高功率带同轴负载行波加速管的设计与优化

发布时间：2020-06-15 02:57

【摘要】：在自由电子激光太赫兹源(THz-FEL)的相关研究中,作为注入器的电子直线加速器占有重要地位。其中行波加速管影响着注入器出口处的电子束品质,进而影响整个装置所产生的THz辐射的频谱、功率等关键参数。本文主要在已有THz源直线加速器的基础上,以提高束流品质和保证加速器稳定运行为目标,对带同轴负载的高功率行波加速管进行了相关结构的优化模拟以及热特性分析。紧凑型直线加速器的加速结构主要有输入耦合器、行波加速管以及同轴吸收负载等三个部分。为满足电子束团的指标要求,论文根据行波加速腔的基本原理以及束流动力学方程,在不同的加速管馈入功率下利用PARMELA软件完成了束流动力学模拟,得到了满足设计指标的束流参数并根据功率流方程计算得到了加速管的功率损耗。在此基础上,为满足THz-FEL直线加速器紧凑型的要求,引入了FeSiAl吸波材料的同轴吸收负载结构并设计了等功耗型同轴负载腔。在加速管束流分析完成后,还需对相关结构进行优化模拟。加速管中的微波能量需要从输入耦合器中馈入,而耦合器的性能以及结构也对束流品质有着较大的影响。在基于高频仿真软件HFSS完成单边耦合器的设计以及性能模拟之后,重点对场不对称性作了深入研究,将单边耦合、单边偏心以及双边对称结构进行对比分析,得到了相关结论。最后对模拟的双边对称耦合结构作热结构分析,为以后水冷的设计奠定基础。为保证加速器稳定运行,对加速管以及同轴吸收负载进行了一体化水冷的热特性分析。仿真结果表明加速管的温度分布满足稳定工作要求,而同轴吸收负载在相关优化之后温度梯度和频率偏移均有所减小。最后对设计的负载腔进行实物加工和实验测量,验证了设计可行性并分析了误差来源。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TL53
【图文】：

分布技术,超快激光,时域光谱,反恐

图 1-1 电磁波频谱分布技术主要研究 THz 波的产生及应用，近些年随着超快激光技术性的研究也取得了较大突破。THz 波兼具两侧相邻频段电磁波的量低、穿透能力强、频带宽和脉宽窄等优点，因此 THz 时域光谱有很大的研究潜力，在生物化学应用研究、工业无损检测分析、网络通信以及军事侦查、反恐治安等领域有着广阔的应用前景和

示意图,总体结构,示意图,电子束

图 1-2 HUST THz-FEL 装置总体结构示意图HUST THz-FEL 源装置的重要特征之一是紧凑性。整个装置大体上分为注入器和激发器两部分，其中注入器包括微波系统、电子枪、加速管及其聚焦系统、输运线系统等，主要负责提供满足 THz 光激发的电子束，而激发器则包括波荡器、光学谐振腔波导以及两端的光学反射镜，主要用于提供周期磁场以及光学系统，以使电子束在磁场和光场的共同作用下达到饱和的 THz 辐射。除了以上主体部分，还包括水冷系统、真空系统和联锁保护系统等辅助装置。THz-FEL 源系统的物理过程可以描述为：微波信号发生器产生的 mW 量级微波功率经固态放大器放大后，由同轴线馈入速调管进一步放大至 MW 量级，然后由波导分两路分别馈入电子枪和加速管；另一方面，电子束团从阴极发射后进入两个驻波腔聚束并获得一定的初始能量，然后漂移进加速管中继续吸收微波能量直至8~14MeV（连续可调），从出口处出来的电子束团还需要经过输运线各磁铁至达到匹配要求，最终漂移至波荡器的周期磁场中做横向振荡运动，从而产生 1~3THz 的辐射波[6]，

【参考文献】