S波段電子直線加速器高功率同軸負載的研究.pdf

1、低能高功率直線加速器在工農業(yè)及醫(yī)療衛(wèi)生等領域得到了越來越廣泛的應用，隨著應用領域的擴展，對直線加速器的小型化和可移動性要求也越來越迫切。然而，剩余功率的輸出耦合器及吸收負載結構成為實現這一要求的瓶頸。采用同軸負載取代波導式吸收負載，可使加速器的結構更為緊湊，實現加速器的小型化，同時能簡化系統(tǒng)的裝配工序，另外，具有對稱性的負載段還有利于獲得更高的束流品質。
　　 前人的同軸負載研究多基于實驗的方法，從而局限于較低的剩余功率量級。本

2、文為研制高功率S波段同軸負載，采用理論分析與實驗測試相結合的方法，開展了系統(tǒng)的仿真設計研究。研究涉及同軸負載的吸波涂層材料的選擇及其電磁參數測試實驗的仿真；吸波涂層的電磁特性、幾何參數、涂覆位置對負載腔工作頻率、品質因子和衰減性的影響分析，以及負載腔頻率、損耗性與涂層關系的實驗驗證和結果分析；根據功率量級和衰減性要求，設計了六腔同軸負載結構，并研究了各負載腔內的功率分布，為同軸負載段的冷卻系統(tǒng)的設計提供了結構參數和功率數據；獲得了FeS

3、iAl、Kanthal合金兩種材料的分別可吸收15 kW和10k W剩余功率的最適吸波材料的涂覆方案和相應的同軸負載結構，為同軸負載的工程應用探索出科學的設計方法，并提供了可靠的技術數據。
　　 本文首先通過比較，選擇了電磁場仿真軟件CST作為同軸負載的分析和設計工具，并與諧振腔計算軟件Poisson SuperFish的仿真結果進行對比，驗證了CST的仿真精度，確認了其用于同軸負載設計的最適性，并研究了腔體仿真的精度控制問題。

4、
　　 針對同軸負載吸波材料FeSiAl合金的電磁參數測試實驗中出現的結果誤差過大現象，運用CST對實驗進行了仿真，通過對PTFE、高介電材料Al2O3、和ZrO2晶體等樣品的仿真分析，獲得了各樣品與測試夾具之間的間隙對測量精度的影響。對FeSiAl材料測試的仿真表明，較小的樣品尺寸誤差將使最終的測量結果嚴重偏離其真實值。該仿真工作有效地指導了測量方案的選取，幫助最終獲得了穩(wěn)定的FeSiAl材料電磁參數。
　　 對FeS

5、iAl介質材料型的負載腔，分析了材料涂敷體積對腔體工作頻率和品質因子的影響，獲得了滿足2856 MHz頻率的腔體尺寸補償值；利用正交試驗法分析了材料介電常數、磁導率對腔體參數影響的敏感度；設計加工了不同涂層尺寸的5個測試負載腔，進行了腔體工作頻率和無載Q值的測量，利用精確測量的腔體尺寸建模的CST仿真結果表明，負載腔的工作頻率與仿真計算結果一致，并且FeSiAl材料的實際衰減性能與理論預期相符；理論推導出探針法測量中諧振腔Q值與測試探針

6、長度的關系，并最終由諧振腔總Q值推算出單負載腔的Q值。在負載腔仿真分析與實驗測試的基礎上，提出了同軸負載段的設計流程，針對15 kW剩余功率量級，單路總衰減30 dB的設計目標，設計出六腔同軸負載，以控制負載腔頻率漂移為目標，對等功耗型剩余功率分配方案進行了優(yōu)化，并獲得了優(yōu)化的FeSiAl同軸負載的結構參數。最后，計算出了負載腔內涂層與銅損的詳細功率分布，其中FeSiAl涂層處的功率呈均勻分布。
　　 對Kanthal合金型負載

7、腔，仿真研究了不同涂敷位置及面積對腔體性能的影響，獲得了2856 MHz時的尺寸補償量；設計加工了4個負載腔，分別對比了工作頻率和品質因子的實驗測試和仿真結果，對腔體損耗性的分析表明，Kanthal涂層的實際衰減性低于理論計算值約50％，因此仿真中所選取的涂層電磁參數有待考證，須通過進一步的實驗測試加以驗證。Kanthal合金由于自身衰減性的局限，經過詳細的探討和設計計算，其六腔負載段至多可吸收10 kW平均功率，單路衰減約為16 dB