粒子加速器中RFQ加速結(jié)構(gòu)的多物理場(chǎng)耦合研究.pdf

1、射頻四極場(chǎng)加速器RFQ（Radio Frequency Quadruple）是現(xiàn)代直線(xiàn)加速器中低能加速段必不可少的加速結(jié)構(gòu)。對(duì)于連續(xù)波（CW）運(yùn)行模式的RFQ腔體來(lái)說(shuō)，工作在連續(xù)波模式下的熱問(wèn)題是非常具有挑戰(zhàn)性的主要問(wèn)題，連續(xù)工作方式和高束流強(qiáng)度對(duì)RFQ加速器的冷卻系統(tǒng)提出了很高的要求。因其平均功耗大和水冷系統(tǒng)復(fù)雜，RFQ加速器的熱問(wèn)題成為了國(guó)際技術(shù)難題，電磁、熱、結(jié)構(gòu)的多物理場(chǎng)耦合研究對(duì)于RFQ加速結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。CAE技術(shù)是工程

2、和產(chǎn)品分析中必不可少的數(shù)值計(jì)算工具。本課題將CAE軟件跟RFQ加速器的熱問(wèn)題相結(jié)合，完成了腔體的多物理場(chǎng)耦合研究，解決了中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)“中國(guó)加速器驅(qū)動(dòng)的嬗變裝置”CADS(China Accelerator Driven Sub-critical System)中的四翼型 RFQ（CADS-RFQ）腔體的高頻熱帶來(lái)的不能穩(wěn)定運(yùn)行的問(wèn)題，并且基于參數(shù)化分析，對(duì)RFQ加速器的載束加速實(shí)驗(yàn)提供了關(guān)鍵的理論數(shù)據(jù)支撐。另外，本文對(duì)蘭州重離子國(guó)

3、家實(shí)驗(yàn)室重離子研究裝置的分離扇回旋加速器SSC(Separate Sector Cyclotron)升級(jí)改造項(xiàng)目中的四桿型RFQ腔體（SSC-RFQ）進(jìn)行了模擬分析，對(duì)其腔體冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證了工程的成功實(shí)施。
　　本文首先闡述了國(guó)際上RFQ加速器發(fā)展的歷史以及現(xiàn)狀，總結(jié)了高功率連續(xù)波強(qiáng)流質(zhì)子RFQ存在的問(wèn)題，多物理場(chǎng)耦合分析是腔體能夠穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題；之后詳細(xì)介紹了多物理場(chǎng)耦合涉及到的相關(guān)理論知識(shí)。
　　論文

4、的主體部分詳細(xì)闡述了CADS-RFQ和SSC-RFQ多物理場(chǎng)耦合研究過(guò)程,針對(duì)其不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)利用不同的仿真策略對(duì)腔體進(jìn)行分析。針對(duì)CADS-RFQ采用了二維和三維仿真結(jié)合，并對(duì)其關(guān)鍵因素進(jìn)行了參數(shù)化研究，并設(shè)計(jì)進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證研究結(jié)果，在RFQ加速器實(shí)際的載束運(yùn)行中，參數(shù)化分析的結(jié)果，為腔體的成功運(yùn)行也提供了數(shù)據(jù)支撐。對(duì)于 SSC-RFQ，采用了三維模型進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了冷卻水路的冷卻能力，保證了腔體滿(mǎn)功率的穩(wěn)定運(yùn)行。
　　

5、本課題針對(duì)兩種類(lèi)型的RFQ——四翼型RFQ和四桿型RFQ分別做了多物理場(chǎng)耦合分析以及實(shí)驗(yàn)研究。主要研究?jī)?nèi)容以及結(jié)論如下：
　?。?）主要對(duì)CADS-RFQ以及SSC-RFQ進(jìn)行了多物理場(chǎng)耦合分析，完成了高頻分析-熱分析-結(jié)構(gòu)分析-二次高頻分析的流程，最終完成了兩個(gè)RFQ冷卻水路的優(yōu)化分析，保證了在正常的工況下高功率的RFQ腔體可以正常運(yùn)行。
　?。?）針對(duì)CADS-RFQ的運(yùn)行條件，對(duì)RFQ腔體運(yùn)行時(shí)候的功率加載、環(huán)境溫度變

6、化、冷卻水路流速、冷卻水溫度等進(jìn)行參數(shù)化分析，據(jù)此對(duì)RFQ腔體的運(yùn)行水壓、流量、外部溫度等進(jìn)行優(yōu)化選擇，保證了腔體可以在滿(mǎn)功率下正常運(yùn)行。并且設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，同仿真結(jié)果比較，得到了很好的一致性。
　?。?）根據(jù)參數(shù)化分析的結(jié)果，在束流加載中根據(jù)仿真數(shù)據(jù)通過(guò)改變冷卻系統(tǒng)的水溫對(duì)腔體進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證了CADS-RFQ腔體載束實(shí)驗(yàn)的成功，這是國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)高功率連續(xù)質(zhì)子束流的穩(wěn)定加速。
　?。?）由于 SSC-RFQ腔體結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)，只能

7、對(duì)其整體進(jìn)行三維多物理場(chǎng)耦合研究。模擬在連續(xù)波滿(mǎn)功率的運(yùn)行條件下，SSC-RFQ腔體頻率漂移與饋入功率大小及冷卻水流速的關(guān)系。分析得出腔體的溫度變化、位移變化及頻率漂移情況均與饋入功率的變化成正比，且基本呈現(xiàn)線(xiàn)性變化趨勢(shì)。分析還發(fā)現(xiàn)過(guò)多提高流速并不能達(dá)到理想的冷卻效果，將水流速度保持在2.0m/s到2.5m/s的范圍內(nèi)是最佳選擇。SSC-RFQ腔體在完成加工、組裝及測(cè)試后，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬分析結(jié)果的誤差為10

8、％,在可接受范圍內(nèi)。
　　本論文通過(guò)CAE軟件ANSYS在設(shè)計(jì)階段的多物理場(chǎng)耦合研究，就CADS注入器Ⅱ和SSC注入器兩個(gè)工程中的RFQ腔體進(jìn)行了分析，并對(duì)關(guān)鍵因素進(jìn)行了參數(shù)化分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)了腔體的冷卻水路及運(yùn)行參數(shù)，保證了工程的可實(shí)現(xiàn)性。利用CADS-RFQ腔體進(jìn)行了耦合實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果跟仿真結(jié)果高度一致，國(guó)內(nèi)首次完成連續(xù)波RFQ腔體的耦合仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相互驗(yàn)證。同時(shí)為CADS-RFQ載束運(yùn)行提供了理論分析，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)首個(gè)連續(xù)波