S波段10 MeV辐照用行波电子加速器研究

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2024年3月17日发(作者：)

真空电子技术

VACUUMELECTRONICS

•

加速器专辑

•

S

波段

10

MeV

辐照用行波电子加速器研究

高渐

!

孟祥聪

，

施嘉儒

，

查皓

，

陈怀璧

(清华大学工程物理系

，

北京

100084#

摘要

：

清华大学加速器实验室研制了

10

MeV

行波直线加速器，

并成功应用在了辐照加工领域

。

在对该加速管的束流崩

溃现象进行了理论和实验研究后

，

确定了提高阈值电流

、

优化结构的方案

，

完成了腔间相移变化的新型聚束段结构

％

该结构

能够有效降低聚束段受困高阶模对电子的横向作用

，同时不影响主模的加速性能

，

可以提高该行波加速管的束流崩溃阈值电

流

。

依照该方案进行了加速管的加工

、

成管焊接

、

冷测及高功率实验

，冷测及高功率实验结果与模拟设计符合得很好

，

阈值电

流提高了约

40

mA,

证明了该设计的可行性

％

该工作为行波加速器解决束流不稳定性问题

，

进一步提高靶流功率提供了新的

方法％

关键词

10

MeV

行波直线加速器;束流崩溃

；

聚束段

；受困高阶模

；

阈值电流

中图分类号:

TL53

文献标识码:

A

文章编号:

1002-8935

(2021

)01-0038-06

doi

：

10.

16540/j.

cnki.

cn11-2485/tn.

2021.

01.

07

Study

of

an

S-Band

Travelling-Wave

Electron

Linacfor

Irradiation

GAO

Jian

,

MENG

Xiang-cong

,

SHI

Jia-ru

,

ZHA

Hao

,

CHEN

Huai-bi

(..Department

of

Engineering

Physics

,

Tsinghua

University

,

Beijing

100084,

China

#

Abstract

:

A

10

MeV

travelling-wave

linac

has

been

developed

by

Tsinghua

University

and

then

applied

in

irradiation

processing

successfully.

After

theoretical

and

experimental

study

on

the

beam

breakup

(

BBU

#

phenomenon

,

Ch-

jusCingChegeomeCricalparameCersofbunchingsecCion

,

anovelbunchingsCrucCurewiChvaryingphaseshifC

signcouldimproveCheChresholdcurrenCofCheCrave

l

ing-wavelinac

wiChouCa

f

ecCingChedomainmode

,

dueCoChelessCransversee

f

echanicaldesign

,

processing

and

brazing

ofChe

new

disk-load

sCrucCures

,

coldandhigh-powerCesCsofCheacceleraCorwere

CresulCs

were

in

good

agreemenCwi

hChe

simula

ion

,

andCheChresholdcurrenCin-

creasedbyabouC40

mA

,

rkprovidesanew

meChodCo

solveChebeaminsCabiliCyandfurCherincreaseCheouCpuCpowerofCheCraveling-wavelinac.

Keywords

:

10

MeVCrave

l

ing-wavelinac

,

Beam

breakup

,

BunchingsecCion

,

Trap

modes

,

Threshold

currenC

在当前工业及医疗领域中

，

MeV

能量级别的电

一

(1

—

3)

。

这一现象最早在

1957

年被英国原子能研

子束应用

，包括辐

疗等

％

电子加速器的各

、

集装

$

冶

接决定了

究所观察到的

，

寄生模式

TM

n

(

模式

HEM

n

),

被认为是导致这一现象的原因

，

返

波模式能够

Z

以影响高能束流的

，

加速管岀口处的

效应

％

影响

管岀口处

岀束功率是最重要的

之一

，

该

器的应用场景和

流功率的

用力

［

4

—

7)

,

后

的

现象也在

SLAC

观察到

8

%

此后

，

逐渐提岀了各种

描述和表征

BBU

效应的理论假说

，

Panofsky

and

Bander

提岀的渐进式理论

⑷

，

1989

年

Lau

引入了

较多

，

包括出束电子能量

、

靶流流

强

、

靶流脉宽

、

工作重频等

％

电子

去

里

多

之

研究结果表明束流崩溃

(

BBU,Beam

breakup

)

是限

器的岀束功率进一步提高的

完全表征累积型

BBU

的两个无

(10

—

12)

%

在

这之后，

采用数值动

模拟在更多的结构中研究

2021-01

VACUUMELECTRONICS

真空电子技术

BBU,

比如介质尾场加速器

，

直线对撞机

，

RLC

在此基础上

，

进一步开展了对于该加速管内高

等

「

13

—

17

）

。

部分实验

关于低能

器和高能加

器的也

阶模的仿真计算

$

高功率热测实验

％

BBU

不

同的期

进了发表

（

18

—

20

）

%

是

，

在

稳定性

模

是由

流

腔

计算和实验

发的高阶二极

，

原行波

工业用低能电子

清华大学是

器上的

BBU

研究比较少

,

的

「

21

）

。

管

目前尚无完整的理论模型来解释这种束流

的电子辐

定性

%

由尾场激

的高阶模

，

包括受困于聚束段

段的高阶模

（

TM

110

、

TE

】

1

、

管中的高阶模对于

器的研制

的

TEn

模式以

单位之一

，

其研制装配的辐

辐照类公司

％

清华大

kW,

并成功地应用到

器系统供应了全

TM

111

）

。

当提高束流功率时

，

束流流强的增大导致

器实验室研制了

尾场的累积效应增强

，

束流的

10

MeV

行波直线加速器

，

出束功率可以达到

20

用变得显著

，出现

BBU

现象

。

该

业辐

领域中

「

门

。

该

象

表

为出

脉冲的脉

宽

缩

短

，

流

部

分

%

加速的

如表

1

所示

％

表

1

10

MeV

行波直线加速器主要工作参数

参数

参数值

参数

值

工作频率

2856

MHz

电子枪发射电流

550

〜650

mA

峰值输

入

功率

4.

5

MW

输出峰值电流

260

mA

平均输入功率

45

kW

输出束流能量

10

MeV

速调管输入脉宽

16.

3

#

s

束流平均功率

22

〜

26

kW

重复

频率

500

Hz

加速管长度

1.

9

m

在加速管的调试中

，

发现出束功率存在一定限

制

。

入射电子束电流

脉冲宽

大时

，

出口电

子

定

，

出现尾部

、

脉冲缩短的现象

，

从而

电流

脉冲宽

，

导致

电子束

功率

%

这

是

型的

流

象

%

大电子枪发射电流

，

发现电子束电流确实存在一个

值

，

理

称之为阈值电流

％

电流

值以下

，

电

子束能够

脉冲

器

，而

值时

，

就会

出现脉冲缩短的现象

，

且阈值电流与脉宽相关

，

脉冲

宽

，

阈值电流越大

％

若出束脉冲宽

15

^或峰值流强达到

260

mA

以上

，

会观察到束流不

定性

。

输出束流波形如图

1

所示

。

当峰值流强达

到

288

mA

时

，

此时的脉宽仅

15.4

#s

；

若进一步增

大峰值流强

，

脉冲波

进一步恶化,从而制约了加

器束流功率的进一步提高

％

1

化设计

对该

器中

BBU

现象的理论和实验探

究,得出消除聚束段受困高阶模

提高阈值电

流的

%

管

流

尾

的

累

是

流

定性的

原因

，

具体来说

，

聚束段的受困高阶模

和

段的高阶模对束流的横向运动

影响

,

导致了束流

％

聚束段的影响在前

，

是引发

BBU

的

；

光速段影响在后

，

强化

？

向不

稳定性

％

模拟

显示

，

消除聚束段影响

，

可以有效

提高阈值电流

「

21

）。

为

尾场的累积

，

需要对结

构进行优化设计

，

减弱聚束段受困高阶模的影响

，

降

低尾场累积效应

。

抑制尾场高阶模常用的方法是利

用尾场阻

构对于高阶模进行

出

，

但

是新的阻

构有可能会带来表

大

、

打火

、

脉

冲升温等新问题,并且这种方法改动的

管腔室

较

，

较

大

%

对

优

化

聚

段

腔

室

构

、

尾

阻

构

等

方

之

后

，

提

出

对

聚

段

腔

型

进

行

优

化

的

管

设

计

方

%

尾

阻 构

，

该

方

对

腔链的

更少

。该方

优化

！

聚束段盘荷波导结构的

，

在保证

模

本不变的情况下

，

改变了聚束段单腔之间

的

，

使得绝大部分受困高阶模可以达到

段

通带

，

最终创造性地完

一个聚束段腔间相移变

化

的

管

设

计

%

管

模

式

带

图

如

图

2

所

示

%

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

••-

54

腔数

图

2

调整后整管的模式通带图

（

黑色虚线为原加速管

）

2021

-01

9

真空电子技术

VACUUMELECTRONICS

在优化之后的聚束段中

，

主要的

trap

高阶模绝大部

分可以在整管中流通

，

有效解决了尾场效应导致的

聚束段高阶模累积问题

％纵向动力学模拟显示

I

速管的

性能完好，

横向动

显示新的结

构可以有效提高电流阈值

％

2

加速

测实验

新型聚束段设计的加速管在

CST

仿真模拟软

件

验证后

，

纟

设计

、

图

，

最终加

图

3

不同腔室中激励的

TEn模式的

S

21

参数

完成

％

为探究

管的高阶模性能是否达到了

设计预期

，

对

验

％考虑到

管

腔室进行了高阶模

实

，

为了

例

，

即模拟中出现的

5.

33

GHz,

它是一个受困在聚

段单腔完全相同且数目

段即前

8

个腔的模式

，

它的影响较小

。

对于

TM

模式

，

不同腔室中激励出来的

S

2

1

如

图

4

所示

，

从图中可以看出

，

由于聚束段的

TM

110

相

实验方便

，

采用

1

—

12

号聚束腔

、

6

个光速腔和两个

尾腔共

20

个腔室

，

并

入

、

输出

腔链进行高阶模

器组

，

利用

二

管腔链

％对

对

段频率

更低

，

光速段的模式

到

带短路活塞的探针

同腔室激

同模式

，

测

聚束段

，

但它本身可以

到输出

器;

6.2GHz

的

TM

111

模式的

S

2

1

，

纟

所示

％

5.2

GHz

的

如图

3

对

TM

110

模

：

腔

，

会反射回

TM

m

模式

％

式

，

而且由于

TM

m

模式是返向波

，

它

从图

3

中可以看出

，

不论聚束段和光速段

，

TEn

模式基本都在

5.

2

GHz

以下

0

的功率会向聚束段传输

，

遇到

，

存在一个特

1:3-11

2:3-13

3:3-18

一部分,所以在两端都

0

1:3-11

2:3-13

3:3-18

2

冒

-50

■2

-3

4.2

、3

4.4

-100

」

6.2

6.3

6.4

力

GHz

(a)

TM

110

模式

图

4

不同腔室激励的

TM

110

和

TMm

模式

S

2

1

力

GHz

(b)

TM

1U

模式

20-cell

腔链冷测完成后

，

进行了整管焊接％

为

验证新型聚束段设计的行波

管的

性能是否

达到了预期

，

开展了对于该行波

、

焊接

管整管的场分

实验及调谐工作

。

由于盘荷波导结构的加

可避免的尺寸

，

加速管的

主模频率

一定的偏移

，

并且

谐的场分布

也难以达到预期

％

行

实验

，

一

管焊接后

，

需要进

谐

，

对于单腔尺寸进行

，

最终达

图

5

整管冷测及调谐系统

到整管

的目标

％

行波

件

，

纟

管的调谐,在清华大学加速器实验室已

谐振法的场分布

与调谐实验如图

5

所示

％

冷测实验中

，

各腔的调谐量由相应的调谐软件

有一套完整的系统

(

2

)

，

纟

给出

。

采用拉

的非谐振测量法

，

对行波

管

管进行

分

纵向电场的分布和单腔的频偏

，

实验

，

具体原理

原理参

如图

6

所示

。

对腔链进行调谐

。

整管

考文献

「

23

)

。

分

S

.

2021

-01

VACUUMELECTRONICS

真空电子技术

在冷测实验中

，

由于对输入输出耦合器的调谐

，

其场

分

模拟

更好

，

加速性能也能得到保证

。

整

管冷测的

S

i1

参数曲线如图

7

所示

，

可以看出在工作

频率

2.

856

GHz

附近低于

一

25

dB,

反射很小

。

3

高功率

1

管焊接后

，

在搭建的高阶模采样分析

量实验台由速调管功率源

、

调制器

、

电子枪

、

行波加

管

、

水靶

、

尾

样

8

所示

%

系统等

。

实验平台如图

的

尾

台开展了高功率热测实验

。

该尾场测

水靶

导向线圈

RF

负载

图

8

热测实验平台示意图

4

数据分析

4.

1

性能

点

，

可以明显地观察到相同崩溃脉宽下有着

40

mA

的束流流强提升

%

BBU

阈值电流是

管束

流

表

2

展示了原加速管与新加速管各自的最佳调

定性的重要指标

，

显然该数值越大

％

参时的螺线管及导

电流

！

指的是最

电流

）

。

6

4

2

0

8

6

4

2

2

大阈值电流所对应的

管及导

表

2

螺线管与导向线圈电流参数设置

（

单位

：

A

）

加速管

螺线螺线

管

2

螺线

导

：

导

2

管

1

管

3

1

".6

原加速管

新加速管

27.6

2"

18.3

24

41

51

0

0

".4

图

9

原新行波加速管

BBU

脉

宽

与峰值流强的关系

加速管出口的峰值流强与出束脉冲宽度的关系

图

9

中

，

色

的测试

出

是新型聚束段设

从图

9

中可以看出

，

新行波加速管比起原加速

管

BBU

阈值电流提升了

40

mA,

对应的出束功率

计的

管的测试

，黑色

是原行波

管

％

定

义

BBU

阈值电流为出束脉冲刚开

提高了约

20%

%

各项入口

管的

如表

3

所示,

象

时的束流强度

，

即图

9

的拐

与原

管基本相同

，

但由于减

2021

-01

>

真空电子技术

VACUUMELECTRONICS

弱了聚束段受困高阶模作用

，

出束脉宽

、

峰值功率以

通过调整几何尺寸

，

实现了变腔间相移的聚束段设

及出束平均功率均有提高

%

可以看出

，

在

300

mA

,

率开

计

。

该设计能够使大部分束流尾场激

的高阶模

大,对应的

开始发生

再受困于聚束段中

，

可以流通到

困

高

阶

模对

段

，

从而

I

与

BBU

现象

%

对比图

10

与模拟阶段的

，

数值计

流的 用

%

设 计

的

算与高功率测试

出的阈值电流都是

300

mA

1

符合得

管

进

行

CST

仿真

与

高 功

率

热

实

验

，

，

说明模拟计算与高功率热测实验

一致

，

聚束段的受困高阶模式绝大部

很好

，

加速管设计

功

％

打靶测试

,

粗测出

分可以流通到

的

段

％

高功率实验

表明

，

新加

电子的能量约为

10

MeV,

与动

功的

%

模拟结果相

管的阈值电流提高了

40

mA,

对

BBU

贡献较大

该行波

管动力学设计的能

益是成

困高阶模

到了削弱

，

证明

型聚束

段设计的可行性

％

进一步提高阈值电流可以对考虑

表

3

新型行波直线加速器主要工作参数对比

参数

原行波

管值

行波

管值

频率

/MHz

2856

2856

峰值输

入

功率

/MW

4.5

4.5

平均输入功率

/kW

45

45

速调管输入脉宽

/#s

16.

3

16.

8

重

复

频率

/Hz

500495

电子

枪

发射电流

/

mA

550

〜650

550

〜

700

输出电子能量

/MeV

〜

10

〜

10

平均束流功率

/kW

22

〜

26

25

〜

2[

流

值电流

/mA

260

300

4.2

束流波形

图

10

展示了加速管出口处

，

不同的峰值流强下

的出束脉冲波形

％

如图所示

，

不同峰值流强下的

BBU

脉

宽

同

300mA

的峰值流

强下

"

脉

宽

约

等于设定脉宽

16.8#s

。

考

的波动

，

该值

基本可以确定是

BBU

阈值电流

%

可以看出

，

随着峰

值流强的提升

，加速管出束脉宽

减小

。

图

10

不同

靶

流下脉冲

波

形对比

5

结论

辐照用

10

MeV

行波直线加速器上

，观察到

了

BBU

效应

%

对该现象进行了深入的研究后

，

为进

一步提高出束功率

，

对聚束段腔室进行了重新设计

。

>

2021

-01

高

阶

模进行

出

%

参

考

文

献

[1]

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the

Tuning

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[D]

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Beijing

:

Tsinghua

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[3]

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9

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136

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1965

,

112(9)

：

1795

―

1802.

[8]

Altenmueller

O

H

,

Hermannsfeldt

W

B,

Farkas

Z

D

,

tt

al.

Beam

Breakup

Experiments

at

SLAC[R].

1966.

[

9

]

Panofsky

W

K

H

，

Bander

otic

Theory

of

Beam

Break-upin

Linear

Accelerators

[

J

]

.Review

of

Scientific

Instruments,

1968,

39(2)

：

206

―

212.

[

10

]

NeilV

K

，

Cooper

R

K

，

HalL

r

Theoretical

StudiesoftheBeam

Breakupinstability

[

J

]

.PartAc-

cel

，

1979

，

9

'213

—

222.

[11

]

Chao

A

W,

Richter

B,

Yao

C

Y.

Beam

Emittance

Growth

Caused

by

Transverse

Deflecting

Fieldsin

a

LinearAccelerator

[

J

]

.NuclearInstrumentsand

Meth

­

ods,

1980,

178(1)

:

1

—

8.

VACUUMELECTRONICS

真空电子技术

(12)

Lau

Y

Y.

Classification

of

Beam

Breakup

Instabilities

in

[19)

Altenmueller

O

H

?

Herrmannsfeldt

W

B,

Farkas

Z

D,

et

al.

Beam

Breakup

Experiments

at

SLAC[R).

No.

Linear

Accelerators

[J).

Physical

Review

Letters,

1989,

63(11)

:

1141.

(13)

Gai

W,Kanareykin

A

D,Kustov

A

L

,et

al.

Numerical

SLAC-PUB-0224,966.

[

20

)

Menge

P

F

,

Gilgenbach

R

M

,

Bosch

R

A

etal

.

Beam

Simulations

of

Intense

Charged-Particle

Beam

Propaga

­

tion

in

a

Dielectric

Wake-Field

Accelerator

[J).

Physi

­

cal

Review

E,

1997,

55(3)

：

3481.

BreakupInstability

Experiments

on

Long-Pulse

Elec

­

tron-Beam

Transportthrough

RF

Cavities

[

C

)

.Intense

MicrowaveandParticleBeams

ationalSocie-

tyforOpticsandPhotonics

,

1992

,

1629

529

—

537.

(

14

)

Brinkmann

R

,

Napoly

O

,

Schulte

D.

Beam-Beam

Insta

­

bility

Driven

by

Wakefield

Effects

in

Linear

Colliders

(

C

)

.Proceed*ngsofthe2001Part*cleAcceleratorCon-

[1)

孟祥聪.电子辐照直线加速器中束流崩溃现象的研究

[D).

北京

：

清华大学工程物理系

，

2020.

[2)

宫存溃•非均匀行波加速管的调谐研究

[D).

北京

：

清

ference

IEEE,

2001,

3

：

2020

—

2022.

(

15

)

Ales*n*D

,

B*scar*C

,

Gh*go

A

etal

.

Beam

Instablty

Induced

by

RF

Deflectors

in

the

Combiner

Ring

of

the

华大学工程物理系

，

2012.

[

23

)

ShiJiaru

,

Grudiev

Alexej

,

etal

.

Tuning

of

X-Band

CLIC

Test

Facility

and

Mitigation

by

Damped

Deflec

­

ting

Structures

[J).

Physical

Review

Special

Topics-

Accelerators

and

Beams,

2011,

14(2)

：

022001.

(16)

Hoffstaetter

G

H,Bazarov

I

V.

Beam-Breakup

Instabiii-

Traveling-Wave

Accelerating

Structures

[

J

)

.Nuclear

Instrumentsand

Methodsin

Physics

Research

Section

A

Accelerators

,

Spectrometers

,

Detectorsand

Asso-

ciatedEquipment

,

2013

,

704

14—

18.

ty

Theory

for

Energy

Recovery

Linacs

[J).

Physical

Review

Special

Topics-Accelerators

and

Beams

,

2004,

收稿日期

2020

—

12

—

24

7(5)

:

054401.

(

17

)

Lou

W

,

HofstaeterG

H.

Beam

BreakupCurrentLim

­

itin

Multiturn

Energy

Recovery

Linear

Accelerators

作者简介

:

高渐

(

1996

—

)

，

男

，

学士学历,

本科就

理系

，

现为

[J).

Physical

Review

Accelerators

and

Beams,

2019,

2211)

112801.

南京理工大学核技术

[18

)

Jarvis

T

R,

Saxon

G,

Crowley-Milling

M

mentalObservationsofPulseShorteningina

Linear-Accelerator

Waveguide[C)

.

Proceedings

of

the

系

，

研究生就

清华

大

级

，

研究方向为

中低能

器物理

流设

计

；

E

—

mail

gao-j19

,

mailstsinghua

InstitutionofElectricalEngineers

,

IET

DigitalLibrar

­

y

,

1965

,

112(9)

:

1795

—

1802.

edu.

cn

o

(上接第

13

页

)

[

3

)

YangJinghe

,

Yu

Guolong

,

ZhuZhibin

etal

.Industrial

ElectronLinearAcceleratorRbDinCIAE

[

C

)

Proceed-

ing

of

LINAC2018,China

:

Bejing,

2018.

[

4

)

曾自强

，

张立锋

，

吕卫星

，

等

.

10

MeV

辐照电子直线加

速器控制系统

[)

.

原子能科学技术,2005,39(2

)

114

—

IEC,

2017.

期

2020

—

11

—

11

作者简介

:

杨京鹤

(

1987

—

)

，

男

，

北京人

,

博士

，

高级

@ciae.

ac.

cn

%

117.

[5)

王国宝

，

潘龄鹤

，

王修龙

，

等

.

高能大功率电子辐照加速

器研制

[M).

北京

:

原子能岀版社

，

2009.

，

主要研究方向为

[)

张立锋

，

杨圣

，

刘保杰

，

等•多能量档电子直线加速器用

栅控电子

枪

电源研究

[).

原子能

科

学技术

，

2018,52

核技术及应用

；

E-mail

:

yangi

inghe

12)

2302

—

2307.

[

7

)

IEC

62976

2017

,

Industrial

Non-Destructive

Testing

Equipment-Electron

Linear

Accelerator

[

S

)

Geneva

,

2021

-01

>

本文标签： 束流加速器加速电子聚束