【摘要】：在自由電子激光太赫茲源(THz-FEL)的相關(guān)研究中,作為注入器的電子直線加速器占有重要地位。其中行波加速管影響著注入器出口處的電子束品質(zhì),進(jìn)而影響整個(gè)裝置所產(chǎn)生的THz輻射的頻譜、功率等關(guān)鍵參數(shù)。本文主要在已有THz源直線加速器的基礎(chǔ)上,以提高束流品質(zhì)和保證加速器穩(wěn)定運(yùn)行為目標(biāo),對帶同軸負(fù)載的高功率行波加速管進(jìn)行了相關(guān)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化模擬以及熱特性分析。緊湊型直線加速器的加速結(jié)構(gòu)主要有輸入耦合器、行波加速管以及同軸吸收負(fù)載等三個(gè)部分。為滿足電子束團(tuán)的指標(biāo)要求,論文根據(jù)行波加速腔的基本原理以及束流動(dòng)力學(xué)方程,在不同的加速管饋入功率下利用PARMELA軟件完成了束流動(dòng)力學(xué)模擬,得到了滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的束流參數(shù)并根據(jù)功率流方程計(jì)算得到了加速管的功率損耗。在此基礎(chǔ)上,為滿足THz-FEL直線加速器緊湊型的要求,引入了FeSiAl吸波材料的同軸吸收負(fù)載結(jié)構(gòu)并設(shè)計(jì)了等功耗型同軸負(fù)載腔。在加速管束流分析完成后,還需對相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化模擬。加速管中的微波能量需要從輸入耦合器中饋入,而耦合器的性能以及結(jié)構(gòu)也對束流品質(zhì)有著較大的影響。在基于高頻仿真軟件HFSS完成單邊耦合器的設(shè)計(jì)以及性能模擬之后,重點(diǎn)對場不對稱性作了深入研究,將單邊耦合、單邊偏心以及雙邊對稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析,得到了相關(guān)結(jié)論。最后對模擬的雙邊對稱耦合結(jié)構(gòu)作熱結(jié)構(gòu)分析,為以后水冷的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。為保證加速器穩(wěn)定運(yùn)行,對加速管以及同軸吸收負(fù)載進(jìn)行了一體化水冷的熱特性分析。仿真結(jié)果表明加速管的溫度分布滿足穩(wěn)定工作要求,而同軸吸收負(fù)載在相關(guān)優(yōu)化之后溫度梯度和頻率偏移均有所減小。最后對設(shè)計(jì)的負(fù)載腔進(jìn)行實(shí)物加工和實(shí)驗(yàn)測量,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)可行性并分析了誤差來源。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TL53
【圖文】：

圖 1-1 電磁波頻譜分布技術(shù)主要研究 THz 波的產(chǎn)生及應(yīng)用，近些年隨著超快激光技術(shù)性的研究也取得了較大突破。THz 波兼具兩側(cè)相鄰頻段電磁波的量低、穿透能力強(qiáng)、頻帶寬和脈寬窄等優(yōu)點(diǎn)，因此 THz 時(shí)域光譜有很大的研究潛力，在生物化學(xué)應(yīng)用研究、工業(yè)無損檢測分析、網(wǎng)絡(luò)通信以及軍事偵查、反恐治安等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景和

圖 1-2 HUST THz-FEL 裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖HUST THz-FEL 源裝置的重要特征之一是緊湊性。整個(gè)裝置大體上分為注入器和激發(fā)器兩部分，其中注入器包括微波系統(tǒng)、電子槍、加速管及其聚焦系統(tǒng)、輸運(yùn)線系統(tǒng)等，主要負(fù)責(zé)提供滿足 THz 光激發(fā)的電子束，而激發(fā)器則包括波蕩器、光學(xué)諧振腔波導(dǎo)以及兩端的光學(xué)反射鏡，主要用于提供周期磁場以及光學(xué)系統(tǒng)，以使電子束在磁場和光場的共同作用下達(dá)到飽和的 THz 輻射。除了以上主體部分，還包括水冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)等輔助裝置。THz-FEL 源系統(tǒng)的物理過程可以描述為：微波信號發(fā)生器產(chǎn)生的 mW 量級微波功率經(jīng)固態(tài)放大器放大后，由同軸線饋入速調(diào)管進(jìn)一步放大至 MW 量級，然后由波導(dǎo)分兩路分別饋入電子槍和加速管；另一方面，電子束團(tuán)從陰極發(fā)射后進(jìn)入兩個(gè)駐波腔聚束并獲得一定的初始能量，然后漂移進(jìn)加速管中繼續(xù)吸收微波能量直至8~14MeV（連續(xù)可調(diào)），從出口處出來的電子束團(tuán)還需要經(jīng)過輸運(yùn)線各磁鐵至達(dá)到匹配要求，最終漂移至波蕩器的周期磁場中做橫向振蕩運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生 1~3THz 的輻射波[6]，

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2713788