粒子加速器中RFQ加速结构的多物理场耦合研究

摘要

射频四极场加速器RFQ（Radio Frequency Quadruple）是现代直线加速器中低能加速段必不可少的加速结构。对于连续波（CW）运行模式的RFQ腔体来说，工作在连续波模式下的热问题是非常具有挑战性的主要问题，连续工作方式和高束流强度对RFQ加速器的冷却系统提出了很高的要求。因其平均功耗大和水冷系统复杂，RFQ加速器的热问题成为了国际技术难题，电磁、热、结构的多物理场耦合研究对于RFQ加速结构的设计至关重要。CAE技术是工程和产品分析中必不可少的数值计算工具。本课题将CAE软件跟RFQ加速器的热问题相结合，完成了腔体的多物理场耦合研究，解决了中国科学院先导专项“中国加速器驱动的嬗变装置”CADS(China Accelerator Driven Sub-critical System)中的四翼型 RFQ（CADS-RFQ）腔体的高频热带来的不能稳定运行的问题，并且基于参数化分析，对RFQ加速器的载束加速实验提供了关键的理论数据支撑。另外，本文对兰州重离子国家实验室重离子研究装置的分离扇回旋加速器SSC(Separate Sector Cyclotron)升级改造项目中的四杆型RFQ腔体（SSC-RFQ）进行了模拟分析，对其腔体冷却系统进行优化设计，保证了工程的成功实施。
　　本文首先阐述了国际上RFQ加速器发展的历史以及现状，总结了高功率连续波强流质子RFQ存在的问题，多物理场耦合分析是腔体能够稳定运行的关键技术问题；之后详细介绍了多物理场耦合涉及到的相关理论知识。
　　论文的主体部分详细阐述了CADS-RFQ和SSC-RFQ多物理场耦合研究过程,针对其不同的结构特点利用不同的仿真策略对腔体进行分析。针对CADS-RFQ采用了二维和三维仿真结合，并对其关键因素进行了参数化研究，并设计进行了相关的实验来验证研究结果，在RFQ加速器实际的载束运行中，参数化分析的结果，为腔体的成功运行也提供了数据支撑。对于 SSC-RFQ，采用了三维模型进行仿真，验证了冷却水路的冷却能力，保证了腔体满功率的稳定运行。
　　本课题针对两种类型的RFQ——四翼型RFQ和四杆型RFQ分别做了多物理场耦合分析以及实验研究。主要研究内容以及结论如下：
　　（1）主要对CADS-RFQ以及SSC-RFQ进行了多物理场耦合分析，完成了高频分析-热分析-结构分析-二次高频分析的流程，最终完成了两个RFQ冷却水路的优化分析，保证了在正常的工况下高功率的RFQ腔体可以正常运行。
　　（2）针对CADS-RFQ的运行条件，对RFQ腔体运行时候的功率加载、环境温度变化、冷却水路流速、冷却水温度等进行参数化分析，据此对RFQ腔体的运行水压、流量、外部温度等进行优化选择，保证了腔体可以在满功率下正常运行。并且设计相关实验，同仿真结果比较，得到了很好的一致性。
　　（3）根据参数化分析的结果，在束流加载中根据仿真数据通过改变冷却系统的水温对腔体进行调节，保证了CADS-RFQ腔体载束实验的成功，这是国内首次实现高功率连续质子束流的稳定加速。
　　（4）由于 SSC-RFQ腔体结构不对称，只能对其整体进行三维多物理场耦合研究。模拟在连续波满功率的运行条件下，SSC-RFQ腔体频率漂移与馈入功率大小及冷却水流速的关系。分析得出腔体的温度变化、位移变化及频率漂移情况均与馈入功率的变化成正比，且基本呈现线性变化趋势。分析还发现过多提高流速并不能达到理想的冷却效果，将水流速度保持在2.0m/s到2.5m/s的范围内是最佳选择。SSC-RFQ腔体在完成加工、组装及测试后，进行实验并比较实验结果后发现，实验结果与模拟分析结果的误差为10％,在可接受范围内。
　　本论文通过CAE软件ANSYS在设计阶段的多物理场耦合研究，就CADS注入器Ⅱ和SSC注入器两个工程中的RFQ腔体进行了分析，并对关键因素进行了参数化分析，优化设计了腔体的冷却水路及运行参数，保证了工程的可实现性。利用CADS-RFQ腔体进行了耦合实验，实验结果跟仿真结果高度一致，国内首次完成连续波RFQ腔体的耦合仿真与实验结果的相互验证。同时为CADS-RFQ载束运行提供了理论分析，实现了国内首个连续波RFQ的连续束流成功运行，性能指标达到国际领先水平，为高功率高频腔体的冷却设计提供了非常宝贵的经验。

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附表索引

第1章 引言

1.1 本研究课题的学术背景与课题意义

1.2 国内外文献综述

1.3 本研究课题的来源及主要研究内容

第2章 基本理论分析

2.1 高频腔基础理论——有界空间中的电磁波

2.2 热分析基本理论

2.3 机械基本理论

2.4 有限元方法和ANSYS软件的介绍

2.5 本章小结

第3章 RFQ及多物理场耦合概述

3.1 ADS先导专项中四翼型RFQ

3.2 SSC中四杆型的RFQ

3.3 RFQ多物理场耦合过程

3.4 本章小结

第4章 中国ADS四翼型RFQ多物理场耦合

4.1 CADS-RFQ主体部分多物理场耦合分析流程

4.2 CADS-RFQ腔体主体部分参数化分析与结果

4.3 CADS-RFQ腔体三维模型多物理场耦合

4.4 ADS-RFQ腔体功率实验

4.5 CADS-RFQ腔体束流实验

4.6 本章小结

第5章 SSC-RFQ多物理场耦合

5.1 SSC-RFQ多物理场耦合分析流程

5.2 SSC-RFQ参数化分析与结果

5.3 分析结果讨论

5.4 SSC-RFQ实验对比

5.5 本章小结

结论与展望

1. 结论

2. 展望

参考文献

致谢

附录A 攻读博士学位期间所发表的论文