2.5 MeV行波加速管設(shè)計(jì)

王 博，楊京鶴，楊 譽(yù)，曾自強(qiáng)

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院 核技術(shù)綜合研究所，北京 102413)

2.5 MeV/5 kW行波加速管用于醫(yī)療廢水處理的電子輻照加速器，本文對(duì)行波加速管進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過SUPERFISH建立二維模型，以此計(jì)算電子束聚束與聚焦的狀態(tài)。并在仿真軟件中完成微波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與模擬調(diào)配。加速管工作模式為2π/3模，此模式下運(yùn)行穩(wěn)定且分流阻抗高[1]。為保證束流能達(dá)到足夠的能量及功率，加速管由一段線性聚束段、一段均勻聚束段和一段光速段組成。

1 參數(shù)指標(biāo)

加速管主要參數(shù)和參數(shù)指標(biāo)列于表1。

表1 加速管主要參數(shù)和參數(shù)指標(biāo)Table 1 Design parameter and operation parameter of traveling wave tube

2 束流動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)

給定輸入條件下，計(jì)算出合理的加速場(chǎng)強(qiáng)分布、腔相速分布以使所加速的束流達(dá)到指標(biāo)是束流動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。本文采用數(shù)值計(jì)算完成設(shè)計(jì)，以相振蕩方程和束流包絡(luò)方程為基礎(chǔ)，編寫計(jì)算程序求解得到符合要求的束流動(dòng)力學(xué)結(jié)果，并采用PARMELA軟件進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算。

2.1 束流動(dòng)力學(xué)計(jì)算

俘獲效率是束流動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)之一，是實(shí)現(xiàn)高功率電子束的重要保證。為了提高俘獲效率，需仔細(xì)設(shè)計(jì)加速管聚束段的電場(chǎng)分布和腔相速分布，使電子在加速過程中能有效地實(shí)現(xiàn)縱向聚束而被俘獲[2]。聚束段采用分段式設(shè)計(jì)，分別為線性聚束段和均勻聚束段，在線性聚束段中，腔相速和電場(chǎng)線性增加，在均勻聚束段中，腔相速不變，電場(chǎng)線性降低。通過優(yōu)化均勻聚束段的長(zhǎng)度，可方便地控制電子束團(tuán)的縱向加速相位，進(jìn)而優(yōu)化俘獲效率。圖1為優(yōu)化均勻聚束段長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的俘獲效率變化曲線，在210～390 mm范圍內(nèi)，俘獲效率增加緩慢，由于聚束段有效分路阻抗較低，功率損耗大，綜合考慮提高俘獲效率與降低功率損耗，選定均勻聚束段長(zhǎng)度為300 mm，即10個(gè)腔長(zhǎng)。

圖1 俘獲效率隨均勻聚束段長(zhǎng)度的變化曲線Fig.1 Change curve of capture efficiency with length of uniform bunching section

加速管腔體采用盤荷波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于大功率電子束的加速，使用SUPERFISH[3]軟件進(jìn)行電磁場(chǎng)模擬計(jì)算(圖2)，通過調(diào)整腔長(zhǎng)D、孔徑a和腔半徑b等參數(shù)，優(yōu)化腔體結(jié)構(gòu)的有效分路阻抗、腔壁損耗、品質(zhì)因數(shù)等，并計(jì)算得到每個(gè)單腔的衰減常數(shù)和加速管內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布。圖3為微波脈沖功率與電場(chǎng)強(qiáng)度隨縱向位置z的變化曲線。在0～150 mm區(qū)間，腔相速逐漸升高，腔體的有效分路阻抗也逐漸升高，場(chǎng)分布呈上升狀態(tài)。在150～450 mm區(qū)間由于采用均勻聚束段，場(chǎng)分布線性下降，而在450 mm處出現(xiàn)跳躍則是由于均勻聚束段有效分路阻抗低于光速段。

圖2 2π/3模式的SUPERFISH計(jì)算模型和場(chǎng)分布Fig.2 SUPERFISH model and field distribution of 2π/3 mode

基于圖3場(chǎng)分布，對(duì)相振蕩方程求解[4]，被俘獲的電子束相運(yùn)動(dòng)如圖4所示，加速管出口處電子束在-60°～0°相位，此相位區(qū)間的加速效率較高。圖5為相位能譜圖，能量在2 MeV以上的相位在-25°～157°，其俘獲效率約為50%，圖6為束流能譜圖，其束流能散度約為7.2%。

圖4 相振蕩曲線Fig.4 Phase oscillation curve

圖5 相位能譜圖Fig.5 Phase-energy curve

圖6 束流能譜示意圖Fig.6 Beam energy spectrum

給定螺線管磁場(chǎng)和電子束入射參數(shù)，可由束流包絡(luò)方程來描述電子束的橫向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。依據(jù)包絡(luò)曲線調(diào)整螺線管磁感應(yīng)強(qiáng)度及位置，以使聚焦效果最佳。圖7為加速管中心軸線的縱向磁場(chǎng)，在此磁場(chǎng)下，計(jì)算得到的包絡(luò)曲線顯示在加速管內(nèi)束流包絡(luò)約為φ8 mm(圖8)，小于加速腔的束流孔徑。

圖7 中心軸線磁場(chǎng)Fig.7 Magnetic field of central axis

圖8 束流包絡(luò)曲線Fig.8 Beam envelope curve

2.2 PARMELA復(fù)算

PARMELA軟件使用多粒子跟蹤法，根據(jù)電子在電磁場(chǎng)中的橫向和縱向運(yùn)動(dòng)方程對(duì)宏粒子的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)對(duì)每個(gè)宏粒子的運(yùn)行軌跡進(jìn)行記錄[5]。在進(jìn)行復(fù)算時(shí)采用如圖9所示的螺線管磁場(chǎng)。經(jīng)計(jì)算，在注入10 000個(gè)粒子的情況下，有6 106個(gè)粒子可加速到加速管出口，即俘獲效率約為61%。復(fù)算結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果一致性較好。

圖9 加速管出口處束流Fig.9 Output beam of traveling wave tube

3 射頻結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算

射頻結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)決定了腔體的微波性能，依據(jù)束流動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果來設(shè)計(jì)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸，使加速管可激勵(lì)滿足束流動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果的電場(chǎng)分布。

3.1 聚束腔及光速腔計(jì)算

使用SUPERFISH得到的原始結(jié)構(gòu)參數(shù)在軟件中仿真模擬，根據(jù)活塞探針法原理，當(dāng)兩活塞面之間為兩個(gè)半腔夾N個(gè)整腔時(shí)，可激勵(lì)N個(gè)模式，其模式分別為：π/(N+1)、2π/(N+1)、…、Nπ/(N+1)[6]。在軟件中建立兩個(gè)半腔夾兩個(gè)整腔的模型，兩個(gè)半腔以電邊界為邊界條件，采用本征模求解器可計(jì)算得到該腔的2π/3模式所對(duì)應(yīng)的頻率，優(yōu)化腔的內(nèi)徑達(dá)到2 856 MHz即完成計(jì)算。圖10為光速腔的2π/3模式的電場(chǎng)分布，聚束腔的計(jì)算與光速腔一致。該過程計(jì)算的仿真模型為模擬調(diào)諧提供了基礎(chǔ)。

圖10 2π/3模式電場(chǎng)分布Fig.10 Electric field of 2π/3 mode

3.2 耦合器計(jì)算

建立輸出耦合器、波導(dǎo)和1個(gè)光速腔的組合模型，依照三頻率法原理，用金屬棒分別失諧耦合器和光速腔，用求解器分別計(jì)算兩種情況下3個(gè)頻率(fπ/2、f2π/3、fm=(fπ/2+f2π/3)/2)對(duì)應(yīng)的相位[7-8]，即可計(jì)算出耦合器的耦合度β和頻率偏差Δφ[9]。通過調(diào)整輸出耦合器內(nèi)徑2b和耦合口尺寸H(圖11)可優(yōu)化耦合度和頻率，表2為耦合器尺寸及計(jì)算結(jié)果。圖12為失諧耦合腔的剖面圖，其中黃色圓柱體為銅柱，藍(lán)色為腔體真空。

圖11 耦合器尺寸示意圖Fig.11 Schematic diagram of coupler size

圖12 失諧耦合器剖面圖Fig.12 Cutaway view of detuned coupler

表2 耦合器尺寸及計(jì)算結(jié)果Table 2 Coupler size and calculation result

輸入耦合器同樣可采用此方法計(jì)算[10]，但在進(jìn)行整管模擬時(shí)還需對(duì)輸入耦合器尺寸進(jìn)行調(diào)整以滿足駐波比和帶寬的要求。

3.3 場(chǎng)分布計(jì)算

建立加速管整管模型，用頻域求解器求解2 856 MHz頻率的場(chǎng)分布。依據(jù)參考文獻(xiàn)[11-14]中提到的計(jì)算方法，擬合場(chǎng)分布計(jì)算結(jié)果，逐一調(diào)整每腔的內(nèi)徑2b，逼近擬合結(jié)果，使場(chǎng)分布平整且符合預(yù)期設(shè)計(jì)。最后調(diào)整輸入耦合器內(nèi)徑和耦合口尺寸以滿足帶寬(駐波比在1.2以下的頻帶寬度)、駐波比。圖13為歸一化場(chǎng)分布(圖中場(chǎng)分布均為無束流負(fù)載情況)，實(shí)線為仿真場(chǎng)分布的擬合曲線，虛線為束流動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的歸一化場(chǎng)分布，可見兩者曲線基本相符。圖14為電壓駐波比曲線，工作點(diǎn)2 856 MHz的駐波比為1.01，帶寬約為2 MHz。

圖13 歸一化場(chǎng)分布Fig.13 Normalized field distribution

圖14 電壓駐波比曲線Fig.14 Curve of VSWR

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一支2.5 MeV的加速管，用數(shù)值方法完成了束流動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，并使用PARMELA進(jìn)行了驗(yàn)證計(jì)算，結(jié)果具有較好的一致性。完成了射頻結(jié)構(gòu)的仿真設(shè)計(jì)，并將整管調(diào)諧到設(shè)計(jì)所需場(chǎng)分布，且工作點(diǎn)駐波比小于1.05，為相關(guān)加速管研究開發(fā)提供參考。