高平均束流功率辐照加速器加速结构的研制

With the development of national economy,the market demanding of higher than 100kW average power industial irradiation linac is growing. One of the limiting factors of improving the linac power is the accelerating structure. High beam average power puts forward new requirements of the stability of the accelerating structure. Now, the research and development of the acelerating structure in China is difficult to produce higher than order of 100kW beam power linac. So, study and development new type of accelerating structure is more urgent. This topic deals mainly with new type of accelerating structure of industial irratiation linac. Focus on multi-cavity on axis coupling stand-wave accelerating structure. Including the motion process of the beam in the cavity, the design of the accelerating struture, the manufacture of the prototype, etc. This study not only overcomes a difficulty but also provides foundation for high power industial irradiation linac.

随着国民经济的蓬勃发展，能够达到100kW以上量级的高束流功率工业辐照加速器的市场需求越来越大。辐照加速器功率提高的一个限制因素是用于电子加速的加速结构，高束流平均功率对加速结构的稳定性提出了新要求。目前我国国内研制的工业辐照加速器加速结构很难用于产生100kW以上量级束流功率的加速器。基于此，研制新型工业辐照加速器加速结构变得越来越迫切。本课题将对高功率工业辐照加速器的新型加速结构进行研究，重点将放在多腔轴耦合驻波加速结构的研究上，包括束流在其中的运动过程、加速结构的设计及模型腔的制作等。本研究既能对国内高功率辐照加速器加速结构的研制这一难点课题有所贡献，也能为国内高功率工业加速器发展提供依据。

随着国民经济的蓬勃发展，能够达到100kW以上量级的高平均束流功率工业辐照加速器的市场需求越来越大。辐照加速器功率提高的一个限制因素是用于电子加速的加速结构，目前我国国内研制的工业辐照加速器加速结构很难用于产生100kW以上量级束流功率的加速器。基于此，研制新型工业辐照加速器加速结构变得越来越迫切。本课题通过对高功率工业辐照加速器的新型加速结构的研究，确定了加速结构频率采用325MHz，并通过束流动力学的模拟，确定了使用6个周期工作于π/2模式的双周期轴耦合构成的加速结构可以将束流加速到10MeV，采用输出峰值600mA的电子枪，重复频率60Hz、脉宽420uS的功率源，可以得到100kW的平均束流功率。束流动力学方面，使用PARMELA模拟论证了在粒子源提供2.5 keV、600 mA（峰值）的电子束后，再通过6个加速单元可以得到10 MeV/100 kW的平均束流功率。使用SUPERFISH和CST优化了双周期加速结构的有效分路阻抗、无载品质因数、模式间隔等关键参数，优化完成后每个加速单元的有效分路阻抗为11 MΩ，无载品质因数为29347，对于6个加速单元而言，工作模式与其它模式的最小间隔为2 MHz，此时，每个加速单元功耗为290 kW（峰值）。对于高平均束流功率加速结构而言，水冷问题的设计是否合理是能否达到高平均束流的关键，为此使用ansys对结构的热应力进行了分析，同时比较了腔体采用无氧铜材料和采用不锈钢镀铜材料对散热和应力的不同响应。在机械设计方面，由于需要同时满足气密性和水密性，对水冷结构进行了多次的探讨和修改，最后形成了现在的水冷设计方案。加工完成了2个周期的实验腔，并进行了测试，测试结果和理论计算结果基本一致，可以满足将来进行正式腔加工的要求。