緊湊型低能高功率LINAC加速管及其同軸吸收負(fù)載的熱特性研究.pdf

1、近年來，低能高功率電子直線加速器在醫(yī)療，工農(nóng)業(yè)，食品行業(yè)以及軍事等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，隨著輻射加工產(chǎn)品的多樣化、生產(chǎn)的異地化以及國(guó)家反恐任務(wù)中的復(fù)雜性和多樣性，對(duì)輻照裝置的高功率、小型化和高機(jī)動(dòng)性提出了迫切的需求。
　　 微波剩余功率吸收負(fù)載是加速器必不可少的組成部分，傳統(tǒng)的通過輸出耦合器連接于加速管末端的干負(fù)載是使高功率直線加速器小型化的主要瓶頸。本課題的主要任務(wù)就是探索和研究一種能夠替代干負(fù)載的同軸負(fù)載結(jié)構(gòu)，以使加速器

2、結(jié)構(gòu)緊湊、橫向體積小。同軸負(fù)載結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)可使聚焦線圈和加速管冷卻系統(tǒng)的安裝變得方便，使束流品質(zhì)得以提高。
　　 高功率直線加速器同軸吸收負(fù)載能否實(shí)現(xiàn)，有兩個(gè)關(guān)鍵問題需要解決：①找到高功率微波吸收材料并研究其在加速腔內(nèi)壁的涂覆技術(shù)。②提出合理的同軸負(fù)載冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)方案，同時(shí)滿足工程上的節(jié)能和低成本需求。
　　 本文重點(diǎn)解決上述第二個(gè)關(guān)鍵問題。文中研究了加速管及其同軸吸收負(fù)載的熱特性，并在此基礎(chǔ)上，探求其最佳冷

3、卻方法與冷卻結(jié)構(gòu)，以及最適吸波材料涂層分布，并對(duì)冷卻系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究涉及機(jī)械工學(xué)、傳熱學(xué)、電磁學(xué)和加速器物理與技術(shù)等學(xué)科領(lǐng)域。研究工作采用熱-固-電磁場(chǎng)耦合的數(shù)值仿真方法。
　　 為了研究加速腔體變形帶來的頻率偏移，首次將計(jì)算機(jī)輔助幾何造型(CAGD)中的三維重建方法運(yùn)用于加速腔的耦合仿真分析之中。基于插值蒙皮理論，依據(jù)在熱-固耦合數(shù)值仿真中所獲的有限元模型，反構(gòu)出熱變形后的加速腔體幾何模型，使之能夠?qū)氲紺ST Mi

4、crowave Studio中進(jìn)行電磁場(chǎng)分析。實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)平臺(tái)上的加速腔體的結(jié)構(gòu)-電磁場(chǎng)耦合分析，準(zhǔn)確分析出腔體熱變形對(duì)其諧振頻率的影響，為腔體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、同軸負(fù)載的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了可靠依據(jù)。
　　 在此基礎(chǔ)上，深入研究了加速管的溫度分布、熱變形分布以及腔體的諧振頻率偏移分布與銅損功率及其沿軸分布，以及冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)(冷卻水道構(gòu)型、通流截面、水流量、入水溫度等)之間的關(guān)系，獲得了規(guī)律性認(rèn)識(shí)。
　　 而后，提出了一種基于

5、最小頻率離散度的冷卻參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。通過改變水流量和入水溫度分別控制加速管各腔頻率離散度和整體頻率偏移量，實(shí)現(xiàn)了使加速管整體頻率偏移最小的目的。研究結(jié)果表明：相對(duì)于傳統(tǒng)的基于溫差控制的方法，該方法大大減小了冷卻水流量和水壓差，能顯著降低加速管冷卻系統(tǒng)的投入成本和運(yùn)行成本。
　　 接著分別研究了利用金屬型吸波材料——Kanthal合金和磁介質(zhì)型吸波材料—FeSiAl燒結(jié)材料作為吸收介質(zhì)的同軸負(fù)載冷卻策略，并研究了六腔同軸負(fù)載在

6、不同剩余功率下不同水流量下的熱特性。研究表明，Kanthal合金涂層同軸負(fù)載，在水流量小于＜3kg/s，入水溫度高于20℃的要求下，只能吸收10kW的剩余功率。而FeSiAl合金涂層同軸負(fù)載在相同的冷卻參數(shù)下，能吸收20kW的剩余功率。
　　 論文最后對(duì)帶同軸負(fù)載的加速管的整體熱特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明加速段和同軸負(fù)載段分別冷卻不但可大大提高冷卻效果，還可顯著地節(jié)約資源。而分路冷卻只會(huì)對(duì)加速段和同軸負(fù)載耦合處的腔體略有影響。