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)

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[2-3]，其采用较低的工作频率，可用于加速0.5～10 MeV的连续波电子束。Noriyosu等[2]于2002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100 kW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10 MeV/50 kW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 m，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，经过往返共20次加速后束流能量最终可达10 MeV。

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，T0为同轴传输线上的一失谐短路参考面，T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RLC并联谐振电路，R、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∶n的理想变压器[5-6]。图4所示为谐振腔与耦合器的等效电路，Zc为同轴传输线特性阻抗。

图3 脊型谐振腔和输入耦合器示意图Fig.3 Schematic of Ridgetron and input coupler

图4 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β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：

β=Pext/Pcav

(1)

Pext和Pcav分别为腔外负载功耗和腔内损耗，β=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：

β=R/n2Zc

(2)

脊型加速器的束流功率Pbeam较大，工作状态下必须考虑束流负载，此时耦合度为：

β=1+Pbeam/Pcav

(3)

采用文献[7]的计算方法，可得到耦合环面积Scoupler与耦合度β之间的关系：

(4)

(5)

等效电阻R是腔体的分路阻抗，同轴传输线的等效阻抗Zc=50 Ω，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，通过改变θ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[8]，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 MHz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 kW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[9]。

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6所示的较厚较宽的U形环状结构。

图6 耦合环结构设计Fig.6 Structure design of coupling loop

设w为耦合环厚度，l为耦合环宽度，a和b分别为U形截面长和宽，r为圆角半径，耦合环面积公式如下：

Scoupler=ab-2r2(1-π/4)

(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 kW脊型加速器工作时要在极板间建起0.5 MeV的加速电压，对腔体计算可知腔壁上的功率损耗约65 kW。单腔中束流功率为25 kW，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 kW级的潜力，此次研制的输入耦合器采用单腔束流功率为100 kW时对应的耦合度2.54，在确定耦合环面积后，通过调整θ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7所示，设置θ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 cm2，图8所示为反射系数S11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。θ=0°谐振频率点反射系数为-7.2 dB，对应耦合度为2.54，达到了耦合度设计值。θ=43°谐振频率点反射系数为-16 dB，对应耦合度为1.38，可满足当前单腔25 kW束流功率的使用需求。

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 S11参数最终仿真结果Fig.8 Final simulated result of S11 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9a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 mm×4 mm，耦合环中也有两条直径为4 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9b为匹配情况下输入165 kW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 ℃，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，得到腔体频率为100.132 MHz。旋转耦合器至不同θ，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θ余弦值的平方符合式(5)揭示的线性关系，当θ=0°时，耦合度最大为2.2，通过调节θ可实现0～2.2之间的不同耦合度。

图9 耦合器水冷通道(a)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2.54的87%，测试结果偏低的原因在于，腔体实际Q一般只达到理论值的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

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。