多cell 1.5 GHz超导腔双输入耦合器研究

发布时间：2017-09-16 06:08

  本文关键词：多cell 1.5 GHz超导腔双输入耦合器研究

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【摘要】：高流强、低发射度的连续波束流在加速器应用中备受青睐。同步辐射应用中,高亮度、稳定的同步辐射光保证了高质量的成像、材料分析和材料处理;在核能和同位素应用中,连续波加速器能为其提供持续稳定的粒子流。因此,高加速梯度、高平均流强、低发射度的连续波加速器是未来加速器发展的一个趋势。本实验室设计的1.5 GHz 5 cell超导腔设计工作加速梯度为15-20 MV·m-1,未来如果被用于发展10 m A或更高量级的高流强连续波注入器,功率输入耦合器的功率传输能力将是其首先面对的技术瓶颈。所以,为其设计相应的1.5 GHz输入耦合器以及了解双输入耦合器的性质是很有必要的。借助计算机仿真软件如CST的模拟,讨论了不同耦合器放置情况下外部品质因子的差异。从理论上分析了差异产生的原因在于结构变化对耦合区电、磁场的改变。计算了单、双耦合器的情况下腔体内电场、磁场分布,得到了横向作用力的大小。计算结果显示,使用双耦合器能有效地减小横向作用力,即使插入深度相差1mm,使用双输入耦合器所引起的横向作用力仍比使用单耦合器的情况小一个量级。同时高次模的分析显示,对称地放置双耦合器,腔体内的偶极模得到更深度的抑制。从双端口器件分析出发,计算和分析耦合度和输入功率的差异对功率传输造成的影响。结果表明,当两端均为欠耦合时,双输入对每个端口耦合度起到增强的作用;但当两者均为过耦合且差异较大时,耦合度小的一端则被减弱,甚至出现欠耦合的情况。设计加工了一套可伸缩的同轴耦合器,以1.5 GHz铜腔为实验对象,建立了对理论计算结果进行验证的测量装置。结果与实验预期值良好吻合,证明了理论计算的正确性。论文还对1.5 GHz同轴型输入耦合器进行了讨论,电磁仿真得到了一种可用的输入耦合器设计的主要尺寸和传输性能,其驻波比小于1.05的频带宽度达到18 MHz。同时,讨论内导体的形状对外部品质因子的影响,确定了将内导体顶部放大成“高尔夫球座”型的方案。使用双耦合器进行功率馈入,很显然降低了对耦合器性能的过高要求,即能将单支耦合器传输的功率减半。更重要的是,即使在不完全对称的情况下,也能有效减小由输入耦合器引起的横向作用力,减缓束流发射度的增加。所以说,双输入耦合器是目前发展高平均流强、低束流发射度连续波加速器的唯一必然选择。
【关键词】：双输入耦合器 耦合度 横向作用力
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN622
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-13
• 第一章 绪论13-21
• 1.1 论文学术背景13-18
• 1.1.1 国际上已经发展的双耦合器超导腔及其输入耦合器13-18
• 1.1.2 本课题的意义18
• 1.2 论文主要创新点18-19
• 1.3 论文内容安排19-21
• 第二章 基本概念21-29
• 2.1 高频加速腔的基本参数21-23
• 2.1.1 品质因子21
• 2.1.2 耦合度 β21-22
• 2.1.3 几何形状因子G22
• 2.1.4 加速电压和加速梯度22
• 2.1.5 分路阻抗22-23
• 2.1.6 Ra/Q023
• 2.2 输入耦合的介绍23-25
• 2.3 高频腔的激励响应25-28
• 2.3.1 稳态情况25-26
• 2.3.2 功率源关闭瞬间26
• 2.3.3 功率源开启瞬间26-27
• 2.3.4 脉冲调制信号激励27
• 2.3.5 频域响应27-28
• 2.4 总结28-29
• 第三章 双输入耦合器的理论模型和优势29-39
• 3.1 双输入耦合器的理论模型29-37
• 3.1.1 双端口功率传输29-31
• 3.1.2 双端口分情况讨论31-37
• 3.2 双输入耦合器功率传输的优势37
• 3.3 拓展到多端口37-38
• 3.4 总结38-39
• 第四章 双输入的模拟及横向作用力的计算39-51
• 4.1 双输入的模拟，比较不同配置对耦合度的影响39-41
• 4.1.1 网格划分的选择39-40
• 4.1.2 仿真及结果的比较40-41
• 4.2 耦合度变化不是差异造成的，而是场分布变化造成41-46
• 4.2.1 单输入耦合器和探针情况41-44
• 4.2.2 双输入耦合器不含探针情况44-46
• 4.3 横向作用力的模拟和计算46-49
• 4.3.1 横向作用力46
• 4.3.2 构建耦合管中的行波场46-48
• 4.3.3 横向作用力分布和大小计算48-49
• 4.4 双输入耦合器有利于偶极模抑制49-50
• 4.5 总结50-51
• 第五章 双端功率馈入耦合度测量实验51-65
• 5.1 实验方案51-56
• 5.1.1 实验方法和装置51-53
• 5.1.2 传输线的校正53-55
• 5.1.3 晶体检波器的线性区间测量55-56
• 5.2 耦合度调节装置56-59
• 5.2.1 耦合器57-58
• 5.2.2 导轨58
• 5.2.3 滑块和连接件58-59
• 5.2.4 总体总装图59
• 5.3 实验结果与讨论59-63
• 5.4 总结63-65
• 第六章 输入耦合器和功分器的仿真65-75
• 6.1 输入耦合器的选择65-66
• 6.1.1 波导型输入耦合器VS同轴型输入耦合器65-66
• 6.1.2 陶瓷窗66
• 6.1.3 单陶瓷窗VS双陶瓷窗66
• 6.2 输入耦合器的模型及优化66-70
• 6.2.1 同轴-波导转换器的优化66-67
• 6.2.2 陶瓷窗的优化67-68
• 6.2.3 过渡段的尺寸选择68-69
• 6.2.4 最终结果69-70
• 6.3 内导体顶部的优化70-73
• 6.3.1 内导体形状的比较70-71
• 6.3.2 外部品质因子的目标71-72
• 6.3.3 内导体的优化72-73
• 6.4 总结73-75
• 总结和展望75-77
• 致谢77-79
• 攻读硕士期间发表的文章79-81
• 参考文献81-83

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 杨峻;马震宇;王岩;侯洪涛;李正;罗琛;毛冬青;是晶;刘建飞;;1500MHz 5-cell超导腔的仿真优化[J];核技术;2015年06期

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本文编号：861309