(xiàn)這一要求的瓶頸。采用同軸負(fù)載取代波導(dǎo)式吸收負(fù)載，可使加速器的結(jié)構(gòu)更為緊湊，實(shí)現(xiàn)加速器的小型化，同時(shí)能簡(jiǎn)化系統(tǒng)的裝配工序，另外，具有對(duì)稱(chēng)性的負(fù)載段還有利于獲得更高的束流品質(zhì)。
　　 前人的同軸負(fù)載研究多基于實(shí)驗(yàn)的方法，從而局限于較低的剩余功率量級(jí)。本

2、文為研制高功率S波段同軸負(fù)載，采用理論分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法，開(kāi)展了系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)研究。研究涉及同軸負(fù)載的吸波涂層材料的選擇及其電磁參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)的仿真；吸波涂層的電磁特性、幾何參數(shù)、涂覆位置對(duì)負(fù)載腔工作頻率、品質(zhì)因子和衰減性的影響分析，以及負(fù)載腔頻率、損耗性與涂層關(guān)系的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和結(jié)果分析；根據(jù)功率量級(jí)和衰減性要求，設(shè)計(jì)了六腔同軸負(fù)載結(jié)構(gòu)，并研究了各負(fù)載腔內(nèi)的功率分布，為同軸負(fù)載段的冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了結(jié)構(gòu)參數(shù)和功率數(shù)據(jù)；獲得了FeS

3、iAl、Kanthal合金兩種材料的分別可吸收15 kW和10k W剩余功率的最適吸波材料的涂覆方案和相應(yīng)的同軸負(fù)載結(jié)構(gòu)，為同軸負(fù)載的工程應(yīng)用探索出科學(xué)的設(shè)計(jì)方法，并提供了可靠的技術(shù)數(shù)據(jù)。
　　 本文首先通過(guò)比較，選擇了電磁場(chǎng)仿真軟件CST作為同軸負(fù)載的分析和設(shè)計(jì)工具，并與諧振腔計(jì)算軟件Poisson SuperFish的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了CST的仿真精度，確認(rèn)了其用于同軸負(fù)載設(shè)計(jì)的最適性，并研究了腔體仿真的精度控制問(wèn)題。

4、
　　 針對(duì)同軸負(fù)載吸波材料FeSiAl合金的電磁參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的結(jié)果誤差過(guò)大現(xiàn)象，運(yùn)用CST對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了仿真，通過(guò)對(duì)PTFE、高介電材料Al2O3、和ZrO2晶體等樣品的仿真分析，獲得了各樣品與測(cè)試夾具之間的間隙對(duì)測(cè)量精度的影響。對(duì)FeSiAl材料測(cè)試的仿真表明，較小的樣品尺寸誤差將使最終的測(cè)量結(jié)果嚴(yán)重偏離其真實(shí)值。該仿真工作有效地指導(dǎo)了測(cè)量方案的選取，幫助最終獲得了穩(wěn)定的FeSiAl材料電磁參數(shù)。
　　 對(duì)FeS

5、iAl介質(zhì)材料型的負(fù)載腔，分析了材料涂敷體積對(duì)腔體工作頻率和品質(zhì)因子的影響，獲得了滿足2856 MHz頻率的腔體尺寸補(bǔ)償值；利用正交試驗(yàn)法分析了材料介電常數(shù)、磁導(dǎo)率對(duì)腔體參數(shù)影響的敏感度；設(shè)計(jì)加工了不同涂層尺寸的5個(gè)測(cè)試負(fù)載腔，進(jìn)行了腔體工作頻率和無(wú)載Q值的測(cè)量，利用精確測(cè)量的腔體尺寸建模的CST仿真結(jié)果表明，負(fù)載腔的工作頻率與仿真計(jì)算結(jié)果一致，并且FeSiAl材料的實(shí)際衰減性能與理論預(yù)期相符；理論推導(dǎo)出探針?lè)y(cè)量中諧振腔Q值與測(cè)試探針

6、長(zhǎng)度的關(guān)系，并最終由諧振腔總Q值推算出單負(fù)載腔的Q值。在負(fù)載腔仿真分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)試的基礎(chǔ)上，提出了同軸負(fù)載段的設(shè)計(jì)流程，針對(duì)15 kW剩余功率量級(jí)，單路總衰減30 dB的設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)出六腔同軸負(fù)載，以控制負(fù)載腔頻率漂移為目標(biāo)，對(duì)等功耗型剩余功率分配方案進(jìn)行了優(yōu)化，并獲得了優(yōu)化的FeSiAl同軸負(fù)載的結(jié)構(gòu)參數(shù)。最后，計(jì)算出了負(fù)載腔內(nèi)涂層與銅損的詳細(xì)功率分布，其中FeSiAl涂層處的功率呈均勻分布。
　　 對(duì)Kanthal合金型負(fù)載

7、腔，仿真研究了不同涂敷位置及面積對(duì)腔體性能的影響，獲得了2856 MHz時(shí)的尺寸補(bǔ)償量；設(shè)計(jì)加工了4個(gè)負(fù)載腔，分別對(duì)比了工作頻率和品質(zhì)因子的實(shí)驗(yàn)測(cè)試和仿真結(jié)果，對(duì)腔體損耗性的分析表明，Kanthal涂層的實(shí)際衰減性低于理論計(jì)算值約50％，因此仿真中所選取的涂層電磁參數(shù)有待考證，須通過(guò)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)測(cè)試加以驗(yàn)證。Kanthal合金由于自身衰減性的局限，經(jīng)過(guò)詳細(xì)的探討和設(shè)計(jì)計(jì)算，其六腔負(fù)載段至多可吸收10 kW平均功率，單路衰減約為16 dB