直线加速器耦合器的有关优化设计及热、结构分析

摘要

耦合器是直线加速器中极其重要的组成部分，在传统的单边馈入耦合器中，由于耦合孔的存在，导致耦合腔中的场失去了对称性，由此影响束流的质量。本文利用CST设计并计算了S波段(2.856GHz)的单边耦合器，模拟计算结果得出耦合腔中电场二极和四极分量振幅的不称性分别为2.711％和1.583％，相位的偏差分别为0.261°和0.15°。为了减弱或者消除场的不对称性，采用偏心圆法来优化耦合腔中的场振幅分布，最优化模拟的结果表明:当耦合腔向下移1.35mm时，耦合腔中的电场二极和四极分量振幅的不对称性分别为0.02％和0.267％，相位偏差分别为0.242°和0.142°，电场振幅的不对称性得到了有效的减弱。本课题组提出一种用于减弱耦合腔中场不对称性的方法:介质棒加载法，此种方法对于减弱耦合腔中电场二极和四极分量的振幅的不对称性有很好的效果，其分别为-0.025％和0.0488％。相比偏心结构，这种新的方法对于减弱四极场振幅不对称性效果更好
　　为了更深入的探索介质棒加载耦合器的实际应用问题，同时节约计算时间，选取了尺寸更为紧凑的X波段耦合器进行了较为全面的理论分析:即对偏心耦合器、双边对称耦合器、单边对称加载短路片耦合器和介质棒加载的耦合器分别做了优化设计，并分析和计算其耦合腔中的场不对称性。计算结果表明:上述耦合器都能降低二极场的不对称性，但是相比其它耦合器形式，只有加载三根介质棒的耦合器，四极场的不对称性能大大减弱，而该种耦合器结构形式较为简单。
　　本文还计算了该种新型耦合器结构的热性能，利用ANSYS Workbench为几种耦合结构做热场和结构分析，模拟计算表明加载介质棒结构相比通常的单边耦合结构，热损耗增大1.4％（考虑了介质棒的损耗），最大温度相差在0.3℃以内，而且最大方向性变形相差仅为1.2e-7m。总之，不会对耦合结构的热性能带来较大影响，而从实际应用来看，介质棒加载宜于加工，成本低。综上所述，加载介质棒耦合器有望应用于改善光源亮度和FEL中。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 耦合腔束流动力学概览

1．3 国内外研究现状

1．4 课题研究意义

1．5 本文主要内容

第二章 微波谐振腔和耦合器设计方法

2．1 谐振器的激励(耦合)

2．2 耦合器调耦合匹配——三频率(Kyhl)法

2．2．1 Kyhl方法的理论解析

2．3 本章小结

第三章 S波段耦合器的设计及模拟优化计算

3．1 S波段加速单元腔

3．2 耦合器的设计

3．2．1 设计模拟步骤

3．2．2 模拟结果分析

3．2．3 耦合腔中的场不对称性计算

3．3 单边加载介质棒结构

3．3．1 加一个介质棒

3．3．2 加三个介质棒

3．4 本章小结

第四章 X波段耦合结构设计及计算

4．1 X波段加速结构

4．2 耦合器设计及计算

4．3 耦合腔中场不对称性计算及优化方案的提出

4．3．1单边偏心结构

4．3．2 双边对称馈入结构

4．3．3 单边加载短路片结构

4．4 单边加载三根介质棒结构

4．5 束流跟踪

4．5．1 束流轨迹

4．5．2 束流截面分布

4．6 本章小结

第五章 加速结构耦合器热、结构分析

5．1 有限元方法概览

5．2 耦合器热、结构分析流程

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文