10 MeV/50 kW脊型加速器輸入耦合器的研制

楊 譽，朱志斌，吳青峰，王修龍

(中國原子能科學研究院 核技術應用研究所，北京 102413)

電子輻照加速器具有成本低、無污染的特點，作為輻照加工的基礎設備之一，已被廣泛應用在醫療用品消毒、食品保鮮和輻射化工等領域。目前已有多種不同類型的加速器研制成功并得到應用，如電子直線加速器、梅花瓣型加速器[1]等。脊型加速器是一種新型的高能大功率電子輻照加速器[2-3]，其采用較低的工作頻率，可用于加速0.5～10 MeV的連續波電子束。Noriyosu等[2]于2002年研制了一脊型加速器，并獲得了2.5 MeV/2.5 mA的電子束流。中國原子能科學研究院開展了一脊型加速器[4]的研究，該加速器設計的束流能量為10 MeV，束流功率為50 kW。

輸入耦合器是加速器的一關鍵部件，作用是將射頻功率注入腔體，通過對其結構的設計保證腔體的耦合度、諧振頻率等達到要求。為達到脊型加速器的技術指標，需將100 kW的射頻功率通過輸入耦合器饋入到加速腔，目前國內外同量級功率水平的耦合器較少，本文將介紹該輸入耦合器的研制。

1 脊型加速器

脊型加速器主要由脊型諧振腔和偏轉磁鐵構成，脊型諧振腔由一圓柱形腔體中對稱放置兩個金屬電極板構成，偏轉磁鐵分布在諧振腔外。為研制用于大功率輻照的10 MeV/50 kW脊型加速器，設計了圖1所示的雙腔脊型加速器方案。脊型諧振腔內電磁場模式為TE110模，電場集中在兩個電極之間，電子束通過金屬電極板內的束流孔道，依次經過并列放置的兩腔體中的電極間隙時獲得加速，之后通過兩側的180°偏轉磁鐵重新進入加速腔，如此經過多次往返加速后達到最終能量。

該方案中兩個脊型諧振腔完全相同，圖2所示為單腔三維模型，腔體直徑約1 m，長度約2 m。諧振腔頻率為100 MHz，品質因數Q理論值約30 000。設計的束流流強為5 mA，每次束流通過電極間隙時可獲得0.5 MeV的能量，金屬極板中分布有10條束流通道，經過往返共20次加速后束流能量最終可達10 MeV。

圖1 雙腔脊型加速器工作原理Fig.1 Working principle of double cavity Ridgetron accelerator

圖2 脊型諧振腔三維模型Fig.2 Three-dimensional model of Ridgetron cavity

2 輸入耦合器設計

在工作模式下，圖2中脊型諧振腔內的電場主要集中在兩金屬電極之間，磁場則圍繞金屬板電極分布在整個腔體中，分析可知，該腔適合采用耦合環的方式在腔壁附近注入射頻功率。圖2腔體上方預留有輸入耦合器的安裝管道，用于向腔體中探入耦合環。

2.1 耦合環等效分析

圖3所示為脊型諧振腔和輸入耦合器的耦合原理示意圖，T0為同軸傳輸線上的一失諧短路參考面，T為束流中心線所在平面。

根據等效原理可知，圖3中脊型諧振腔可等效成一RLC并聯諧振電路，R、L、C分別為諧振腔的等效電阻、等效電感和等效電容，耦合環可等效成一變壓比為1∶n的理想變壓器[5-6]。圖4所示為諧振腔與耦合器的等效電路，Zc為同軸傳輸線特性阻抗。

圖3 脊型諧振腔和輸入耦合器示意圖Fig.3 Schematic of Ridgetron and input coupler

圖4 脊型諧振腔和輸入耦合器的等效電路Fig.4 Equivalent circuit of Ridgetron cavity and input coupler

耦合度β是表征同軸傳輸線與加速腔耦合強度的參數，是衡量耦合器的主要指標，其定義為：

β=Pext/Pcav

(1)

Pext和Pcav分別為腔外負載功耗和腔內損耗，β=1表示同軸傳輸線與脊型諧振腔為臨界耦合狀態，此時腔體無反射，工作在匹配狀態。當腔體工作在諧振頻率時，由圖4的等效電路可得出：

β=R/n2Zc

(2)

脊型加速器的束流功率Pbeam較大，工作狀態下必須考慮束流負載，此時耦合度為：

β=1+Pbeam/Pcav

(3)

采用文獻[7]的計算方法，可得到耦合環面積Scoupler與耦合度β之間的關系：

(4)

(5)

等效電阻R是腔體的分路阻抗，同軸傳輸線的等效阻抗Zc=50 Ω，得到腔內磁場分布后，依據式(5)即可由所需耦合度得到耦合環面積。同樣由式(5)可知，當耦合環面積確定時，通過改變θ可調節耦合度。

2.2 耦合器結構設計

圖5所示為設計的輸入耦合器結構，主要包括陶瓷窗、外導體、內導體和耦合環。陶瓷窗上方連接傳輸功率的同軸饋管，下方通過法蘭與焊接為整體的外導體、內導體及耦合環進行連接。

圖5 輸入耦合器結構設計Fig.5 Structure design of input coupler

目前國內外大功率耦合器中，陶瓷窗多采用薄壁平板型和套管式結構[8]，平板型陶瓷窗易于加工且適用于較大功率，而套管式陶瓷窗可抑制二次電子發射但結構較復雜，本文選擇平板型陶瓷窗結構。鑒于國內尚無100 MHz頻率段的陶瓷窗成品，且高性能陶瓷片的燒制經驗不足，為方便耦合器的調試維護和升級更換，采用美國MEGA公司的平板型陶瓷窗產品。該陶瓷窗采用99%氧化鋁，并在陶瓷片表面鍍有TiN以抑制二次電子倍增，可承受120 kW的射頻功率傳輸且可獨立進行拆卸，在國外相關加速器中也已成功得到應用[9]。

圖5中外導體上端配有同軸波導法蘭用于連接陶瓷窗，其后設計一段圓錐形結構用于阻抗均勻過渡，中間位置處配一真空活套法蘭，用于該耦合器的密封安裝，同時便于耦合度的調節。

由于通過耦合器注入的射頻功率很高，外導體、內導體和耦合環均采用無氧銅材料，以降低功率傳輸過程中的損耗。考慮到耦合環上存在非常大的表面電流，為降低損耗并預留內部水冷通道所需體積，耦合環采用圖6所示的較厚較寬的U形環狀結構。

圖6 耦合環結構設計Fig.6 Structure design of coupling loop

設w為耦合環厚度，l為耦合環寬度，a和b分別為U形截面長和寬，r為圓角半徑，耦合環面積公式如下：

Scoupler=ab-2r2(1-π/4)

(6)

根據以上分析和設計，利用式(5)、(6)可由耦合度得出耦合環面積及相關尺寸，實踐中最終各尺寸由仿真計算進行確定。

2.3 耦合器仿真計算

研制的10 MeV/50 kW脊型加速器工作時要在極板間建起0.5 MeV的加速電壓，對腔體計算可知腔壁上的功率損耗約65 kW。單腔中束流功率為25 kW，則由式(3)可知，所需耦合度為1.38。為便于進行調試，同時考慮到該脊型加速器具有將束流功率提升到100 kW級的潛力，此次研制的輸入耦合器采用單腔束流功率為100 kW時對應的耦合度2.54，在確定耦合環面積后，通過調整θ達到當前所需的耦合度1.38。

建立的脊型加速腔和耦合器整體模型如圖7所示，設置θ為0。利用式(5)、(6)得到初步尺寸后進一步調整優化，最終確定耦合環面積為15.8 cm2，圖8所示為反射系數S11的最終仿真結果。

由圖8可知，腔體諧振頻率在100.825 MHz附近，耦合器插入導致了頻率上升，后續可通過調諧器進行調節。θ=0°諧振頻率點反射系數為-7.2 dB，對應耦合度為2.54，達到了耦合度設計值。θ=43°諧振頻率點反射系數為-16 dB，對應耦合度為1.38，可滿足當前單腔25 kW束流功率的使用需求。

圖7 脊型加速腔和耦合器整體模型Fig.7 Model of Ridgetron cavity with input coupler

圖8 S11參數最終仿真結果Fig.8 Final simulated result of S11 parameter

因為耦合器通過的功率非常高，所以必須設計合適的水冷方式。圖9a為輸入耦合器中的水路方案，內外導體中均分布有矩形水冷溝槽，尺寸為8 mm×4 mm，耦合環中也有兩條直徑為4 mm的圓形進出水路，用于連通內外導體形成冷卻回路。耦合器上的功率損耗主要集中在頭部和耦合環上，圖9b為匹配情況下輸入165 kW功率時耦合器的溫度分布模擬結果，計算采用實際測試中的流量0.6 L/min，矩形水冷溝槽中流速為0.31 m/s，得到耦合器上最大溫升約22 ℃，滿足運行要求。

3 測試結果分析

耦合器加工完成后，安裝在脊型諧振腔上方，利用矢量網絡分析儀進行測試，得到腔體頻率為100.132 MHz。旋轉耦合器至不同θ，測試反射系數曲線后計算耦合度得到的結果如圖10所示。可看出，耦合度與θ余弦值的平方符合式(5)揭示的線性關系，當θ=0°時，耦合度最大為2.2，通過調節θ可實現0～2.2之間的不同耦合度。

圖9 耦合器水冷通道(a)與熱力學仿真結果(b)Fig.9 Water cooling channel (a) and thermal simulated result of coupler (b)

圖10 耦合度測試結果與模擬結果Fig.10 Test and simulated results of coupling coefficient

耦合度測試的最大值為2.2，是模擬結果2.54的87%，測試結果偏低的原因在于，腔體實際Q一般只達到理論值的80%～90%。脊型諧振腔Q的理論值為30 000，實測值達到了理論值的90%，約27 000，此時腔體實際的分路阻抗僅理論值的90%。由式(5)可知，耦合度會隨分路阻抗發生變化，因此實際耦合度偏低合理，該耦合器仍滿足實際使用要求。

耦合器高功率測試結果列于表1。在工作頻率下，已成功通過耦合器向腔體中注入100 kW的脈沖峰值功率。目前耦合器平均功率最高達10 kW，測試期間溫度變化不明顯，未發現射頻擊穿現象。

表1 耦合器的主要測試參數Table 1 Main measured parameters of coupler

4 結論

通過等效電路分析及結構仿真計算，本文設計了10 MeV/50 kW脊型加速器的輸入耦合器，該耦合器采用了便于維護的可拆卸平板型陶瓷窗，并在內外導體及耦合環內部設計了冷卻回路。經測試，該耦合器耦合度可在0～2.2范圍內調節，在頻率和耦合度方面滿足向脊型諧振腔注入射頻功率的要求。目前該耦合器已成功向腔體中注入了100 kW的脈沖峰值功率，相關經驗可為同頻率段、同功率水平耦合器的研制提供技術參考。