X波段介質(zhì)-金屬膜片混合加載加速器的研究.pdf

1、本論文首先介紹了國際上高能直線加速器的發(fā)展?fàn)顩r和一些先進(jìn)加速器的概念，著重介紹了基于介質(zhì)的加速結(jié)構(gòu)。高加速梯度是未來直線加速器的方向之一。介質(zhì)-金屬膜片混合加載行波加速結(jié)構(gòu)可使金屬表面最大峰值電場與軸向加速電場之比Es/Ea降為1左右(而盤荷波導(dǎo)為Es/Ea>2)，有望提高加速梯度，相比較介質(zhì)加載圓波導(dǎo)加速結(jié)構(gòu)具有更高的Q值和分路阻抗。即該種新加速結(jié)構(gòu)同時(shí)兼顧介質(zhì)加載的圓波導(dǎo)加速結(jié)構(gòu)和盤荷波導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)。 本論文使用MAFIA軟件，

2、MATLAB，微波工作室和PAMELA軟件，對X波段介質(zhì)-金屬膜片混合加載加速器進(jìn)行了物理設(shè)計(jì)。假定功率源的功率為20MW，其最大加速梯度可達(dá)45 MV/m，長度1.47米，結(jié)構(gòu)緊湊。通過調(diào)節(jié)加速腔的尺寸和聚束腔的相速度，得到其捕獲效率為40％，能量為32MeV，能散為0.5％，加速管出口處束流的流強(qiáng)為100mA。 選擇合適的陶瓷是研制介質(zhì)-金屬膜片混合加載加速結(jié)構(gòu)的首要任務(wù)。其中介電常數(shù)的大小和介質(zhì)損耗是首先要考慮的問題。本論

3、文用微擾法研究了最新進(jìn)口的陶瓷(真空性能比較好)的介電常數(shù)的色散特性。實(shí)驗(yàn)表明：該陶瓷的介電常數(shù)的大小在9.37GHz附近變化不大，介電常數(shù)εr=6.29，損耗正切tanδ∈=0.000195，且進(jìn)口陶瓷一致性好。為了研究進(jìn)口陶瓷加載的混合盤荷波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在焊接前后性能的變化，我們對高溫退火前后的陶瓷進(jìn)行了X射線熒光光譜測試、XPS測試、電阻值測量和介電常數(shù)的測量。測試結(jié)果表明，陶瓷退火后性能基本穩(wěn)定。 由于進(jìn)口陶瓷硬度比較大，且比

4、較脆，用普通的機(jī)床難以加工。為此我們探索了多種加工方法，摸索出一種較為合適的加工工藝，提高了加工精度。利用MAFIA軟件模擬計(jì)算優(yōu)化了加速結(jié)構(gòu)的射頻參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸，并進(jìn)行了公差分析，為模型腔的研制提供了設(shè)計(jì)尺寸和公差要求。經(jīng)過模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，研制了低損耗陶瓷加載的模型腔。研制后模型腔的工作頻率精確到9.37GHz附近，Q值的測量值達(dá)到1148.6。 在行波直線加速器中，耦合器是一個(gè)非常重要的器件。開始，我們用微波

5、工作室時(shí)域求解器進(jìn)行了大量的模擬計(jì)算，對國產(chǎn)陶瓷加載的X波段介質(zhì)-金屬膜片混合加載加速結(jié)構(gòu)的耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)研究，得到滿足條件的耦合結(jié)構(gòu)。但上述計(jì)算方法非常耗時(shí)且精度不夠高，所以需要反復(fù)加工、實(shí)驗(yàn)。 經(jīng)過大量的探索，獲得了一種新的基于kyhl方法的思想，采用微波工作室本征模求解器和頻域求解器快速、精確計(jì)算耦合器的計(jì)算方法。這種計(jì)算方法也適用于其他行波加速結(jié)構(gòu)耦合器的設(shè)計(jì)。另外，通過大量計(jì)算，發(fā)現(xiàn)新結(jié)構(gòu)與盤荷波導(dǎo)

6、結(jié)構(gòu)不同的是，使耦合腔失諧的短路活塞的端部位置不是位于耦合腔中間，而是位于靠近電子槍方向偏移中心位置3mm左右。 依照前面的計(jì)算結(jié)果對耦合器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到駐波比在9.37GHz時(shí)小于1.02，在20MHz的范圍內(nèi)駐波比小于1.10，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬計(jì)算的結(jié)果吻合得較好，進(jìn)一步驗(yàn)證了上述計(jì)算方法的可靠性。另一方面，我們從本研究中摸索出了陶瓷加載盤荷波導(dǎo)加速結(jié)構(gòu)焊接的基本工藝。本文還用拉珠法對焊接后的新加速結(jié)構(gòu)的場分布和相位進(jìn)行

7、了初步研究。 對稱的耦合結(jié)構(gòu)相比單邊耦合結(jié)構(gòu)，可以抑制寄生的偶極模，對束流的干擾減小到最小，增加束流崩潰的閾值。本文對介質(zhì)加載圓波導(dǎo)加速結(jié)構(gòu)尤其耦合器進(jìn)行了理論研究，設(shè)計(jì)了該種結(jié)構(gòu)的同軸雙耦合結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步工作提供了理論依據(jù)。 關(guān)于同軸負(fù)載所用Kanthal合金材料的高頻磁導(dǎo)率的測量，公開發(fā)表的文章所采用的方法不能直接用于這種材料磁導(dǎo)率的測量。本文基于同軸諧振腔法，發(fā)展了這種材料的高頻磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率新的測量方法，得到工作