第55卷第3期 2021年3月
原子能科学技术
A to m ic E n e rg y Science and T e c h n o lo g y
V o l. 55，N o.3
M a r. 2021
10
M eV /
50
k W
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 M e V /50k W 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 k W 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
A b s tra c t : 10 M e V /50 k W R id g e tro n accelerator is a new typ e o f h ig h -p o w e r e lectro
n irra d ia tio n accelerator. T h e radio frequence po w e r re q u ire d in its accelerating c a v ity is up to one h u n d re d k ilo w a tts. T h e re fo re ，a h ig h -p o w e r in p u t cou p ler w as sp e cia lly developed. T h e coupler consists o f ceram ic w in d o w ，in n e r and o u te r conductors and co u p lin g loop. T h e fin a l s tru c tu re w as de te rm in ed b y e q uivalent c irc u it analysis and s im u la tio n ca lcu la tio n. In o rd e r to c a rry o u t co m m issio n in g o f R id g e tro n a c c e le ra to r ，a detachable ceram ic w in d o w and a ro ta ta b le co u p lin g loop w ere adapted in th e coupler design. A n d w a te r coo lin g channels w ere designed in the in n e r c o n d u c to r ， o u te r c o n d u cto r and c o u p lin g loop to take
aw ay th e
heat
generated
by po w e r
tra n sm issio n.
c o u p lin g degree o f th e in p u t co u p ler can be adjuste
d in th
e range o
f 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: ***************
Development of Input Coupler
for 10 MeV/50 kW Ridgetron Accelerator
Y A N G Y u ，Z H U Z h ib in *，W U Q in gfe n g ，W A N G X iu lo n g
{Department o f Nuclear Technology A p p lica tion ，China Institute o f Atomic E n erg y ，Beijing 102413? China)
556原子能科学技术 第55卷
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L C 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]。
返共2)次加速后束流能量最终可达1)M e V 。
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)3]，其采用较低的工作频率， 可用于加速〇. 5〜10 M e V 的连续波电子束。 N o r i y o u 等）]于20)2年研制了一脊型加速 器，并获得了 2. 5 M e V /2. 5 m A 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 M e V ， 束流功率为50 k W 。
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100k W 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10M e V /50k W 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T E 110 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 M H z ，品质因数Q 理 论值约30 000。设计的束流流强为5 m A ，每 次束流通过电极间隙时可获得0. 5 M e V 的能 量，金属极板中分布有10条束流通道，经过往
th ro u g h it the pulse peak p o w e r o f 100 k W has been su ccessfully inje cte d in to th e R id g e tro n cavity.
K ey w o rd s ： R id g e tro n c a v ity ； in p u t c o u p le r ； e q u ivale n t c irc u it m odel
漂移管
A
c
c
e ◎
电子b 偏转磁
铁
第3期杨誉等：10MeV/50kW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。
图3脊型谐振腔和输入耦合器示意图 Fig. 3Schematic 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&
.=H e x t/P C a v⑴
H e t和h av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/n2Zc(2)脊型加速器的束流功率H b_较大，工作状 态下必须考虑束流负载，此时耦合度为：
.=1L H b e a m/H C a v(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&
Z c a v ity^/^Z c广（）
C o u p le r 1c a v ity
c o u p le r 槡
其中：S_ty为脊型谐振腔上半部分的横截面积;z c v y和z u r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：
Su p ercov $ C S aiy(5)
c o u p le r 槡
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，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. 5Structure 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 M H 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m e g a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T i N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。
图6耦合环结构设计
Fig. 6Structure 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&
^co u p le r C ab—2r2"—(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 M e V/50 k_脊型加速器工作 时要在极板间建起〇. 5M e V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 cm2，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 M H z 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为一7. 2d B，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 d B，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7脊型加速腔和耦合器整体模型
Fig. 7Model of Ridgetron cavity
with input coupler
图8S n参数最终仿真结果
Fig. 8Final 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G a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 m m X< m m，耦合环中也有两条直 径为< m m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 165k_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/m in，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：10MeV/50kW脊型加速器输入耦合器的研制559
率为100.132 M H z。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。
图9耦合器水冷通道7与热力学仿真结果（b) Fig. 9Water 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 k W的脉冲峰值功率。目前耦合器平均功率最高达10 k W，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 1Main measured parameters of coupler
参数数值备注
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1X10-6P a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 M e V/50k W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 k W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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