2024年4月12日发(作者：美国硅谷裁员)

第55卷第3期

2021年3月

原子能科学技术

Vol. 55，No.3

Mar. 2021

Atomic Energy Science and Technology

10

MeV

/50

kW

脊型加速器

输入耦合器的研制

杨誉，朱志斌"，吴青峰，王修龙

(中国原子能科学研究院核技术应用研究所，北京102413)

摘要！0 MeV/50kW脊型加速器是一种新型大功率电子辐照加速器，其加速腔中所需射频功率高达

100kW

，

为此专门研制了高功率输人耦合器

。

该耦合器主要由陶瓷窗

、

内外导体及耦合环组成

，

通过等

效电路分析以及仿真计算确定了最终结构

。

设计采用了可独立拆卸的平板型陶瓷窗和可旋转调节的耦

合环，以便于进行脊型加速器调试，并在内外导体和耦合环中设计了水冷回路带走功率传输产生的热

量

。

经过测试

，

该输人耦合器可在0〜2

.

2范围内调节耦合度

，

并成功向脊型谐振腔中注人了 100 kW的

脉冲峰值功率

。

关键词：脊型谐振腔;输人耦合器；等效电路模型

中图分类号：TL503. 2 文献标志码：A 文章编号！000-6931(2021)03-0555-06

doi：10. 7538/yzk. 2020. youxian. 0284

Development of Input Coupler

for 10 MeV/50 kW Ridgetron Accelerator

YANG Yu，ZHU Zhibin*，WU Qingfeng，WANG Xiulong

{Department of Nuclear Technology Application

，

China Institute of Atomic Energy，Beijing

102413?

China)

Abstract

:

10 MeV/50 kW Ridgetron accelerator is a new type of high-power electron

irradiation accelerator. The radio frequence power required in its accelerating cavity is

up to one hundred kilowatts. Therefore

，

a high-power input coupler was specially devel­

oped. The coupler consists of ceramic window

，

inner and outer conductors and coupling

loop. The final structure was determined by equivalent circuit analysis and simulation

calculation. In order to carry out commissioning of Ridgetron accelerator

，

a detachable

ceramic window and a rotatable coupling loop were adapted in the coupler design. And

water cooling channels were designed in the inner conductor

，

outer conductor and

coupling loop to take away the heat generated by power transmission.

coupling degree of the input coupler can be adjusted in the range of 0 to 2.2

，

and

收稿日期！020-04-27;修回日期！020-07-04

基金项目

：

中核集团集中研发项目资助（FA16000104直线）

作者筒介：杨誉（1992—），男，江西樟树人，工程师，硕士，从事加速器及微波技术研究

"通信作者

:

朱志斌

，

E

-

mail:

***************.cn

556

原子能科学技术 第55卷

through it the pulse peak power of 100 kW has been successfully injected into the Ridge­

tron cavity.

Key

words： Ridgetron cavity； input coupler； equivalent circuit model

电子辐照加速器具有成本低、无污染的特

点，作为辐照加工的基础设备之一，已被广泛应

用在医疗用品消毒、食品保鲜和辐射化工等领

域。目前已有多种不同类型的加速器研制成功

并得到应用，如电子直线加速器、梅花瓣型加速

返共2)次加速后束流能量最终可达1)MeV。

b

A

c

电

漂

子

移

枪

管

器[1]等。脊型加速器是一种新型的高能大功率

电子辐照加速器)3]，其采用较低的工作频率，

可用于加速〇. 5〜10 MeV的连续波电子束。

Noriyou等）]于20)2年研制了一脊型加速

器，并获得了 2. 5 MeV/2. 5 mA的电子束流。

中国原子能科学研究院开展了一脊型加速器[4]

的研究，该加速器设计的束流能量为10 MeV，

束流功率为50 kW。

输入耦合器是加速器的一关键部件，作用

是将射频功率注入腔体，通过对其结构的设计

保证腔体的耦合度、谐振频率等达到要求。为

达到脊型加速器的技术指标，需将100kW的

射频功率通过输入耦合器馈入到加速腔，目前

国内外同量级功率水平的耦合器较少，本文将

介绍该输入耦合器的研制。

1脊型加速器

脊型加速器主要由脊型谐振腔和偏转磁铁

构成，脊型谐振腔由一圆柱形腔体中对称放置

两个金属电极板构成，偏转磁铁分布在谐振腔

外。为研制用于大功率辐照的10MeV/50kW

脊型加速器，设计了图1所示的双腔脊型加速

器方案。脊型谐振腔内电磁场模式为TE110

模，电场集中在两个电极之间，电子束通过金属

电极板内的束流孔道，依次经过并列放置的两

腔体中的电极间隙时获得加速，之后通过两侧

的180°偏转磁铁重新进入加速腔，如此经过多

次往返加速后达到最终能量。

该方案中两个脊型谐振腔完全相同，图2

所示为单腔三维模型，腔体直径约1 -，长度约

2 m。谐振腔频率为100 MHz，品质因数Q理

论值约30 000。设计的束流流强为5 mA，每

次束流通过电极间隙时可获得0. 5 MeV的能

量，金属极板中分布有10条束流通道，经过往

偏

c

转

磁

e

铁

◎

图1双腔脊型加速器工作原理

Fig. 1 Working principle

of double cavity Ridgetron accelerator

图2脊型谐振腔三维模型

Fig. 2 Three-dimensional model

of Ridgetron cavity

2输入耦合器设计

在工作模式下，图2中脊型谐振腔内的电

场主要集中在两金属电极之间，磁场则围绕金

属板电极分布在整个腔体中，分析可知，该腔适

合采用耦合环的方式在腔壁附近注入射频功

率。图2腔体上方预留有输入耦合器的安装管

道，用于向腔体中探入耦合环。

2. 1耦合环等效分析

图3所示为脊型谐振腔和输入耦合器的耦

合原理示意图，B为同轴传输线上的一失谐短

路参考面，了为束流中心线所在平面。

根据等效原理可知，图3中脊型谐振腔可

等效成一只LC并联谐振电路，i?、L、C分别为

谐振腔的等效电阻、等效电感和等效电容，耦合

环可等效成一变压比为1 : ^的理想变压器[56]。

第3期 杨誉等：10

MeV

/50

kW

脊型加速器输入耦合器的研制557

图 <所示为谐振腔与耦合器的等效电路，乙为

同轴传输线特性阻抗。

腔体横截面平行情况下的结果，实际情况下耦

合环与腔体横截面存在夹角化则耦合环实际

面积应满足

：

Supercov

$

C

Saiy

coupler

槡

(5)

等效电阻

R

是腔体的分路阻抗，同轴传输

线的等效阻抗

Z = 50 1

得到腔内磁场分布

后，依据式(

5

)即可由所需耦合度得到耦合环面

积

。

同样由式（

5

)可知

，

当耦合环面积确定时

，

图3脊型谐振腔和输入耦合器示意图

Fig. 3 Schematic of Ridgetron and input coupler

Zc : 1 : «

T〇 T

图 < 脊型谐振腔和输入耦合器的等效电路

Fig. 4 Equivalent circuit

of Ridgetron cavity and input coupler

耦合度^是表征同轴传输线与加速腔耦合

强度的参数，是衡量耦合器的主要指标，其定

义为&

.=

Hext/PCav

⑴

Het

和

hav

分别为腔外负载功耗和腔内损

耗

，

.=1表示同轴传输线与脊型谐振腔为临界

耦合状态，此时腔体无反射，工作在匹配状态。

当腔体工作在谐振频率时，由图4的等效电路

可得出&

.=

R

/

n

2

Zc

(2)

脊型加速器的束流功率

Hb_

较大，工作状

态下必须考虑束流负载，此时耦合度为：

.=1

L

Hbeam/HCav

(3)

采用文献[7]的计算方法，可得到耦合环面

积

Super

与耦合度.之间的关系&

Coupler 1 cavity

Zcavity

^/^

Zc

广（）

coupler 槡

其中

：S_ty

为脊型谐振腔上半部分的横截面

积

;zcvy

和

zur

分别为脊型谐振腔上半部分

和耦合环内的磁场均值。式（4)是在耦合环和

通过改变$可调节耦合度

。

2.2耦合器结构设计

图

5

所示为设计的输入耦合器结构

，

主要

包括陶瓷窗

、

外导体

、

内导体和耦合环

。

陶瓷窗

上方连接传输功率的同轴馈管

，

下方通过法兰

与焊接为整体的外导体、内导体及耦合环进行

连接

。

图5输入耦合器结构设计

Fig. 5 Structure design of input coupler

目前国内外大功率耦合器中，陶瓷窗多采

用薄壁平板型和套管式结构[]，平板型陶瓷窗

易于加工且适用于较大功率，而套管式陶瓷窗

可抑制二次电子发射但结构较复杂，本文选择

平板型陶瓷窗结构。鉴于国内尚无100

MH

z

频率段的陶瓷窗成品，且高性能陶瓷片的烧制

经验不足，为方便耦合器的调试维护和升级更

换，采用美国

mega

公司的平板型陶瓷窗产

品。该陶瓷窗采用99]氧化铝，并在陶瓷片表

面镀有

TiN

以抑制二次电子倍增，可承受120

k

_

的射频功率传输且可独立进行拆卸，在国外相

关加速器中也已成功得到应用）]。

图5中外导体上端配有同轴波导法兰用

于连接陶瓷窗，其后设计一段圆锥形结构用

于阻抗均匀过渡，中间位置处配一真空活套

法兰，用于该耦合器的密封安装，同时便于耦

558

原子能科学技术 第55卷

合度的调节。

由于通过耦合器注入的射频功率很高，外

导体、内导体和耦合环均采用无氧铜材料，以降

低功率传输过程中的损耗。考虑到耦合环上存

在非常大的表面电流，为降低损耗并预留内部

水冷通道所需体积，耦合环采用图

C

所示的较

厚较宽的

U

形环状结构。

为一7. 2

dB

，对应耦合度为2. 54,达到了耦合

度设计值。0=<3°谐振频率点反射系数为

一 16

dB

，对应耦合度为1. 38,可满足当前单腔

25

k

_束流功率的使用需求。

图6耦合环结构设计

Fig. 6 Structure design of coupling loop

设

w

为耦合环厚度，/为耦合环宽度，和

6分别为

U

形截面长和宽^为圆角半径，耦合

环面积公式如下&

^coupler

C

ab

— 2

r

2 " —

(6)

根据以上分析和设计，利用式（5)、（6)可由

耦合度得出耦合环面积及相关尺寸，实践中最

终各尺寸由仿真计算进行确定。

2.3耦合器仿真计算

研制的10

MeV

/50

k

_脊型加速器工作

时要在极板间建起〇. 5

MeV

的加速电压，对腔

体计算可知腔壁上的功率损耗约65

k

_。单腔

中束流功率为25

k

_，则由式（3)可知，所需耦

合度为1.38。为便于进行调试，同时考虑到该

脊型加速器具有将束流功率提升到100

k

_级

的潜力，此次研制的输入耦合器采用单腔束流

功率为100

k

_时对应的耦合度2. 54,在确定

耦合环面积后，通过调整0达到当前所需的耦

合度1.38。

建立的脊型加速腔和耦合器整体模型如

图

A

所示，设置0为0。利用式（5)、（6)得到初

步尺寸后进一步调整优化，最终确定耦合环面

积为15.8

cm

2,图8所示为反射系数

S

n的最

终仿真结果。

由图8可知，腔体谐振频率在100. 825

MHz

附近，耦合器插入导致了频率上升，后续可通过

调谐器进行调节。0=0°谐振频率点反射系数

图7脊型加速腔和耦合器整体模型

Fig. 7 Model of Ridgetron cavity

with input coupler

图8 Sn参数最终仿真结果

Fig. 8 Final simulated result of Sn parameter

因为耦合器通过的功率非常高，所以必须

设计合适的水冷方式。图

Ga

为输入耦合器中

的水路方案，内外导体中均分布有矩形水冷沟

槽，尺寸为8

mmX

<

mm

，耦合环中也有两条直

径为<

mm

的圆形进出水路，用于连通内外导

体形成冷却回路。耦合器上的功率损耗主要集

中在头部和耦合环上，图9

b

为匹配情况下输入

165

k

_功率时耦合器的温度分布模拟结果，

计算采用实际测试中的流量0.6

L

/

min

，矩形

水冷沟槽中流速为0. 31

m

/

s

，得到耦合器上最

大温升约22

D

，满足运行要求。

3测试结果分析

耦合器加工完成后，安装在脊型谐振腔上

方，利用矢量网络分析仪进行测试，得到腔体频

第3期 杨誉等：10

MeV

/50

kW

脊型加速器输入耦合器的研制559

率为100.132

MHz

。旋转耦合器至不同化测

试反射系数曲线后计算耦合度得到的结果如

图10所示。可看出，耦合度与0余弦值的平方

符合式(5)揭示的线性关系，当0=0°时，耦合度

最大为2. 2,通过调节0可实现0〜2. 2之间的

不同耦合度。

10

kW

，测试期间温度变化不明显，未发现射频

击穿现象。

表1耦合器的主要测试参数

Table 1 Main measured parameters of coupler

参数

数值

备注

图9耦合器水冷通道7与热力学仿真结果（b)

Fig. 9 Water cooling channel (a) and

thermal simulated result of coupler (b)

图10耦合度测试结果与模拟结果

Fig. 10 Test and simulated results

of coupling coefficient

耦合度测试的最大值为

2

.

2

,是模拟结果

2. 5<

的

87]

测试结果偏低的原因在于腔

体实际

Q

—般只达到理论值的

80]〜90]

。

脊型谐振腔

Q

的理论值为

30 000

,实测值达

到了理论值的

90]

约

27 000

,

此时腔体实

际的分路阻抗仅理论值的

90]

。

由式

（5

)可

知，耦合度会随分路阻抗发生变化，因此实

际耦合度偏低合理，该耦合器仍满足实际使

用要求

。

耦合器高功率测试结果列于表

1

。

在工作频

率下，已成功通过耦合器向腔体中注入

100 kW

的

脉冲峰值功率

。

目前耦合器平均功率最高达

工作频率

100. 132 MHz

占空比

1]〜10]

脉冲模式工作

峰值功率

100 kW

驻波比低于1.2

真空系统

压力低于1X10-6 Pa

漏率低于 1X10-10 Pa. L/s

4结论

通过等效电路分析及结构仿真计算，本文

设计了 10 MeV/50 kW脊型加速器的输入耦

合器，该耦合器采用了便于维护的可拆卸平板

型陶瓷窗，并在内外导体及耦合环内部设计了

冷却回路。经测试，该耦合器耦合度可在0〜

2.2范围内调节，在频率和耦合度方面满足向

脊型谐振腔注入射频功率的要求。目前该耦合

器已成功向腔体中注入了 100 kW的脉冲峰值

功率，相关经验可为同频率段、同功率水平耦合

器的研制提供技术参考。

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