轴向加速管—一种新的高功率微波源

提出一种新的高功率微波源器件——轴向加速管,与径向加速管比较,有两点不同：在二极管/共振腔后加了一个加速区及将径向加速改为轴向加速。研究了这种器件中电子束的群聚和辐射。发现在二极管与共振腔结合的系统里,电子束可实现理想群聚,各次谐波电流在非相对论条件下可达到初始电流的5.6倍。通过电子束再加速和仔细设计提取腔,可望得到可调频率和高功率的微波脉冲。     

轴向加速管—一种新的高功率微波源

 提出一种新的高功率微波源器件——轴向加速管,与径向加速管比较,有两点不同：在二极管/共振腔后加了一个加速区及将径向加速改为轴向加速。研究了这种器件中电子束的群聚和辐射。发现在二极管与共振腔结合的系统里,电子束可实现理想群聚,各次谐波电流在非相对论条件下可达到初始电流的5.6倍。通过电子束再加速和仔细设计提取腔,可望得到可调频率和高功率的微波脉冲。     

轴向加速管的数值模拟

用二维全电磁数值模拟方法研究了轴向加速管,虽然没有实现理想群聚,但通过加一个中间腔, 大大提高了前两阶谐波电流分量,其中一阶谐波电流调制系数达到了140%,二阶谐波电流调制系数达到了68%。通过对提取腔的设计,可以选择地输出不同的频率,其中一次谐波频率为2.2GHz,输出功率1.25GW,效率9.33%;二次谐波频率为4.4GHz,输出功率0.48GW,效率3.6%。     

轴向加速管的数值模拟

 用二维全电磁数值模拟方法研究了轴向加速管，虽然没有实现理想群聚，但通过加一个中间腔, 大大提高了前两阶谐波电流分量，其中一阶谐波电流调制系数达到了140%，二阶谐波电流调制系数达到了68%。通过对提取腔的设计，可以选择地输出不同的频率，其中一次谐波频率为2.2GHz,输出功率1.25GW，效率9.33%；二次谐波频率为4.4GHz，输出功率0.48GW,效率3.6%。     

BEPCII超导腔高功率输入耦合器

北京正负电子对撞机重大改造工程（BEPCII）将采用超导高频系统,其超导高频加速腔采用同轴天线型高功率输入耦合器。在耦合器的设计中,理论模拟高功率输入耦合器的外部Q值非常重要,它可以为耦合器的优化设计、安装及测试提供理论参考依据。本文用一种时域分析的方法计算了BEPCII超导腔高功率输入耦合器的外部Q值,并与实验结果进行了对比,二者取得了良好的一致,误差度在10％以内。证明了该计算方法的正确性和可行性。同时,本文还对影响该耦合器外部Q值的几何参数进行了优化和研究。为同轴型高功率输入耦合器的设计提供了理论参考依据。     

162.5 MHz高功率耦合器测试腔体设计

功率耦合器是粒子加速腔射频功率馈送的关键部件。耦合器在安装至加速腔之前,必须进行常温高功率测试和锻炼,以检验加工工艺和设计指标,提高其射频性能。详细介绍了中国科学院近代物理研究所ADS25 MeV加速器样机162.5 MHz耦合器测试平台的改进设计。针对原有接触式测试锻炼方式的不足,提出非接触式测试锻炼方案。对耦合器测试锻炼过程进行了物理抽象,采用理论模拟的方法分析测试腔体功率传输。基于分析结果设计了低损耗、宽通带、多用途的非接触式耦合器测试腔体。该腔体可实现20 kW测试功率下60 W左右的腔体损耗和15 MHz-3 dB带宽。Fundamental power couplers (FPC) are crucial components for feeding RF power to the accelerating cavities. Before being installed on the accelerating cavity, a coupler must be tested and conditioned at room temperature to check its fabrication quality, to verify its design specifications, and improve its RF performance. This paper thoroughly introduced the design of a test stand for the 162.5 MHz coupler of ADS 25 MeV demo facility at IMP, CAS. In order to overcome the shortcomings of the original contacting test method, a noncontacting test scheme was proposed. A physical model was built for the the coupler test and the test cavity power transmission was analyzed theoretically. Based on the analysis results, a low-loss, wide-passband and multipurpose non-contacting coupler test cavity was designed. With the new test cavity, a power loss of around 60W and a -3 dB bandwidth of 15 MHz at a test power of 20 kW was achieved.     

高功率脉冲射频管DC灯丝加热

直流灯丝供电是减小灯丝相位推移影响及提高管子稳定性和寿命的重要方法之一。本文分析研究了高功率脉冲射频管灯丝加热遇到的一些特殊问题，包括选择最佳线路拓扑，使低压灯丝与高压脉冲兼容，实现脉冲、直流与交流平衡；对不同种类的射频管，直流灯丝电流流向应有不同要求；以及阴极大电流低纹波直流电源的整流和滤波元件的选择、设计和组装。     

高功率PIN限幅器设计及测试方案

介绍了利用PIN二极管进行高功率无源限幅器的设计方法,分析了影响限幅器功率容量、限幅电平、尖峰泄露、响应速度及恢复时间等的因素。利用平面微带电路的形式,提出了无源检波式及主动式PIN限幅器设计,仿真结果表明:该无源检波式限幅器起限电平约为-3 dBm,脉冲功率容量60 dBm,限幅电平15 dBm左右。针对设计的限幅器,提出了用于测试限幅器性能的高功率实验平台。该平台采用双路双频耦合测量,具有很高的大小信号隔离度,能够进行高功率脉冲、连续波测试,在准确测量限幅器的功率容量、限幅电平、响应速度及恢复时间等指标方面具有很高的可靠性。     

高功率离子束在漂移管中的中性化传输

介绍了“闪光二号”加速器产生的高功率离子束在漂移管中的传输实验。对比了采用中性化措施前后的传输情况，分析了中性化措施对离子束束斑半径、束流均匀性的影响。根据实测的二极管电压模拟得到了传输一定距离后的束流波形，与实测结果符合较好。采取适当的中性化措施后，高功率离子束可以有效传输80 cm以上，束流发散得到抑制，束流均匀性得到改善。     

高功率离子束在漂移管中的中性化传输

 介绍了“闪光二号”加速器产生的高功率离子束在漂移管中的传输实验。对比了采用中性化措施前后的传输情况，分析了中性化措施对离子束束斑半径、束流均匀性的影响。根据实测的二极管电压模拟得到了传输一定距离后的束流波形，与实测结果符合较好。采取适当的中性化措施后，高功率离子束可以有效传输80 cm以上，束流发散得到抑制，束流均匀性得到改善。     

高功率离子束在漂移管中的中性化传输

介绍了“闪光二号”加速器产生的高功率离子束在漂移管中的传输实验。对比了采用中性化措施前后的传输情况,分析了中性化措施对离子束束斑半径、束流均匀性的影响。根据实测的二极管电压模拟得到了传输一定距离后的束流波形,与实测结果符合较好。采取适当的中性化措施后,高功率离子束可以有效传输80 cm以上,束流发散得到抑制,束流均匀性得到改善。     

高功率微波管收集极的散热分析

利用欧拉两相流模型和沸腾换热模型计算了高功率微波管收集极的散热问题。在给出电子束能量沉积规律的基础上,得到了热源项在收集极及冷却水中的分布形式。利用CFD软件计算了脉宽为45 ns、重频为50 Hz、平均功率为27 kW电子束作用下的收集极温度分布,重点研究了冷却水流速对散热效果的影响。研究结果表明,冷却水流速为1.5 m/s时,内壁面稳态峰值温度超过了收集极材料的熔点,会导致一定时间后收集极损坏;散热峰值处对流换热大约占总换热量的71.7%,激冷换热大约占28.1%,相变换热占0.2%。冷却水流速小于5 m/s时,收集极最高温度随流速增加快速下降;5~10 m/s时,温度下降缓慢;超过10 m/s后,温度下降速度增大。针对该电子束条件,收集极安全工作要求冷却水流速不得低于5 m/s。     

加速管中离子运动轨迹的计算

根据静电透镜的聚焦规律,采用微元模型进行积分,导出了加速管中离子的运动轨迹,并根据轨迹特性对加速管的聚焦效应进行了讨论。结果显示,加速管对离子轨迹的聚焦效应受离子入射角和电极粗细的影响很大,但几乎与其电极数量无关。     

加速管中离子运动轨迹的计算

 根据静电透镜的聚焦规律,采用微元模型进行积分,导出了加速管中离子的运动轨迹,并根据轨迹特性对加速管的聚焦效应进行了讨论。结果显示,加速管对离子轨迹的聚焦效应受离子入射角和电极粗细的影响很大,但几乎与其电极数量无关。     

X波段加速管加高阶模电场分布的测试

介绍了一种用于测试X波段加速管中高阶模电场分布的笼子式微扰体的研制与标定,该微型拢动体通过专门设计加工的固定装置,在尼龙线表面平行沉积溅射数根金属丝膜制成,利用一标准圆柱腔,对笼子式扰动体的扰动因子进行了定标,证实金属丝笼子式拢动体与同外形尺寸的金属圆筒相比,具有高分辨率、高灵敏度的优点,采用笼子式拢动体测试了一根长30cm的X波段加速管中TM110模的纵向电场分布。     

ELV-8型加速管电子光学性能研究

ELV-8型加速器的加速管分为变梯度加速管段和等梯度加速管段两部分。阴极为六硼化镧平面阴极。电子束的聚焦采用变梯度场聚焦,使电子束成为层流束。电子枪的平面电极使得阴极发射面前的电场均匀,从而使得加速管的电子光学系统对初始条件不过于敏感,这便于电子枪的替换。     

ELV-8型加速管电子光学性能研究

 ELV-8型加速器的加速管分为变梯度加速管段和等梯度加速管段两部分。阴极为六硼化镧平面阴极。电子束的聚焦采用变梯度场聚焦,使电子束成为层流束。电子枪的平面电极使得阴极发射面前的电场均匀,从而使得加速管的电子光学系统对初始条件不过于敏感,这便于电子枪的替换。