（核技術(shù)及應(yīng)用專業(yè)論文）高壓饋入方式對感應(yīng)加速腔性能的影響研究.pdf

高壓饋入方式對感應(yīng)加速腔性能的影響研究 摘要 在目前的感應(yīng)加速腔有兩種典型的脈沖功率饋入方式，一種是徑向饋入方式，種 是軸向饋入方式，本文針對加速腔饋入方式的改變對加速腔性能參數(shù)的影響進(jìn)行了理論 和實(shí)驗(yàn)兩方面的研究。 表征加速腔性能的主要特征參數(shù)有：加速脈沖電壓平頂波動的幅度、橫向耦合阻抗 以及加速腔的絕緣性能等。在加速腔的設(shè)計時，考慮到束流能夠有效的加速、傳輸和聚 焦的問題，加速腔脈沖電壓平頂?shù)牟▌臃茸銐蛐?，以確保較小束流的能散度。加速腔 的橫向耦合阻抗是一個表示帶電粒子束在加速腔內(nèi)運(yùn)動過程中與周圍環(huán)境相互作用強(qiáng) 弱的量，要防止帶電粒子束加速過程中發(fā)生柬流崩潰現(xiàn)象，加速腔的耦合阻抗要足夠小。 為保證加速腔正常工作，加速腔的耐壓性能要比較優(yōu)異。 從研究加速腔輸出電壓平頂?shù)慕嵌瘸霭l(fā)，本文用變壓器模型和傳輸線模型在理論上 分析了兩種饋入方式對加速腔輸出電壓波形的影響，并對分析結(jié)果進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí) 驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩種典型的脈沖功率饋入方式對加速腔腔輸出電壓平頂?shù)挠绊?是沒有明顯的差別的，這與理論分析基本一致。 在加速腔的橫向阻抗方面，建立了采用兩種饋入方式的加速腔的三維模型，利用 m a f i a 程序分別計算了模型的橫向耦合阻抗，比較了這兩種方式對加速腔橫向阻抗的影 響。計算結(jié)果表明，軸向饋入方式的加速腔的橫向阻抗要比徑向饋入方式的腔小。 關(guān)鍵詞：感應(yīng)加速腔，徑向饋入方式，軸向饋入方式，電壓平頂長度，橫向阻抗 高壓饋入方式對感應(yīng)加速腔性能的影響研究 a b s t r a c t t h e r ea r et w oc h o i c e st of e e dp o w e rp u l s ei n t ot h ei n d u c t i o na c c e l e r a t i n gc a v i t y ，o n ei s f e e d i nb ya x i a lm e t h o d ，t h eo t h e ri sf e e d i nb yr a d i a lm e t h o d t h i sp a p e rs t u d yt h ec h a n g e so f t h ei n d u c t i o na c c e l e r a t i n gc a v i t yp a r a m e t e r sb yv a r yp o w e rp u l s ef e e d - i nm e t h o d s t h e r ea r es o m ep a r a m e t e r st od e s c r i b et h ea c c e l e r a t i n gc a v i t y sp e r f o r m a n c e ：t h e a m p l i t u d eo ff l a t - r o o f e dp u l s ev o l t a g ef l u c t u a t e ，t r a n s v e r s ei m p e d a n c ea n d t h ep e r f o r m a n c e o fh i 曲v o l t a g es t a n d o f f b e f o r et h ed e s i g no fi n d u c t i o na c c e l e r a t i n gc a v i t y ，w em u s t c a l c u l a t ei ft h ee l e c t r i cb e a m sc o u l db ea c c e l e r a t e d ，t r a n s m i t t e da n df o c a l i z e de f f i c i e n t l yo r n o t s o ，t h ea m p l i t u d eo ff i a t r o o f e dp u l s ev o l t a g ef l u c t u a t es h o u l db el o we n o u g ht or e d u c e e n e r g ys w e e pm a dt r a n s v e r s eb e a mm o t i o n , w em u s th a v ea na c c e l e r a t i n gc a v i t yw i t hl o w t r a n s v e r s ei m p e d a n c et op r e v e n tb e a mb r e a k u p ，a n dt h ea c c e l e r a t i n gc a v i t ys h o u l dh a v et h e a b i l i t yo f h i 曲v o l t a g es t a n d o f f i nt h i sp a p e r , t h ed i f f e r e n c eb e t w e e np o w e rp u l s ef e e d i nb ya x i a lm e t h o da n db yr a d i a l m e t h o di sa n a l y z e dw i t ht r a n s f o r m e rm o d e la n dt r a n s m i s s i o n l i n em o d e lp r e s e n t s e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w h i c hp r o v et h a ti ti sa l m o s tt h es a m et h a tt h ei n f l u e n c e t ot h ea m p l i t u d e o ff l a t r o o f e dp u l s ev o l t a g ef l u c t u a t eb yt h e s et w om e t h o d s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ti sa c c o r d w i t ht h e o r ya n a l y s e p r e s e n t ss o m er e s u l t so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f c a v i t y3 dm o d e l s t r a n s v e r s ei m p e d a n c e t oc o m p a r et h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e s et w op o w e rp u l s ef e e d i nm o d e l sc a v i t i e s g o ta c o n c l u s i o nt h a t f e e d i nb ya x i a lm e t h o dw i l lr e d u c et h et r a n s v e r s ei m p e d a n c em o r et h a nt h a t f e e d i nb vr a d i a lm e t h o d k e yw o r d s a c c e l e r a t i n gc a v i t y ，a x i a lf e e d - i nm e t h o d ，r a d i a lf e e d - i nm e t h o d ，f l a t r o o f e d l e n g t h ，t r a n s v e r s ei m p e d a n c e 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的 研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其 他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得中國工程物理研究院或其他 教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書使用過的材料。與我一同1 ：作的同志對本研究所做的任何 貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。 學(xué)位論文作者簽名： 王秀 簽字同期：加鄉(xiāng)年多月午日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解并接受中國工程物理研究院研究生部有關(guān)保存、使 用學(xué)位論文的規(guī)定，允許論文被查閱、借閱和送交國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)，同時授 權(quán)中國工程物理研究院研究生部可以將學(xué)位論文全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù) 庫進(jìn)行檢索，可以影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 學(xué)位論文作者簽名： 王鐳 簽字同期：孫手年g 月仟同 導(dǎo)師簽名：彩刁7 簽字日期：刀艫z 月f 巧 高壓饋入方式對感應(yīng)加速腔性能的影響研究 1 1 直線感應(yīng)加速器的發(fā)展 第一章緒論 國外對直線感應(yīng)加速器的研究開始較早，美國l l n l ( l a w r e n c el i v e m o r en a t i o n a l l a b o r a t o r y ) 實(shí)驗(yàn)室于1 9 6 3 年建成了世界上第一臺直線感應(yīng)加速器a s t r o n i ， a s t r o a i 可輸出能量為3 7 m e v 、脈沖流強(qiáng)為3 5 0 a 的電子束流。在1 9 6 8 年研制了束能 量為6 m e v 、脈沖流強(qiáng)為8 0 0 a 的a s t r o n i i 。1 9 7 9 年電子束能量為4 5 m e v 、脈沖流強(qiáng) 為l o k a 的e t a 實(shí)驗(yàn)性加速器調(diào)試成功。1 9 8 2 年用于閃光照相的f i r 問世，能量為1 8 m e v 、 脈沖流強(qiáng)為3 k a 。 我國于1 9 8 3 年開始研制直線感應(yīng)加速器，1 9 8 8 年建成了束能量為1 5 m e v 、流強(qiáng)3 k a 的我國第一臺直線感應(yīng)加速器，1 9 9 3 年建成了1 2 m e v 直線感應(yīng)加速器( 以下簡稱1 2 m e v l i a ) ，2 0 0 3 年建成了“神龍一號”直線感應(yīng)加速器( 以下簡稱“神龍一號”) 。 在加速腔的發(fā)展過程中，最顯著的變化之一莫過于加速腔的功率饋入方式由徑向饋 入方式變?yōu)檩S向饋入方式，對此，人們提出了兩種模型，一種是早期的變壓器模型，另 一種是近期的脈沖形成線模型。在早期建造的電子直線感應(yīng)加速器中，如a s t r o n ，e t a ， a t a ，1 2 m e vl i a 等，加速腔磁芯激勵方式像變壓器一樣，驅(qū)動電流繞磁芯一周，屏蔽金 屬外筒與驅(qū)動中筒間放置絕緣環(huán)，此種方式為徑向饋入方式；而近期建造的直線電子感 應(yīng)加速器，如d a r h t 、a i r i x 。1 、“神龍一號”的加速腔則采用軸向饋入方式，驅(qū)動電流 沿磁芯內(nèi)的軸向園筒流過，在終端是金屬板短路，因此把加速腔看作一根終端短路的磁 性同軸傳輸線。 脈沖功率饋入方式的變化對加速腔的性能產(chǎn)生了多方面的影響。 i 2 感應(yīng)加速腔的性能參數(shù) 為了得到良好的束流品質(zhì)，加速腔要有優(yōu)異的性能。表征加速腔性能的參數(shù)主要有： 加速電壓脈沖平頂波動的幅度，橫向耦合阻抗”1 ，絕緣能力等。脈沖平頂電壓波動的幅 度與功率源以及加速腔的負(fù)載特性有關(guān)，它決定了束流的能散度；橫向阻抗。橫向耦合 阻抗是表征束流受到的周圍結(jié)構(gòu)中的電荷和電流作用于束流的力的參數(shù)，它與加速腔的 結(jié)構(gòu)有關(guān)，橫向耦合阻抗決定了束流崩潰不穩(wěn)定性( b e a m b r e a k u pi n s t a b i l i t y ) ”“7 效應(yīng)的劇烈程度：絕緣能力的設(shè)計要綜合考慮絕緣材料性能和加速腔的結(jié)構(gòu)，使加速腔 在設(shè)計加速電壓下可以穩(wěn)定 ：作不會發(fā)生擊穿現(xiàn)象。 加速腔的性能參數(shù)對電子束流的加速、輸運(yùn)”3 和聚焦”1 的影響是一個綜合的效果，改 高壓饋入方式對感應(yīng)加速腔性能的影響研究 變某一個參數(shù)往往會“牽一發(fā)而動全身”。在設(shè)計加速腔時，考慮到加速電壓平頂波動 的幅度、橫向阻抗、絕緣性能等參數(shù)，需要選擇合適的磁芯面積、束管道半徑、加速間 隙寬度和形狀以及性能優(yōu)異的脈沖饋入方式。 1 3 論文選題的意義 對于直線感應(yīng)加速器，加速腔的性能參數(shù)決定了電子束流是否可以順利加速、傳輸 和聚焦，目前加速腔有兩種典型的功率饋入方式，饋入方式的變化導(dǎo)致加速腔的性能 參數(shù)發(fā)生很多變化。 本文以功率饋入方式對加速腔性能參數(shù)的影響為題目，是因?yàn)椤吧颀堃惶枴迸c1 2 m e v l i a 相比加速腔功率饋入方式的有很大的不同，對于這種差異會對加速腔的性能參數(shù)會 造成何種影響正是我們所關(guān)注的問題。采用徑向功率饋入方式的腔，它的絕緣支撐遠(yuǎn)離 加速間隙，不存在回流顆粒會影響耐壓的問題；但徑向腔在其它性能上是否可以和采用 軸向饋入方式的腔相比擬，這就是我們要回答的問題。如果其它性能不比軸向腔差，采 用徑向腔也可以做為備用的選擇。綜合負(fù)載特性、橫向阻抗和絕緣性能三個方面的因素， 分析優(yōu)化加速腔結(jié)構(gòu)的可能性，為下一臺加速器的感應(yīng)加速腔設(shè)計提供技術(shù)支持是此項(xiàng) 研究的最終目的，因此，論文的選題具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。 1 4 論文的主要研究內(nèi)容以及創(chuàng)新點(diǎn) 本文以脈沖功率饋入方式對加速腔性能參數(shù)的影響為主要研究內(nèi)容。在加速電壓脈 沖平頂波動的幅度方面，分別利用變壓器模型和傳輸線模型在理論上分析了兩種饋入方 式對加速腔輸出電壓波形的影響并對分析結(jié)果進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過實(shí)驗(yàn)測量了采用相 同脈沖功率源的不同饋入方式的加速腔的輸出電壓波形并對輸出電壓波形進(jìn)行了比較； 在加速腔的橫向耦合阻抗方面，建立了采用兩種饋入方式的加速腔三維模型，利用m a f i a 程序的e 模塊分別計算了這兩個模型的橫向耦合阻抗，比較了這兩種方式對加速腔橫向 阻抗的影響。其創(chuàng)新點(diǎn)如下： 1 ) 首次利用分布參數(shù)分析模擬了采用兩種功率饋入方式的加速腔的感生電壓波形。 2 ) 首次通過同一個脈沖功率源對采用不同饋入方式加速腔饋入電壓脈沖，排除了功率 系統(tǒng)的影響，得到了的不同饋入方式加速腔電壓波形，提高了我們對不同饋入方式對加 速腔感生電壓波形產(chǎn)生的影響的認(rèn)識。 高壓饋入方式對感應(yīng)加速腔性能的影響研究 第二章感應(yīng)加速器原理及常用脈沖功率饋入方式 2 1 感應(yīng)加速器工作原理 感應(yīng)加速器的加速腔可以看作由磁感應(yīng)原理制成的1 ：1 的單匝變壓器“”( 如圖2 1 ) 。 初級為脈沖功率饋入點(diǎn)繞過鐵氧體磁芯到地電位的一匝，電子束流未通過加速間隙時次 級時開路的，當(dāng)有電子束流通過時次級為通過加速間隙的束流。脈沖功率源饋入脈沖電 壓到感應(yīng)加速腔時，由變壓器模型得知，變壓器次級的其它部分被短接，只在加速間隙 處產(chǎn)生感生電場，用此電場加速粒子，可以得到功率很大的粒子束流。 圖2 1 感應(yīng)加速腔工作原理 根據(jù)電磁感應(yīng)原理，隨時間變化的磁感應(yīng)強(qiáng)度b 會感生出渦旋電場： v e ：一堡 功 ( 2 一1 ) 由圖2 1 ，我們可以得到次級間隙電壓即加速電壓為： u 。= 匝，e d l f ( ) d s ( 2 - 2 ) 其中線積分沿次級回路進(jìn)行，為其長度，面積分沿整個磁芯截面s 進(jìn)行。勵磁脈沖結(jié) 束前或磁芯飽和前，u 。始終保持加速電壓。若t 時刻磁芯飽和，d b d t 在整個磁芯截面s 上是均勻的，則： u c f = s _ a b ( 2 3 ) ( 2 3 ) 式右邊表示加速電壓產(chǎn)生過程中磁芯中磁通量的變化量，是磁芯使用多少和性 高壓饋入方式對感應(yīng)加速腔性能的影響研究 能的量度。( 23 ) 式左邊u 。是腔體的產(chǎn)生的電壓，單位為伏，t 是該電壓最大幅度一半 處的寬度( f w h m ) ，單位為秒。因而，常用“伏秒數(shù)”詞來說明腔中鐵氧體大環(huán)的用量 和性能( 主要指a b 的大小) ，同時也表示加速腔產(chǎn)生一定寬度的加速電壓脈沖的能力。 直線感應(yīng)加速器和電子感應(yīng)加速器都是利用這種原理進(jìn)行工作的。不同之處在于， 電子感應(yīng)加速器采用軸對稱磁場，感應(yīng)電場的形狀是閉合圓環(huán)，電子在該電場中被連續(xù) 加速多圈，相對勵磁線圈而言，電子束相當(dāng)一個升壓變壓器的多匝次級繞組。而在直線 感應(yīng)加速器的加速腔中，單匝勵磁線圈在磁芯中產(chǎn)生一隨時問變化的磁感應(yīng)強(qiáng)度b ，在 未閉合單匝次級繞組兩端產(chǎn)生感應(yīng)電場e ，穿過該間隙的粒子束閉合次級繞組并被加速。 除了變壓器模型，有人對近期建造的加速器提出同軸傳輸線結(jié)構(gòu)模型“：該模型把 感應(yīng)加速腔看成一個彎曲的同軸傳輸線，內(nèi)導(dǎo)體中空，末端短路( 圖2 2 ) 。加速腔等效 為一個同軸傳輸線，外導(dǎo)體和中心導(dǎo)體上各開一個孔供束流通過，兩孔間構(gòu)成一個加速 間隙。加速電壓脈沖u 。自傳輸線側(cè)面饋入到中心導(dǎo)體時，間隙上便出現(xiàn)加速電壓，當(dāng)饋 入電壓脈沖時間足夠長時，該電壓一直持續(xù)到來自短路端的反射電壓到達(dá)加速間隙并抵 消原來的電壓時為止。如果傳輸線的長度為l ，便得到幅度為u 。、時間寬度為： t o 。= 2 l o ( 2 - 4 ) 的加速脈沖( u 為傳輸線中的電磁波速度) 。 間隙 短路 圖2 2 加速腔的同軸線模型 在同軸傳輸線中加入高磁導(dǎo)率，或高介電常數(shù)s ，的材料以降低電磁波的傳輸速 度，從而可以得到時間足夠長的加速電壓。 感應(yīng)加速腔串接起來如圖2 3 ，電子束流依次通過每個加速腔，電子的能量逐步升 高到設(shè)計值，便成為一臺直線感應(yīng)加速器。 4 高壓饋入方式對感應(yīng)加速腔性能的影響研究 i t l 1 t d t m n l “- i o n t 2 2 脈沖功率系統(tǒng)介紹 圖2 3直線感應(yīng)加速器結(jié)構(gòu) m | g n e t i c f l u xd e n s i t yb 感應(yīng)加速器的脈沖功率源由m a r x 發(fā)生器和b l u m l e i n 脈沖形成線組成，脈沖電壓產(chǎn) 生流程如圖2 4 所示。在脈沖功率源對加速腔放電時，首先直流電源對m a r x 發(fā)生器充 電，當(dāng)充電到設(shè)計電壓時，觸發(fā)系統(tǒng)輸出兩路觸發(fā)信號，一路觸發(fā)m a r x 發(fā)生器，使m a r x 發(fā)生器動作對b l u m l e i n 脈沖形成線充電( 充電波形如圖2 5 所示) ；另一路信號經(jīng)過適 當(dāng)延時在b l u m l e i n 脈沖形成線充電到最高電壓時觸發(fā)b l u m l e i n 脈沖形成線主開關(guān)， b 1 u r o l e i n 脈沖形成線對感應(yīng)加速腔放電。 黼燃繳豢器 + 8 ：“# * “”一 一一一一一t 。翮遮腔 圖2 4 脈沖功率系統(tǒng)示意圖 。莓 高壓饋入方式對感應(yīng)加速腔性能的影響研究 圖2 5m a r x 發(fā)生器和b l u m l e i n 脈沖形成線的輸出波形 圖中1 通道為電壓增強(qiáng)器的輸出脈沖信號它分為兩路一路觸發(fā)m a r x 發(fā)生器，另一路 經(jīng)延時觸發(fā)b l u m l e i n 脈沖形成線( 事實(shí)上，此信號經(jīng)過延時后觸發(fā)發(fā)散裝置，發(fā)散裝 置再觸發(fā)b l u m l e i n 脈沖形成線，從而達(dá)到銳化加速腔電壓前沿的目的) ，2 通道為m a r x 發(fā)生器波形，3 、4 通道為b l u m l e i n 脈沖形成線的主開關(guān)的觸發(fā)極和主電極信號。 2 3 常用脈沖功率饋入方式 感應(yīng)加速腔常用的功率饋入方式有兩種：徑向饋入方式和軸向饋入方式，其結(jié)構(gòu)示 意圖如圖2 6 。早期建造的電子直線感應(yīng)加速器，均采用徑向饋入方式，而近期建造的 直線電子感應(yīng)加速器，則采用軸向饋入方式。 ( a ) 徑向饋人方式( b ) 軸向饋入方式 2 6 兩種加速結(jié)構(gòu)示意圖 高壓饋入方式對感應(yīng)加速腔性能的影響研究 脈沖功率饋入方式的變化引起加速腔的性能變化主要有以下幾點(diǎn)： 1 ) 對加速腔的負(fù)載特性造成影響。在功率源為理想方波的情況下，如果加速腔可以 等效為一個純阻性負(fù)載，加速腔感生加速電壓也會是一個理想方波，加速電壓平頂將沒 有幅度的變化；如果加速腔為電感性的負(fù)載，加速腔感生加速電壓的平頂將會隨時間指 數(shù)下降，電壓下降的幅度與等效電路的各個參數(shù)有關(guān)。由于加速電壓平頂?shù)暮脡挠绊懥?束流的能散度，能散度減小會抑制束流的c o r k s c r e w 運(yùn)動“，從而減小束流傳輸?shù)碾y度。 饋入方式的變化會對加速腔電壓造成何種影響是我們關(guān)注的問題，本文將在第三章對其 影響進(jìn)行具體的分析研究。 2 ) 對加速腔的橫向耦合阻抗造成影響。橫向耦合阻抗是表征束流受到的周圍結(jié)構(gòu)中 的電荷和電流作用于束流的力的參數(shù)，此作用力正是導(dǎo)致發(fā)生束流崩潰不穩(wěn)定性的原 因。橫向阻抗小，對束流的穩(wěn)定傳輸有好處。加速間隙寬度和形狀都會對橫向阻抗的大 小造成影響?！?。加速腔功率饋入方式的變化必然會導(dǎo)致加速腔的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，此種結(jié) 構(gòu)的變化對加速腔的橫向耦合阻抗會有何種影響，本文將在第五章對此種結(jié)構(gòu)的變化引 起的橫向阻抗變化進(jìn)行數(shù)值模擬分析。 3 ) 對加速腔的絕緣性能造成影響“。由于功率饋入方式發(fā)生變化，加速腔的結(jié)構(gòu)和 絕緣方式發(fā)生變化，對于軸向饋八方式的加速腔的絕緣支撐位于加速間隙，而徑向饋入 方式的加速腔絕緣支撐位于外筒和中簡之間。在“神龍一號”的調(diào)試過程中出現(xiàn)了加速 間隙擊穿的現(xiàn)象，排除了脈沖功率系統(tǒng)的原因后，發(fā)現(xiàn)是絕緣支撐上吸附的金屬顆粒造 成局部高場強(qiáng)引起擊穿。徑向饋入方式的加速腔的絕緣支撐遠(yuǎn)離加速間隙，即使有【回流 顆粒到達(dá)加速間隙，回流顆粒也不會吸附到絕緣支撐上。因此，考慮的回流顆粒的因素， 徑向饋入方式的加速腔的絕緣性能要優(yōu)于軸向饋入方式的加速腔。 綜合上述對加速腔性能的因素的影響，采用合適的功率饋入方式是加速腔的設(shè)計中 要考慮的問題。 高壓饋入方式對感應(yīng)加速腔性能的影響研究 第三章加速腔功率饋入方式對腔電壓波形的影響 為了使電子束流加速到設(shè)計能量并可以有效地傳輸和聚焦，加速腔的加速電壓平項(xiàng) 的波動幅度要控制在一定程度內(nèi)。哪種功率饋入方式更有利于使加速腔的加速電壓平頂 波動幅度更小是我們所關(guān)注的問題?！吧颀堃惶枴奔铀偾皇堑湫偷牟捎幂S向功率饋入方 式的加速腔“，而1 2 m e vl i a 加速腔是典型的采用徑向功率饋入方式的加速腔“，本章 通過分析比較“神龍一號”加速腔和1 2 m e v l i a 加速腔加速電壓的波形來分析不同饋入 方式的加速腔對感生電壓波形的影響。 3 1 理論分析及數(shù)值模擬 3 1 1 理論分析不同饋入方式對感生電壓平頂?shù)挠绊?對于感應(yīng)加速腔目前有兩種解釋的模型，一種為變壓器模型，另一種為傳輸線模型。 我們分別用這兩種模型分析不同功率饋入方式的加速腔對感生電壓平頂?shù)挠绊憽?3 1 1 1 變壓器模型分析 變壓器模型通常用來分析徑向饋入方式加速腔的加速電壓波形，同時此種模型也可 以用來分析軸向饋入方式加速腔。 采用變壓器模型分析，加速腔可以認(rèn)為是單匝線圈，對于單匝的線圈，電感可以表 示為： 三：箜 ( 3 一1 ) 其中為線圈內(nèi)介質(zhì)磁導(dǎo)率，s 為線圈面積，為等效長度。 k 等2 器2 籌i n 等 。， ，為線圈的長度，、分別為線圈的內(nèi)外徑。 加速腔磁芯的物理尺寸參數(shù)如下：“神龍一號”加速腔的磁芯外徑5 0 8 m m ，內(nèi)徑2 3 7 m m ， 厚度2 5 4 m m ，內(nèi)有1 1 塊，而1 2 m e vl i a 加速腔的磁芯外徑5 0 8 m m ，內(nèi)徑2 5 0 m m ，厚度 2 5 m m ，內(nèi)有1 4 塊，在實(shí)驗(yàn)過程中取出i 塊剩余1 1 塊，以做到磁芯面積基本相同。利用 3 - 2 式，代入加速腔磁芯的相關(guān)參數(shù)，相對磁導(dǎo)率，取4 0 0 ，得到“神龍一號”加速腔 和1 2 m e vl i a 加速腔的等效集總電感分別為：1 7 0 uh 、1 5 6 “h 。 高壓饋入方式對感應(yīng)加速腔性能的影響研究 把加速腔看作一個電感，它的等效電路如圖3 1 r ， 圖3 1 變壓器模型等效電路 加速腔輸出電壓與功率源電壓的關(guān)系可以用下面方程來表示： u ：工墮( 3 3 ) 講 u = 之恐 ( 3 4 ) = u + ( t + f 2 ) 置 ( 3 - 5 ) 初始條件為： u = 志 ( 3 - 6 ) 其中，u 為加速腔感生電壓( 即等效電感兩端電壓) ，u o 為功率源電壓，三為等效電感， 墨功率源內(nèi)阻，r ：為匹配負(fù)載，t 為通過電阻是的電流，t 為通過加速腔的電流，令 r = l 葡( r i + - r 2 ) ，則方程組( 3 3 ) 、( 3 4 ) 、( 3 5 ) 的解為： 【，= 擊 ( 3 - 7 ) 由此公式可知，由于電感的存在，腔的感生電壓在平頂階段是指數(shù)下降的。 對( 3 6 ) 式取級數(shù)，由于電壓平頂降落很小，因此只保留級數(shù)前兩項(xiàng)得到： 礦“蕞”r 鬲r ! 麗r 2 ) 電壓的相對變化為： 一a u ：，墨墨 ( 3 8 ) u ( r + 心) 把磁芯的等效電感代入公式( 3 8 ) ，分別取足、足為2 4 q 、2 6 q ，可以得到如下 結(jié)果：“神龍一號”加速腔1 電壓平頂時間為2 9 8 n s ，1 2 m e vl i a 加速腔1 電壓平 頂時間為2 7 4 n s ，這與真實(shí)加速腔褥到的加速電壓有較大的區(qū)別。 我們利用p s p i c e 軟件模擬變壓器模型的加速腔輸出電壓，得到如圖3 2 的結(jié)果，模 擬時采用的電壓源為前沿2 0 n s ，后沿3 0 n s ，平頂l o o n s 的梯形波電壓源，源的內(nèi)阻2 4 q ， 鎮(zhèn)流電阻2 6 q ，得到的模擬結(jié)果為“神龍一號”加速腔的1 電壓平頂2 7 8 n s ，1 2 m e v 高壓饋入方式對感應(yīng)加速腔性能的影響研究 l i a 加速腔1 電壓平頂為2 5 6 n s 。 ( a ) “神龍一號”加速腔電感模型模擬結(jié)果 ( b ) 1 2 m e vl i a 加速腔電感模型模擬結(jié)果 圖3 2p s p i c e 模擬電感模型的電壓 高壓饋入方式對感應(yīng)加速腔性能的影響研究 3 1 1 2 傳輸線模型分析 一般來說，當(dāng)傳輸線的長度與其中傳播的電磁波的波長可相比擬時，就需要研究傳 輸線上的波動過程“。 對于直線感應(yīng)加速器，典型的加速腔感應(yīng)電壓波形如下圖： 1 口 1 2 墨 。3 4 。5 6 7 10 015 0 2 0 025 03 0 0 時問( n s ) 圖3 3 典型的加速腔感應(yīng)電壓波形 由經(jīng)驗(yàn)公式3 一l o ，以前沿2 0 n s ，后沿3 2 n s 計算得到對應(yīng)的頻率： ，：墮( 3 9 ) 。t ， 其中f ，為前后沿時間，得到前后沿對應(yīng)的頻率分別為：1 7 5 m h z ，1 0 9 m h z 。 對此典型的加速腔感生電壓進(jìn)行傅立葉變換，得到電壓波形的頻譜如圖3 4 。從頻 譜圖中我們可以得到：第一個峰值的頻率為1 1 7 m h z ，對應(yīng)后沿的頻率，第二個峰值的 頻率為1 9 5 m h z ，對應(yīng)于前沿的頻率，與經(jīng)驗(yàn)公式計算得到的頻率接近。 電磁波的波長為： 五：一 ( 3 - 1 0 ) 遺吐? i 其中c 為光速，、s ，分別為相對磁導(dǎo)率和相對介電常數(shù)。對鐵氧體，、，分別取 值4 0 0 和8 ( 事實(shí)上磁芯的，、 f i r 是變化的) ，得到前沿的波長為0 2 7 2 m 。而加速腔內(nèi) 高壓饋入方式對感應(yīng)加速腔性能的影響研究 的磁芯長度為o 2 7 5 m 。可以看到，加速腔電壓的波長與傳輸線長度可比擬，在精細(xì)的計 算分析中，用傳輸線上的波動過程來分析。傳輸線的波動方程可由分布參數(shù)電路概念導(dǎo) 出，傳輸線上任一點(diǎn)電壓可以看作入射波和反射波的疊加，電流可以看作入射波和反射 波相減。 fr e q ue n c y ( g h z ) 圖3 4 典型的加速腔感應(yīng)電壓波形的頻譜 對于均勻的同軸傳輸線，不考慮介質(zhì)材料的損耗，其分布參數(shù)可以表示為：“9 r 1 2 a - 6 h 一場 ，一“l(fā) n ( b a a ) 一 2 石 互= 壓= 擺訾 ( 31 1 ) 其中c o 為分布電容，厶為分布電感，乏為特性阻抗，占、分別為介電常數(shù)和磁導(dǎo) 率，a 、b 分別為傳輸線的內(nèi)外導(dǎo)體半徑。 對于“神龍一號”加速腔結(jié)構(gòu)如圖3 5 ，不考慮加速間隙處的分布參數(shù)，可以等效 為一個均勻傳輸線，傳輸線內(nèi)的介質(zhì)為鐵氧體材料，# ，、t ，分別取值8 和4 0 0 ，外徑 5 0 8 r a m ，內(nèi)徑2 3 7 m m ，長度為2 7 9 4 m m ( 忽略鐵氧體之間的間隙，只計鐵氧體的厚度) ， 得到此傳輸線的分布參數(shù)。 鏟耢。5 7 8 8 刪” 浯 l：竺竺!么!：61oo“h。o 2 高壓饋入方式對感應(yīng)加速腔性能的影響研究 圖3 5 “神龍一號”加速腔結(jié)構(gòu)示意圖 在此模型中，我們采取了很多的近似，把加速腔看作理想的傳輸線，忽略了驅(qū)動桿附近 的結(jié)構(gòu)以及加速間隙和鐵氧體磁芯與腔壁之間的空隙。 采用以上分布參數(shù)，我們利用p s p i c e 模擬了加速腔的電壓電流波形。由于分布參數(shù) 是連續(xù)的，我們在分析過程中截取每厘米一段，得到如圖3 6 的等效電路，模擬采用的 電壓源為前沿2 0 n s ，后沿3 0 n s ，平頂l o o n s 的梯形波電壓源，為了與加速腔上的功率 系統(tǒng)內(nèi)阻和鎮(zhèn)流電阻相近似，我們在電壓源處串連了一個2 4 q 的電阻，在傳輸線回路 前并聯(lián)了一個2 6q 電阻。通過p s p i c e 的模擬得到加速腔等效的傳輸線的電壓電流結(jié)果 ( 如圖3 7 、3 8 ) 。 圖3 6 傳輸線模型分析“神龍一號”加速腔的等效電路圖 通過對結(jié)果進(jìn)行分析處理，我們得到“神龍一號”加速腔輸出電壓的1 平頂為8 1 n s 。 褰 高壓饋八方式對感應(yīng)加速腔性能的影響研究 圖3 7p s p i c e 模擬得到“神龍一號”加速腔的電壓波形 圖3 8p s p i c e 模擬得到“神龍一號”加速腔的電流波形 對于1 2 m e vl i a ，加速腔結(jié)構(gòu)如圖3 9 ，加速腔在饋入端可認(rèn)為是真空介質(zhì)同軸傳 輸線，同軸傳輸線的外導(dǎo)體是加速腔的外壁，它的外徑7 5 0 m m ，內(nèi)導(dǎo)體是鐵磁室的外壁， 內(nèi)徑5 3 8 m m ，長度認(rèn)為2 7 0 m m ( 考慮到饋入端占有一定面積，此長度是約數(shù)) ，此傳輸線 的分布參數(shù)： 1 4 高壓饋入方式對感應(yīng)加速腔性能的影響研究 c o ：鬻：1 6 7 ，6 p f 聊 一場一聊 竺：竺! ! ! 絲： 2 z 6 6 4 2 n h 川 圖3 9 1 2 m e vl i a 加速腔結(jié)構(gòu) ( 3 一1 3 ) 在脈沖到達(dá)加速間隙后又經(jīng)過內(nèi)筒，內(nèi)簡與加速腔外桶可以等效為一個雙層介質(zhì)傳輸 線，傳輸線內(nèi)層的介質(zhì)為鐵氧體材料，s ，、，分別取值8 和4 0 0 ，外層介質(zhì)為真空，由 于內(nèi)層介質(zhì)的s ，、以遠(yuǎn)大于外層介質(zhì)，因此可以忽略外層介質(zhì)，把此傳輸線等效為外 徑5 0 8 m m ，內(nèi)徑2 5 0 m m ，長度為2 7 5 m m ，介質(zhì)為鐵氧體材料的均勻介質(zhì)傳輸線，得到此傳 輸線的分布參數(shù)： c 0 - 鬻“2 2 - 4 州塒 7 口。 ( 3 - 1 4 ) k一-guo l n ( a a ) 5 6 。7 3 蟹hfml n 一一j u | j “n m。 2 z 。 加速腔可以等效為上述兩個傳輸線串連的回路。同樣，這里對加速腔做了許多近似， 由于磁芯的s 。、，值很大，做此種近似是可行的。 我們用p s p i c e 模擬腔上的電壓電流波形。同樣，傳輸線取每一厘米一段，功率源采 用真實(shí)的脈沖功率源比較接近的電壓源，前沿2 0 n s ，后沿3 0 n s ，平頂1 0 0 n s 的梯形波， 源的內(nèi)阻2 4 0 ，鎮(zhèn)流電阻2 6 q ，得到圖3 1 0 的電路，通過p s p i c e 的模擬得到如圖3 1 1 、 3 1 2 的電壓和電流波形。 通過對電壓波形的分析處理，可以得到1 2 m e vl i a 加速腔輸出電壓的1 平頂為 7 7 n s 。 高壓饋入方式對感應(yīng)加速腔性能的影響研究 圖3 i 0 傳輸線模型分析1 2 m e vl i a 加速腔的等效電路圖 圖3 1 ip s p i c e 模擬1 2 m e vl i a 加速腔的電壓波形 高壓饋入方式對感應(yīng)加速腔性能的影晌研究 ( b ) 電流波形 圖3 1 2p s p i c e 模擬1 2 m e vl i a 加速腔的電流波形 通過數(shù)值模擬我們看到，相對于“神龍一號”加速腔的電流波形，12 m e vl i a 加速 腔的電流波形在前沿有小幅度的下沖。 由于真實(shí)的加速腔可以得到超過6 0 n s 的1 電壓平頂“，與用變壓器模型的分析 結(jié)果有較大差異，因此變壓器模型只可以用來進(jìn)行粗略的原理分析，精細(xì)的計算需要把 加速腔等效為分布參數(shù)進(jìn)行計算。采用傳輸線模型來分析，我們發(fā)現(xiàn)兩種結(jié)構(gòu)的加速腔 的負(fù)載特性差異很小，都可以達(dá)到在一段時間內(nèi)有1 平頂?shù)囊?。采用傳輸線模型分 析比用變壓器模型的分析更符合實(shí)際結(jié)果。 3 2 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)結(jié)果 利用現(xiàn)有儀器和實(shí)驗(yàn)平臺，我們設(shè)計了如下實(shí)驗(yàn)：采用一b 二c 方式，即用同一個 b l u m l e i n 脈沖形成線對上述兩個加速腔放電，用相同的功率源饋入采用不同饋入方式的 加速腔，仔細(xì)測量了加速腔的輸出波形，并對兩種波形進(jìn)行了分析比較。 3 2 1 實(shí)驗(yàn)裝置 在實(shí)驗(yàn)過程中，采用m a r x 高壓發(fā)生器對水介質(zhì)b l u m l e i n 線充電，當(dāng)充電接近峰值 高壓饋入方式對感應(yīng)加速腔性能的影響研究 電壓時，b l u m l e i n 線的主開關(guān)受觸發(fā)導(dǎo)通，b l u m l e i n 線形成類似方波的高壓脈沖，經(jīng) 高壓饋送電纜饋入感應(yīng)加速腔。如圖3 1 3 ，實(shí)驗(yàn)所用的加速腔一個為“神龍一號”加速 腔，另一個為1 2 m e vl i a 加速腔，可以看到兩種加速腔的物理尺寸相差很大。 圖3 1 3 實(shí)驗(yàn)所用加速腔 ( 左側(cè)小的加速腔為“神龍一號”加速腔，右側(cè)為兩個1 2 m e vl i a 加速腔) 本實(shí)驗(yàn)使用的“神龍一號”加速腔有1 1 塊鐵氧體，1 2 m e vl i a 加速腔本來裝有1 4 塊，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時取出1 2 m e vl i a 加速腔內(nèi)的3 塊，以達(dá)到相近的磁芯長度和面積，排 除了鐵氧體差異的影響。 實(shí)驗(yàn)過程中，測試電纜采用長5 0 m 的7 5 q 電纜，一級分壓器采用水電阻分壓器，二 級分壓器采用無感電阻分壓器。由于電容分壓器輸出波形會產(chǎn)生畸變，其結(jié)果不能精確 的顯示真實(shí)腔電壓波形，故沒有選擇電容分壓器啪1 。 為了排除測試系統(tǒng)的影響，確定測試系統(tǒng)的誤差，我們標(biāo)定一級水電阻分壓器和二 級無感電阻分壓，并通過實(shí)驗(yàn)證明電壓信號經(jīng)過測試電纜后沒有明顯的畸變。 分壓器的標(biāo)定電路如圖3 1 4 ： 高壓饋入方式對感應(yīng)加速腔性能的影響研究 1 0 0 倍衰減頭 分壓盒 圖3 1 4 一級分壓器標(biāo)定電路示意圖 a ) 一級分壓器的標(biāo)定 結(jié)果如下： 表3 1 “神龍一號”加速腔1 號一級分壓器標(biāo)定 l 源信號( v ) 5 1 45 0 65 1 05 0 65 1 4 1 分壓盒( v ) 1 3 01 2 61 2 81 2 51 2 9 1 分壓比 2 6 3 62 6 7 7 2 6 5 6 2 6 9 9 2 6 5 6 分壓比平均值：2 6 6 4 。 表3 2 “神龍一號”加速腔2 號一級分壓器標(biāo)定 i 源信號( v )5 0 0 5 0 04 9 05 0 24 9 0 1 分壓盒( v )1 2 5 1 2 51 2 51 2 61 2 2 1 分壓比 2 6 6 72 6 6 72 6 l _ 3 2 6 5 6 2 6 7 8 分壓比平均值：2 6 5 6 。 表3 3 1 2 m e vl i a 加速腔一級分壓器標(biāo)定 l 源信號( v )5 1 0 5 1 05 0 85 0 65 1 0 1 分壓盒( v ) 1 5 3 1 5 3 1 5 3 1 5 0 1 5 3 1 分壓比 2 2 2 22 2 2 22 2 1 42 2 4 92 2 2 2 分壓比平均值：2 2 2 6 。 “神龍一號”加速腔有兩個測試點(diǎn)，1 2 m e vl i a 加速腔由于結(jié)果的不同，只有一個 測試點(diǎn)，另一個補(bǔ)償水電阻位于加速腔的下端，不便于加裝分壓器。 分壓器波形如圖3 1 5 ： 高壓饋入方式對感應(yīng)加速腔性能的影響研究 圖3 1 5 一級分壓器標(biāo)定結(jié)果 一級分壓器標(biāo)定結(jié)果4 為分壓器輸出波形( 上圖) ，1 為源波形( 下圖) 由于電纜與 負(fù)載不匹配，源的信號有振蕩的存在，因此這里只提供一個圖形作為參考。 b ) 二級分壓器的標(biāo)定 標(biāo)定電路與一級分壓器類似，二級分壓器的標(biāo)定結(jié)果如圖3 1 6 。由于二級分壓器的 每個通道輸出波形對輸入波形的還原都非常好，所以認(rèn)為二級分壓器對波形的影響可以 忽略不計。 分壓比的標(biāo)定結(jié)果如表3 4 ： 表3 4 二級分壓器標(biāo)定結(jié)果 f 源信號( m v ) 1 9 41 9 41 9 41 9 41 9 4 1 分壓盒( v )6 6 06 6 06 4 86 5 66 4 4 f 分壓比 2 0 0 42 0 0 42 0 4 12 0 1 62 0 5 4 二級分壓器的分壓比為：2 0 2 4 。 高壓饋入方式對感應(yīng)加速腔性能的影響研究 c h z o o m ： o s xv e r t2 0 xh o r z ：! ： t 。：；+ = | ：，：_ 【 j ， o i i ，。，? 一1 i h 。： ，? j 愁_ 譽(yù)狂_ i 圖3 1 6 二級分壓器標(biāo)定結(jié)果 c ) 標(biāo)定測試電纜 為了排除測試電纜的影響，我們比較了2 m 電纜和5 0 m 電纜的輸出波形的不同，結(jié)果 如圖3 1 7 。 莨 r ，_ _ 飛_ n ： 十h 。 一“ h 一- - 扣h ，+ ，于嶧t 亭：甚：j ：掣= 土 - ip翟二l 二l、 i ， 。 7 。i 1。、_ ”二 _ p ，、 圖3 1 7 測試電纜標(biāo)定結(jié)果 圖中4 為源信號經(jīng)過一級分壓器通過5 0 m 電纜得到的輸出波形，l 為源信號波形， r e f 為一級分壓通過2 m 電纜得到的輸出波形，可以看到5 0 m 電纜對輸出波形的平頂影響 不大。具體對前沿的影響如下表： 表3 55 0 米傳輸電纜對脈沖前沿的影響 脈沖源的前沿( n s ) 1 7 71 7 31 9 61 7 51 8 2 經(jīng)過電纜后得到的波形前沿( f t s ) 1 8 31 6 ，32 2 41 7 9 1 8 8 2 高壓饋入方式對感應(yīng)加速腔性能的影響研究 通過此表也可以看出，在前沿為2 0 n s 以下傳輸電纜對輸出波形的前沿影響不大。 3 ，2 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 在排除影響對比分析的因素之后，我們在實(shí)驗(yàn)過程中得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 1 8 。 圖3 1 8 “神龍一號”加速腔和1 2 m e vl i a 加速腔電壓波形 其中1 ，2 通道為“神龍一號”加速腔波形，3 通道為1 2 m e vl i a 加速腔波形。 多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近，實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性很好如圖3 1 9 是多次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果： 圖3 1 9 多次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 匹配水電阻經(jīng)過一段時間后電阻阻值會發(fā)生變化，因而饋入脈沖電壓在此處會發(fā)生 高壓饋入方式對感應(yīng)加速腔性能的影響研究 反射，導(dǎo)致兩種加速腔得到的腔電壓并不完全相同，因此這里不再列出加速腔電壓幅度。 在對電壓進(jìn)行歸一化后得到如下圖3 2 0 的結(jié)果。 筵 毒 1 里 1 2 m e vl i a 加速腔 一“神龍一號”加速腔 ；， i j 一二j ；j 擴(kuò) 皤 4 e | | | 05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 0 時間( n s ) 圖3 2 0 歸一化電壓波形 對加速腔輸出電壓波形進(jìn)行測量得到：“神龍一號”加速腔的前沿為2 2 n s ，1 平 頂6 1 n s ，1 2 m e vl i a 加速腔的前沿為2 1 n s ，1 平頂6 2 n s 。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們可以看 到，兩種腔輸出電壓的1 平頂相差l n s 和前沿相差l n s ，可以認(rèn)為差別很小在測量誤 差范圍內(nèi)。兩種加速腔都可以滿足我們對加速電壓1 平頂?shù)囊蟆Ｍ瑫r，我們可以看 到1 2 b t e vl i a 加速腔的波形在前沿稍稍有些下沖，但對加速腔電壓波形的平頂影響很小， 比較符合傳輸線模型的分析。 通過使用相同的功率源，面積接近的磁芯，并對測試系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，我們排除了會 干擾對分析兩種脈沖功率饋入方式對加速腔電壓波形的影響的因素?？梢哉J(rèn)為，我們對 “神龍一號”加速腔和1 2 b l e vl i a 加速腔的電壓測量結(jié)果代表了兩種脈沖功率饋入方式 的加速腔輸出電壓的結(jié)果。因此從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到如下結(jié)論：采用軸向饋入方式的加 速腔與采用徑向饋入方式的加速腔相比，加速腔感生電壓的波形是沒有本質(zhì)差異的，此 兩種加速腔都可以滿足對脈沖電壓平頂?shù)囊蟆?2 0 2 4 6 8 o 2 0 0 0 0 o 0 1 1 高壓饋入方式對感應(yīng)加速腔性能的影響研究 第四章加速腔橫向阻抗的理論分析 4 1 直線加速器中的束流崩潰不穩(wěn)定性現(xiàn)象介紹 束流崩潰不穩(wěn)定性( b e a mb r e a k u pi n s t a b i l i t i e s ) 最早是于1 9 5 7 年在英國哈威爾原 子能研究所發(fā)現(xiàn)的，稍后，在美國一些商用的短的直線加速器h 也觀察到了這種現(xiàn)象。 但在當(dāng)時并沒有得到確認(rèn)，因?yàn)檩斶\(yùn)的束流很小，這種不穩(wěn)定性對加速器運(yùn)行并沒有造 成太大影響1 。 直到六十年代中期，在一些長的加速器上，這種現(xiàn)象才被確認(rèn)，并得到初步的理解。 比如，d e s y 的直線注入器，k h a r k o v 的2 g e v 直線加速器和s l a c 的2 英里直線加速器”1 。 盡管各種直線加速器束流崩潰的機(jī)制不同，但表現(xiàn)出的基本物理現(xiàn)象是一致的，如 圖4 1 所示。沿著加速器在某個給定距離，只要束流強(qiáng)度超過一定值，就會觀察到束流 脈寬縮短的現(xiàn)象，而且距離越遠(yuǎn)，閩值越低。 l 一! 1 io ：， ： ；、i i 石 i 。k i i , ) 1 0 r ；r ：、二 i 召1 1 2 ，i ； p5 唪 卜叫 j 圖4 1 在s l a c 的加速器上，束流越強(qiáng)，束流脈沖越短 圖中，流強(qiáng)