粒子加速器中RFQ加速結構的多物理場耦合研究.pdf

1、射頻四極場加速器RFQ（Radio Frequency Quadruple）是現(xiàn)代直線加速器中低能加速段必不可少的加速結構。對于連續(xù)波（CW）運行模式的RFQ腔體來說，工作在連續(xù)波模式下的熱問題是非常具有挑戰(zhàn)性的主要問題，連續(xù)工作方式和高束流強度對RFQ加速器的冷卻系統(tǒng)提出了很高的要求。因其平均功耗大和水冷系統(tǒng)復雜，RFQ加速器的熱問題成為了國際技術難題，電磁、熱、結構的多物理場耦合研究對于RFQ加速結構的設計至關重要。CAE技術是工程

2、和產品分析中必不可少的數(shù)值計算工具。本課題將CAE軟件跟RFQ加速器的熱問題相結合，完成了腔體的多物理場耦合研究，解決了中國科學院先導專項“中國加速器驅動的嬗變裝置”CADS(China Accelerator Driven Sub-critical System)中的四翼型 RFQ（CADS-RFQ）腔體的高頻熱帶來的不能穩(wěn)定運行的問題，并且基于參數(shù)化分析，對RFQ加速器的載束加速實驗提供了關鍵的理論數(shù)據(jù)支撐。另外，本文對蘭州重離子國

3、家實驗室重離子研究裝置的分離扇回旋加速器SSC(Separate Sector Cyclotron)升級改造項目中的四桿型RFQ腔體（SSC-RFQ）進行了模擬分析，對其腔體冷卻系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，保證了工程的成功實施。
　　本文首先闡述了國際上RFQ加速器發(fā)展的歷史以及現(xiàn)狀，總結了高功率連續(xù)波強流質子RFQ存在的問題，多物理場耦合分析是腔體能夠穩(wěn)定運行的關鍵技術問題；之后詳細介紹了多物理場耦合涉及到的相關理論知識。
　　論文

4、的主體部分詳細闡述了CADS-RFQ和SSC-RFQ多物理場耦合研究過程,針對其不同的結構特點利用不同的仿真策略對腔體進行分析。針對CADS-RFQ采用了二維和三維仿真結合，并對其關鍵因素進行了參數(shù)化研究，并設計進行了相關的實驗來驗證研究結果，在RFQ加速器實際的載束運行中，參數(shù)化分析的結果，為腔體的成功運行也提供了數(shù)據(jù)支撐。對于 SSC-RFQ，采用了三維模型進行仿真，驗證了冷卻水路的冷卻能力，保證了腔體滿功率的穩(wěn)定運行。
　　

5、本課題針對兩種類型的RFQ——四翼型RFQ和四桿型RFQ分別做了多物理場耦合分析以及實驗研究。主要研究內容以及結論如下：
　　（1）主要對CADS-RFQ以及SSC-RFQ進行了多物理場耦合分析，完成了高頻分析-熱分析-結構分析-二次高頻分析的流程，最終完成了兩個RFQ冷卻水路的優(yōu)化分析，保證了在正常的工況下高功率的RFQ腔體可以正常運行。
　　（2）針對CADS-RFQ的運行條件，對RFQ腔體運行時候的功率加載、環(huán)境溫度變

6、化、冷卻水路流速、冷卻水溫度等進行參數(shù)化分析，據(jù)此對RFQ腔體的運行水壓、流量、外部溫度等進行優(yōu)化選擇，保證了腔體可以在滿功率下正常運行。并且設計相關實驗，同仿真結果比較，得到了很好的一致性。
　　（3）根據(jù)參數(shù)化分析的結果，在束流加載中根據(jù)仿真數(shù)據(jù)通過改變冷卻系統(tǒng)的水溫對腔體進行調節(jié)，保證了CADS-RFQ腔體載束實驗的成功，這是國內首次實現(xiàn)高功率連續(xù)質子束流的穩(wěn)定加速。
　?。?）由于 SSC-RFQ腔體結構不對稱，只能

7、對其整體進行三維多物理場耦合研究。模擬在連續(xù)波滿功率的運行條件下，SSC-RFQ腔體頻率漂移與饋入功率大小及冷卻水流速的關系。分析得出腔體的溫度變化、位移變化及頻率漂移情況均與饋入功率的變化成正比，且基本呈現(xiàn)線性變化趨勢。分析還發(fā)現(xiàn)過多提高流速并不能達到理想的冷卻效果，將水流速度保持在2.0m/s到2.5m/s的范圍內是最佳選擇。SSC-RFQ腔體在完成加工、組裝及測試后，進行實驗并比較實驗結果后發(fā)現(xiàn)，實驗結果與模擬分析結果的誤差為10

8、％,在可接受范圍內。
　　本論文通過CAE軟件ANSYS在設計階段的多物理場耦合研究，就CADS注入器Ⅱ和SSC注入器兩個工程中的RFQ腔體進行了分析，并對關鍵因素進行了參數(shù)化分析，優(yōu)化設計了腔體的冷卻水路及運行參數(shù)，保證了工程的可實現(xiàn)性。利用CADS-RFQ腔體進行了耦合實驗，實驗結果跟仿真結果高度一致，國內首次完成連續(xù)波RFQ腔體的耦合仿真與實驗結果的相互驗證。同時為CADS-RFQ載束運行提供了理論分析，實現(xiàn)了國內首個連續(xù)波