应用型电子直线加速器用C波段大功率速调管研究与开发

为满足C波段应用型直线加速器功率源要求,研制了一支C波段大功率速调管。通过对电子枪结构模拟计算并利用正反向组合式聚焦线圈调整过渡区磁场,完成了电子光学系统设计,电子注通过率达到100%,电子注波动率为4.8%。综合应用一维至三维计算程序对注-波互作用段开展参数优化及PIC仿真,最终确定了6个谐振腔的速调管方案。腔体加工冷测调配后焊接形成整管,并开展了高功率测试,在电子注电压为115 kV、电流为79.6 A条件下,馈入频率为5712 MHz、功率为100 W的信号时,该速调管可输出的峰值功率为3.52 MW,增益为45.5 dB,效率为38.5%,达到了预期研制目标。

应用型电子直线加速器用C波段大功率速调管物理设计

为满足C波段直线加速器功率源要求,本文设计了一支C波段大功率速调管。该速调管主要由电子光学系统、注-波互作用段及收集极构成,利用EGUN程序及一维、二维大信号计算程序等对各部分开展迭代优化后,对整管进行模拟仿真计算,最终完成了一支工作频率为5712 MHz、由6个谐振腔组成的大功率速调管物理设计。仿真结果表明,在工作电压120 kV、工作电流83.3 A条件下,输入功率为100 W时,该速调管得到了4.65 MW稳定输出功率,效率达到46.5%,增益达到46.7 dB。

10MeV行波电子直线加速管的调谐与匹配

在电子直线加速管研制过程中,需对机械加工后的加速腔链及耦合器精细地进行微波调谐与匹配,以满足微波传输及加速电场的要求。本文介绍一支10MeV行波电子直线加速管的调配方法与流程,使用活塞探针法调谐均匀加速腔,采用谐振逼近法调谐非均匀加速腔,降低了调谐的复杂度。使用三频率法与移动负载法对耦合器进行了调配,调配结果满足指标要求。

CIAE直线加速器技术的创新发展

加速器是核技术应用的源头技术,是世界上最先进的辐射装置。中国原子能科学研究院(CIAE)开展了中低能电子、质子强流直线加速器技术研究,突破了多能量加速器、高功率加速管、DTL和CCL加速结构、3 MW射频脉冲电源等关键技术,成功研制了具有自主知识产权,型谱化、系列化无损检测和辐照直线加速器,其性能指标达到国际同类产品先进水平。直线加速器技术应用在工业、农业、科研、安全等领域,为我国国民经济的发展发挥了不可替代作用。

C波段6MeV轴耦合驻波加速管的研制

为发展紧凑型电子直线加速器,本文研制了一支C波段轴耦合驻波加速管。该加速管包括3个聚束腔单元和9个均匀加速腔单元,总长度约284 mm。根据射频相位聚焦原理进行了初步物理设计,并对整管腔链进行等效电路分析及仿真优化,从而确定了尺寸参数,最后进行了冷测调配及高功率出束实验。基于该流程研发了C波段驻波加速管,其工作频率为5 713.6 MHz,束流能量可达6 MeV,脉冲流强为84.5 mA。

X波段6 MeV射频直线加速管的研究与开发

本文阐述了一支X波段驻波加速管的研发,通过建立束流孔径内的二维电磁场分布,完成了束流动力学计算和射频结构设计,研究了精加工工艺,提升了加速腔的粗糙度和加工精度,建立了微波调谐平台,采用谐振方法和非谐振微扰方法完成了腔体调谐和整管冷测,钎焊排气后在高功率平台上进行了测试。测试结果表明,电子束能量达到6.1 MeV,通过X射线转换靶后1 m处的剂量率为543 cGy/min,满足指标要求。

电子直线加速器串联谐振充电电源的设计与实现

电子直线加速器一般使用线型脉冲调制器作为脉冲电源。在脉冲调制器充电系统中,使用LC串联谐振充电技术为脉冲形成网络(PFN)充电可提高效率并减小体积,是大功率线型脉冲调制器的发展方向之一。本工作基于串联谐振充电技术的基本原理,设计并制造了1台脉冲调制器样机,结合实测波形和工程应用,提出了改善稳定度的方法。测量结果表明,脉冲调制器样机的设计方案正确,实现了设计指标。

盘荷波导行波电子直线加速结构功率效率的优化

盘荷波导行波结构(TWS)是电子加速器中重要的加速结构,在科学研究和工业生产中得到了较为广泛的应用。在对该加速结构进行设计时,加速结构的功率效率是一重要指标,对工程造价和商业运行的经济性具有重要影响。本文对TWS关键参数指标与功率效率的关系进行了研究,使设计优化TWS的工作快速有效,为TWS的优化设计提供了依据和方向。通过与相关实验结果对照,验证了分析结论的正确性,结果具有一定的工程指导意义。

原子能院电子直线加速器技术的研究与应用

加速器技术作为核技术应用的源头技术之一,推动了核科学技术与应用的发展。中国原子能科学研究院是中国核科学技术的发祥地,在中低能电子直线加速器研究与应用方面进行了持续研究,取得了多项成果,研究开发了具有自主知识产权、型谱化、系列化的无损检测电子直线加速器和电子辐照直线加速器,在工业、农业、安全等领域得到了有效应用,在我国国防建设、国民经济发展中发挥了重要作用。

基于电子直线加速器的空间电子环境地面模拟用电子源设计与实现

空间电子环境地面模拟装置由1台电子直线加速器提供能量1~5 MeV范围内的电子,后续束流传输系统将电子束进行扩束处理。较大的能量范围对加速器的设计与运行条件提出了较高要求。本文主要阐述了该加速器的设计与实现过程,综合考虑了能量开关技术和束流负载效应,通过研究不同条件下的耦合度参数特性确定了加速管耦合度,分析提出了磁控管输出参数并进行了实验研究。加速器实验测试结果表明,电子束能量参数达到指标要求,为模拟装置提供了有效可靠的电子源。

keV/MeV能量可切换加速结构设计与调配

电子直线加速器广泛应用于无损检测及放射治疗领域,能量大范围可调有利于实现物质识别和精准放射治疗。本文介绍一支keV/MeV能量可切换驻波加速管的设计与调配。该加速管采用双周期边耦合结构,工作频率为2998 MHz。经过优化设计,整管由2个聚束腔和5个加速腔构成,通过在边耦合腔中使用能量开关调变加速电场分布,从而实现450 keV、6 MeV两档能量的切换输出。经过精密加工及整管测试调配,实现了高低两档束流能量所需的电场分布可调,验证了设计的合理性。

高能电子单粒子效应模拟实验研究

本文基于2 MeV自屏蔽电子加速器和10 MeV电子直线加速器,开展了电子单粒子效应实验研究,并分析了其机理。在保持入射电子能量不变的情况下,在±20%范围内改变器件的工作电压进行了单粒子翻转实验。实验结果表明:45 nm SRAM(额定工作电压1.5 V)芯片在电子直线加速器产生的高能电子照射下能产生明显的单粒子翻转,单粒子翻转截面随入射电子能量的变化趋势与文献数据相符合;电子引起的单粒子翻转截面随器件工作电压的变化趋势与理论预期一致,即工作电压越小,单粒子翻转临界电荷越小,翻转截面也越高。

地面模拟空间电子环境束流均匀化设计

通过在地面建设装置来模拟空间高能电子环境,能够有效地对航空航天器件在地外空间遭遇电子引起的相关效应进行研究。在模拟装置中,高能电子由电子直线加速器提供,其输出束斑大小为毫米量级,而模拟试验需要大面积且非常均匀的电子辐照环境,所以需要通过一段束流输运线处理,使束流同时满足辐照面积和均匀性要求。本项目的模拟装置空间紧凑,束流输运线短,辐照面积大,利用单一的二维扩束均匀化方案无法实现,因此采用了一种扫描加扩束的方案。根据输运线入口和出口束流参数要求,设计将螺线圈、α-磁铁、扫描磁铁、四极磁铁、聚焦六极磁铁等元件组合使用。通过元件参数匹配和束流校正,使不同能量的电子束在辐照平面处满足辐照面积和均匀度的要求。利用束流跟踪软件仿真计算了0.5 MeV、2.5 MeV和5 MeV束线,束流在不同辐照面积的均匀度均优于90%,满足指标要求。

9MeV电子束与复合靶作用的模拟研究

电子束与复合靶作用发生韧致辐射是一个复杂的过程,为优化产生X射线的品质,需要详细研究不同条件下电子束与复合靶的作用规律,本文从粒子与物质相互作用理论出发,应用蒙特卡罗模拟程序Fluka研究9 MeV加速器X射线转换靶的设计问题。结合9 MeV电子直线加速器转换靶的实际设计参数,设计高、低原子序数不同组合顺序的复合靶,并模拟分析9 MeV电子束与复合靶作用的剂量场分布、能谱分布、角分布以及漏电子情况等,通过对电子束与不同组合顺序复合靶作用研究,给出不同组合顺序与剂量场分布、能谱分布、角分布及漏电子等的关系与规律,并对能谱的硬化效果进一步分析。同时对部分模拟结果进行了实验验证。结果表明,复合靶中不同靶材的组合顺序对产生光子的能谱、电子能量漏率和角分布等都有一定影响,是复合靶设计时需要考虑的因素之一。

边耦合腔直线加速器的冷却结构设计与热分析

采用理论计算与ANSYS仿真相结合的方法,针对一种工作频率为975MHz,平均电场强度为3.7MV/m,加速质子能量范围从80MeV至300MeV的边耦合腔直线加速器的加速腔,进行了散热结构的设计。通过理论计算确定了冷却结构的基本尺寸,然后采用ANSYS进行了热-结构-高频多场耦合仿真。得到了该冷却结构下的频移为-0.427MHz,频移对温度的敏感度为9.93kHz/℃,均处于可控范围内。该设计方法和流程可用于其他类型的谐振腔冷却结构的设计。

2.5MeV行波加速管设计

2.5 MeV废水处理加速器以1.5 MW的速调管为微波功率源,在加速管入口处提供不低于1.3 MW的微波功率,在长约76 cm的行波加速管中将电子束加速到2.5 MeV/5 kW。加速器工作频率为S波段2 856 MHz。文本介绍了加速管的物理设计,采用数值计算方法完成了加速管束流动力学设计,并用PARMELA进行了验证计算,得到了较好的一致性。建立了加速管射频结构模型,完成了加速腔、耦合器的计算和场分布调整,优化后加速管在工作点驻波比为1.01,驻波比小于1.2的带宽约为2 MHz。