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S波段6 MeV紧凑型电子回旋加速器仿真设计与模拟研究

董自强 裴士伦 张通 邵琢瑕 王琳 陆亚林

董自强, 裴士伦, 张通, 等. S波段6 MeV紧凑型电子回旋加速器仿真设计与模拟研究[J]. 强激光与粒子束, 2025, 37: 044006. doi: 10.11884/HPLPB202537.240343
引用本文: 董自强, 裴士伦, 张通, 等. S波段6 MeV紧凑型电子回旋加速器仿真设计与模拟研究[J]. 强激光与粒子束, 2025, 37: 044006. doi: 10.11884/HPLPB202537.240343
Dong Ziqiang, Pei Shilun, Zhang Tong, et al. Simulation design of an S-band 6 MeV compact microtron[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2025, 37: 044006. doi: 10.11884/HPLPB202537.240343
Citation: Dong Ziqiang, Pei Shilun, Zhang Tong, et al. Simulation design of an S-band 6 MeV compact microtron[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2025, 37: 044006. doi: 10.11884/HPLPB202537.240343

S波段6 MeV紧凑型电子回旋加速器仿真设计与模拟研究

doi: 10.11884/HPLPB202537.240343
基金项目: 中国科学院科研仪器设备研制项目(ZDZBGCH2021001)
详细信息
    作者简介:

    董自强,dzq1992@ustc.edu.cn

    通讯作者:

    邵琢瑕,std@ustc.edu.cn

  • 中图分类号: TN248.6

Simulation design of an S-band 6 MeV compact microtron

  • 摘要: 安徽省先进光子源实验室正在研制一台S波段6 MeV紧凑型电子回旋加速器,可以用于驱动紧凑型微焦点X射线源或用于驱动紧凑型太赫兹自由电子激光。为了得到更紧凑的加速器设计,利用CST电磁工作室对电子回旋加速器二型谐振腔进行了设计与计算,谐振腔工作频率为2998.2 MHz,在谐振腔间隙可获得1 MV以上的加速电压,使电子单圈能量增益可达0.9 MeV左右。同时,利用CST粒子工作室对内嵌式热阴极谐振腔的电子产生与加速过程进行了仿真计算,研究了微波功率幅度、磁场强度、热阴极发射位置、束流通道对电子回旋加速器的影响,完成了考虑束流负载情况下的耦合器设计,得到了稳态运行时的谐振腔工作参数。仿真结果表明,束流负载到达稳态时,在热阴极发射能力为20 A/cm2的情况下,可引出流强为 24 mA,束流能量为6.02 MeV,能散约为0.64%,束流横向均方根尺寸为3.3 mm×1.8 mm。
  • 图  1  经典电子回旋加速器原理图

    Figure  1.  Schematic diagram of a microtron

    图  2  电子回旋加速器驻波腔类型

    Figure  2.  Different injection schemes for cavity of microtron

    图  3  S波段二型驻波腔三维模型

    Figure  3.  Three dimensional model of S-band cavity

    图  4  二型驻波腔内电场分布

    Figure  4.  Electric field distribution in type-II cavity

    图  5  二型驻波腔中心轴线上电场分布

    Figure  5.  Electric field distribution on the central axis of a type-II avity

    图  6  电子回旋加速器微波系统示意图

    Figure  6.  Schematic of the compact microtron RF system

    图  7  驻波腔主要束流通道尺寸及位置

    Figure  7.  Slits size of S-band cavity

    图  8  驻波腔耦合器3D模型

    Figure  8.  3D model of coupler

    图  9  耦合度曲线

    Figure  9.  Coupling coefficient curve

    图  10  入射功率与反射功率

    Figure  10.  Input power and output power

    图  11  三维空间中电子束流分布

    Figure  11.  3D result of electron beam dynamics in space

    图  12  引出束流能量分布

    Figure  12.  Energy distribution of extracted beam

    图  13  3 μs内引出束流强度随时间变化

    Figure  13.  Beam current vs time

    表  1  S波段驻波腔尺寸

    Table  1.   Size of S-band type-II cavity

    radius/mm gap/mm cathode position/mm supplementary/mm entrance/mm exit/mm
    37.991 23 3 12 × 18 7.8 × 16 9.2 × 30.2
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    表  2  驻波腔主要工作参数

    Table  2.   Parameters of type-II cavity

    material RF frequency/
    MHz
    gap voltage/
    MV
    Q0 shunt impedance/
    average power loss
    (duty factor: 0.1%)/W
    oxygen free copper 2998.2 1.27 11181 2.68 643
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    表  3  S波段电子回旋加速器束流参数

    Table  3.   Beam parameters of the S-band microtron

    energy/
    MeV
    cathode current
    density/(A·cm−2)
    peak current/
    mA
    energy gain
    per turn/MeV
    emittance/
    (πmm·mrad)
    energy
    spread/%
    pulse
    frequency/Hz
    pulse
    width/μs
    6 20 24 0.9 38(H)/3.8(V) 0.64 100 10
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-09-25
  • 修回日期:  2025-02-15
  • 录用日期:  2025-02-15
  • 网络出版日期:  2025-03-27
  • 刊出日期:  2025-04-15

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