紧凑型低能高功率LINAC加速管及其同轴吸收负载的热特性研究

题名:紧凑型低能高功率LINAC加速管及其同轴吸收负载的热特性研究
作者:舒钊
学位授予单位:中国科学技术大学
关键词:同轴吸收负载;;直线加速器;;三维重构;;热变形;;谐振频率偏移;;冷却系
统;;Kanthal;;FeSiAl
摘要:
 近年来,低能高功率电子直线加速器在医疗,工农业,食品行业以及军事等领域得到越来越
广泛的应用,随着辐射加工产品的多样化、生产的异地化以及国家反恐任务中的复杂性和多样性,
对辐照装置的高功率、小型化Rare earth magnets和高机动性提出了迫切的需求。
 微波剩余功率吸收负载是加速器
必不可少的组成部分,传统的通过输出耦合器连接于加速管末端的干负载是使高功率直线加速器小
型化的主要瓶颈。本课题的主要任务就是探索和研究一种能够替代干负载的同轴负载结构,以使加
速器结构紧凑、横向体积小。同轴负载结构的实现可使聚焦线圈和加速管冷却系统的安装变得方
便,使束流品质得以提高。
 高功率直线加速器同轴吸收负载能否实现,有两个关键问题需
要解决：①找到高功率微波吸收材料并研究其在加速腔内壁的涂覆技术。②提出合理的同轴负载
冷却系统结构和系统参数设计方案,同时满足工程上的节能和低成本需求。
 本文重点解决
上述第二个关键问题。文中研究了加速管及其同轴吸收负载的热特性,并在此基础上,探求其最佳
冷却方法与冷却结构,以及最适吸波材料涂层分布,并对冷却系统参数进行优化设计。研究涉及机
械工学、传热学、电磁学和加速器物理与技术等学科领域。研究工作采用热-固-电磁场耦合的数
值仿真方法。
 为了研究加速腔体变形带来的频率偏移,首次将计算机辅助几何造型(CAGD)中的
三维重建方法运用于加速腔的耦合仿真分析之中。基于插值蒙皮理论,依据在热-固耦合数值仿真
中所获的有限元模型,反构出热变形后的加速腔体几何模型,使之能够导入到CST Microwave
Studio中进行电磁场分析http://www.chinamagnets.biz/faq.php。实现了异构平台上的加速腔体的结构-电磁场耦合分析,准确分析出腔
体热变形对其谐振频率的影响,为腔体的结构设计、同轴负载的冷却系统设计提供了可靠依据。

在此基础上,深入研究了加速管的温度分布、热变形分布以及腔体的谐振频率偏移分布与铜损功率
及其沿轴分布,以及冷却系统结构参数(冷却水道构型、通流截面、水流量、入水温度等)之间的关
系,获得了规律性认识。
 而后,提出了一种基于最小频率离散度的冷却参数的优化设计方法。通
过改变水流量和入水温度分别控制加速管各腔频率离散度和整体频率偏移量,实现了使加速管整体
频率偏移最小的目的。研究结果表明：相对于传统的基于温差控制的方法,该方法大大减小了冷却
水流量和水压差，能显著降低加速管冷却系统的投入成本和运行成本。
 接着分别研究了利用金
属型吸波材料——Kanthal合金和磁介质型吸波材料——FeSiAl烧结材料作为吸收介质的同轴负载
冷却策略,并研究了六腔同轴负载在不同剩余功率下不同水流量下的热特性。研究表明,Kanthal合
金涂层同轴负载,在水流量小于<3kg／s,入水温度高于20℃的要求下,只能吸收10kW的剩余功率。
而FeSiAl合金涂层同轴负载在相同的冷却参数下,能吸收20kW的剩余功率。
 论文最后对带
同轴负载的加速管的整体热特性进行了研究,结果表明加速段和同轴负载段分别冷却不但可大大提
高冷却效果,还可显著地节约资源。而分路冷却只会对加速段和同轴负载耦合处的腔体略有影
响。
 本文研究工作得到国家自然科学基金《加速器大功率同轴负载研制及高功率微波吸收材
料特性研究》(NO.10775128)的资助。
学位年度:2010