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)展狀況和一些先進加速器的概念，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(而盤荷波導為Es/Ea>2)，有望提高加速梯度，相比較介質(zhì)加載圓波導加速結(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)同時兼顧介質(zhì)加載的圓波導加速結(jié)構(gòu)和盤荷波導的優(yōu)點。 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行了物理設計。假定功率源的功率為20MW，其最大加速梯度可達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。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口的陶瓷(真空性能比較好)的介電常數(shù)的色散特性。實驗表明：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，且進口陶瓷一致性好。為了研究進口陶瓷加載的混合盤荷波導結(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。 由于進口陶瓷硬度比較大，且比

4、較脆，用普通的機床難以加工。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，并進行了公差分析，為模型腔的研制提供了設計尺寸和公差要求。經(jīng)過模擬計算和實驗研究相結(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值的測量值達到1148.6。 在行波直線加速器中，耦合器是一個非常重要的器件。開始，我們用微波

5、工作室時域求解器進行了大量的模擬計算，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)進行了設計，經(jīng)過大量的實驗研究，得到滿足條件的耦合結(jié)構(gòu)。但上述計算方法非常耗時且精度不夠高，所以需要反復加工、實驗。 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、精確計算耦合器的計算方法。這種計算方法也適用于其他行波加速結(jié)構(gòu)耦合器的設計。另外，通過大量計算，發(fā)現(xiàn)新結(jié)構(gòu)與盤荷波導

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。 依照前面的計算結(jié)果對耦合器進行了實驗研究，得到駐波比在9.37GHz時小于1.02，在20MHz的范圍內(nèi)駐波比小于1.10，實驗結(jié)果與模擬計算的結(jié)果吻合得較好，進一步驗證了上述計算方法的可靠性。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)加載圓波導加速結(jié)構(gòu)尤其耦合器進行了理論研究，設計了該種結(jié)構(gòu)的同軸雙耦合結(jié)構(gòu)，為進一步工作提供了理論依據(jù)。 關于同軸負載所用Kanthal合金材料的高頻磁導率的測量，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率和電導率新的測量方法，得到工作