硼中子俘获治疗加速器ECR质子源电磁场仿真设计

电子回旋共振(ECR)质子源具有可给流强高、亮度高、可靠性高、使用频率高、易维护、小型化等优点,因而被硼中子俘获治疗(BNCT)装置的直线加速器所采用。本文利用CST软件对2.45 GHz ECR质子源进行优化设计。优化后ECR质子源的等离子体发生器腔体的尺寸为101.12 mm×45.00 mm,给出了脊波导耦合器的最优尺寸参数,使等离子体发生器腔体内电场强度提高为普通波导的4.5倍。通过Opera-3D对ECR质子源的引出电极结构进行了仿真计算,并给出了优化参数。另外,初步设计了质子源的线圈磁铁系统,优化了磁场分布。本文结果为质子源的研制提供了数据。     

固定调谐器对散裂中子源DTL电场稳定性的影响

中国散裂中子源(Chinese Spallation Neutron Source,CSNS)漂移管直线加速器(Drift Tube Linac,DTL)分为4个物理腔,于2015年12月正式投入运行。在DTL腔体低功率测量过程中,除DTL-1外,DTL-2、DTL-3和DTL-4工作频率均偏低,需要补偿的量超出了固定调谐器的调谐范围。原因发现是固定调谐器插入腔内过深,谐振腔模式发生耦合,腔体的双周期链被破坏,轴向电场稳定性不达标。利用CST(Computer Simulation Technology)软件计算轴向电场稳定性特性,给出耦合杆分组规律,加快了调谐效率。DTL-2所有固定调谐器达到行程极限,将两个可动调谐器在50 mm内长基础上向内延伸10 mm,工作频率达标;DTL-3和DTL-4在耦合杆上增加相同尺寸调谐环补偿频率。改进后的低功率测量结果表明:电场平整度达到±2%以内,稳定性调谐至±150%/MHz以内,温度25°C时谐振频率调整至323.9 MHz±10 k Hz,均满足工程使用要求。     

漂移管直线加速器加速电场分布及稳定性调谐研究

漂移管直线加速器(DTL)加工和安装的误差会导致腔内加速电场分布偏离设计值。为了补偿该偏差,通常在腔内安装调谐装置。同时,在腔内引入耦合杆周期结构,通过调节耦合杆与漂移管之间的间隙,可提高DTL腔内加速电场的稳定性。本文基于高频谐振腔理论和小球拉线测量技术,搭建了一套高精度电场测量系统。结合仿真模拟和实验,实现了中国散裂中子源(CSNS)DTL的加速电场和稳定性调谐,使得腔内实际加速电场分布与设计值相对偏差小于2%,谐振频率和电场稳定性均达到设计指标。     

高压输电线下有建筑物时工频电场计算中模拟电荷设置方法的改进

用模拟电荷法计算高压交流输电线路附近有建筑物时的工频电场,需要在建筑物表面及其附近地面设置若干个模拟电荷和匹配点.由于正六边形是无重叠、无空隙覆盖平面区域的最优形状,因此采用蜂窝状网格划分建筑物表面,进而设置模拟电荷.仿真结果表明,与传统的正方形格状划分相比,在精度相同的前提下,该划分方式可以有效减少模拟电荷的数量,提高计算速度.针对传统的模拟电荷均匀设置的方式,提出在场强变化大或感兴趣的区域将划分网格缩小,反之增大的方案,仿真结果证明了该方案可以进一步改善计算精度和减少模拟电荷的数量.     

CSNS-II超导椭球腔的高频设计和二次电子倍增研究

中国散裂中子源二期(China Spallation Neutron Source,CSNS-Ⅱ)升级,直线加速器能量增益将由现在的80 MeV提高到300 MeV,打靶束流功率由100 kW提高到500 kW。直线加速器升级采用Spoke腔加椭球腔的全超导结构,其中5-cell椭球腔负责把H-从150 MeV加速到300 MeV,工作频率为648 MHz,几何βg(βgλ/2为椭球腔单元长度,λ为工作波长)取0.60。利用三维全波电磁场仿真软件CST (Computer Simulation Technology)对该椭球腔进行了研究分析,优化了椭球腔的高频参数和几何尺寸,使得轴向电场平整度、峰值电场比、峰值磁场比分别达到98.2%、2.70和4.89 m T?(MV/m)-1,R/Q值为305.59Ω。通过计算分析椭球腔的二次电子倍增效应,对发生二次电子倍增严重的地方进行了形状改良,减弱二次电子倍增,并且加速梯度在8 MV?m-1以上完全抑制了二次电子倍增。另外,对椭球腔的洛伦兹力进行了初步计算分析。     

CSNS-II低β超导椭球腔的电磁设计

为中国散裂中子源二期工程(Chinese Spallation Neutron Source-Ⅱ,CSNS-Ⅱ)设计了一种低β超导椭球腔,利用2D程序SUPERFISH对该腔体的单元尺寸和高频等设计参数进行优化,获得的工作频率为648 MHz,几何β(β_g)为0.47,单元个数为5,峰值电场比E_(pk)/E_(acc)、峰值磁场比B_(pk)/E_(acc)和轴向电场平整度分别为3.35、6.1 mT?(MV/m)~(-1)和98.42%。通过2D软件MultiPac和3D软件CST粒子工作室(Computer Simulation Technology Particle Studio,CST PS)分析了优化后腔型的二次电子倍增情况,2D结果显示在峰值场0～80 MV?m~(-1)区间,二次电子发射系数小于1,表明整个腔体不会发生Multipacting(MP)效应。与2D结果不同,3D结果表明在椭球赤道位置存在MP效应,但在赤道处引入一个小凸起,并进行适当的后处理和高功率老练,则可以显著抑制MP效应。与国际上同类型椭球腔进行对比,主要高频性能参数基本相当。     

中波广播辐射场近区、过渡区、远区的分析

从偶极子天线的完整场分布出发,结合近区场和远区场的特点,在保证误差精度为1dB的前提下,经理论分析计算及MATLAB拟合对比,得到了偶极子天线近区、过渡区、远区的范围,并给出了过渡区的简化计算公式,这为中波广播周围电磁环境的计算以及测量提供了理论依据。     

特高压交流输电线路电晕放电对工频电场的影响

目前,中国投入运行的交流输电线路中电压等级最高的已达到1 000 kV,为了精确计算超/特高压输电线路的工频电场,笔者基于模拟电荷法,建立了考虑电晕放电的计算模型。模型中需要计算导线周围离子流场中正负电荷的运动、复合及最终在宏观上达到稳态的过程。空间中任意一点的工频电场由导线内的束缚电荷和空间中的电离电荷共同决定。其创新点在于每根分裂子导线单位长度的电量仅用一个模拟线电荷等效代替。与现有文献中仿真结果的比对验证了文中计算模型的正确性。对1 000 kV三相8分裂交流输电线路的算例进行仿真计算,并与测量数据对比分析,得出电晕放电使地面工频电场增加约5%的结论。