可批量化生產(chǎn)的行波加速管的設(shè)計(jì)

戴責(zé)已　　鐘少鵬　　趙明華（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所　嘉定園區(qū)　　上?！?0800）2（中國(guó)科學(xué)院大學(xué)　　北京　00049）

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可批量化生產(chǎn)的行波加速管的設(shè)計(jì)

戴責(zé)已1，2鐘少鵬1趙明華1
1（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所嘉定園區(qū)上海201800）2（中國(guó)科學(xué)院大學(xué)北京100049）

摘要盤(pán)荷波導(dǎo)行波電子直線(xiàn)加速器在醫(yī)療、工業(yè)輻照及安檢等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，加速器核心部件加速管的工程造價(jià)及生產(chǎn)效率對(duì)其工業(yè)推廣具有重要的影響。為降低加速管加工成本、縮短加工周期，在盤(pán)荷波導(dǎo)的基礎(chǔ)上改進(jìn)了加速腔結(jié)構(gòu)，發(fā)展了內(nèi)階梯加速腔。利用三維電磁場(chǎng)模擬軟件CST（ComputerSimulation Technology）計(jì)算了這種腔型的微波參數(shù)，同時(shí)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，內(nèi)階梯加速腔結(jié)構(gòu)具有和盤(pán)荷波導(dǎo)一致的微波參數(shù)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)精確調(diào)頻。結(jié)合冷擠壓工藝對(duì)內(nèi)階梯加速腔進(jìn)行加工，解決了目前加速管制造所面臨的工程困難，使得加速管批量化生產(chǎn)成為可能。

關(guān)鍵詞加速管，內(nèi)階梯加速腔，精確調(diào)頻，冷擠壓，批量化生產(chǎn)

中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重大項(xiàng)目（No.455011061）資助

第一作者：戴責(zé)已，男，1990年出生，2013年畢業(yè)于南華大學(xué)，現(xiàn)為研究生碩士，研究領(lǐng)域?yàn)榧铀俟茉O(shè)計(jì)

SupportedbytheKnowledgeInnovationProjectoftheChineseAcademyofSciences（No.455011061）

Firstauthor:DAIZeyi，male，bornin1990，graduatedfromUniversityofSouthChinain2013，masterstudent，focusingontheaccelerationtubedesign Correspondingauthor:ZHAOMinghua，E-mail:zhaominghua@sinap.ac.cn

Design of travelling wave accelerating tube for mass production

DAIZeyi1，2ZHONGShaopeng1ZHAOMinghua1
1（ShanghaiInstituteofAppliedPhysics，ChineseAcademyofSciences，JiadingCampus，Shanghai201800，China）2（UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049，China）

Abstract Background:Disk-loadwaveguidetravellingwaveacceleratoriswildlyusedinmanyareas.However，highcostandlowfabricationefficiencyoftheacceleratingtubeturnouttobebarriersforitswidespreadapplication. Purpose: Thisstudyaimstodevelopanewacceleratingcavityandacceleratingtubeprocessingtechnologytoreduce thecostandproductioncycle.Methods:A3Delectromagnetic-fieldsimulationsoftwarewasutilizedforthe calculationoftheRFparametersandtheoptimizationoftheacceleratingstructure.Results:Theresultsshowedthe concordantRFparameterswerebetweenthetrap-cutacceleratingcavityanddisk-loadwaveguideacceleratingcavity，andtheformerwasofadvantageinprecisetuning. Comparedwithtraditionalprocessingtechnology，coldextrusionis provedtobeamoreefficientprocessinacceleratingtubemanufacturing.Conclusion: Atrap-cutaccelerating structurecombinedwithcoldextrusionwillhelppromotemassproductionofacceleratingtube.

Key words Acceleratingtube，Trap-cutacceleratingcavity，Precisetuning，Coldextruding，Massproduction

盤(pán)荷波導(dǎo)電子直線(xiàn)加速器由于其諸多優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。21世紀(jì)以來(lái)，隨著人們生活質(zhì)量的提高、國(guó)防及工業(yè)實(shí)力的不斷增強(qiáng)，電子直線(xiàn)加速器在醫(yī)療[3]、工業(yè)[4]以及國(guó)家安全[5]等領(lǐng)域得到了迅猛的發(fā)展。加速管作為電子傳輸、加速及聚焦的通道，是電子直線(xiàn)加速器的核心部件。目前常用的加速管加工方式主要以切削加焊接制造為主[6]，加速管部件的加工方式主要是通過(guò)精密車(chē)削將無(wú)氧銅加工成環(huán)和片或者杯形件，最后通過(guò)精密后處理達(dá)到加速管精度要求。但采取這種加工方式得到的加速管部件不僅成本較高，而且生產(chǎn)周期長(zhǎng)，不利于加速管的低成本批量化生產(chǎn)。通過(guò)對(duì)腔型結(jié)構(gòu)的改進(jìn)及加工工藝的探索，我們發(fā)展了一種新的加速腔結(jié)構(gòu)，選取了目前發(fā)展非常成熟的冷擠壓精密加工工藝實(shí)現(xiàn)對(duì)加速管部件的加工，最終利用加速管部件自身的“凹凸”結(jié)構(gòu)在保持整體準(zhǔn)直性的情況下，通過(guò)焊接完成整套加速管的制造。采用這種加速管加工方式不僅能夠降低加速管制造成本，而且可以實(shí)現(xiàn)加速管的批量化生產(chǎn)。

1　理論模型建立

盤(pán)荷波導(dǎo)行波直線(xiàn)加速器加速腔結(jié)構(gòu)如圖1所示，腔體的主要尺寸參數(shù)有闌片厚度t，周期長(zhǎng)度D，闌片孔徑a，波導(dǎo)內(nèi)徑b。腔體結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要考慮周期長(zhǎng)度、闌片孔徑及波導(dǎo)內(nèi)徑。當(dāng)知道加速管的工作波段、波相對(duì)相速及工作模式后，周期長(zhǎng)度D也就唯一確定。闌片孔徑a的確定主要依賴(lài)于盤(pán)荷波導(dǎo)中場(chǎng)強(qiáng)的要求，如果要求加速場(chǎng)強(qiáng)越高，則孔徑a越小，然而a值減小損耗將增加，群速度會(huì)降低。在等梯度電子直線(xiàn)加速器中，群速度滿(mǎn)足一定的線(xiàn)性衰減規(guī)律是實(shí)現(xiàn)等梯度的必要條件，因此在等梯度直線(xiàn)加速管設(shè)計(jì)中，需要精確計(jì)算闌片孔徑來(lái)確保群速度滿(mǎn)足線(xiàn)性關(guān)系。最終通過(guò)精確調(diào)節(jié)波導(dǎo)內(nèi)徑b達(dá)到所需要的工作頻率。

圖1　盤(pán)荷波導(dǎo)加速腔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch　of　disk-loaded　accelerating　cavity.

盤(pán)荷波導(dǎo)制造過(guò)程中，波導(dǎo)內(nèi)徑b對(duì)頻率非常敏感，需要精確加工，尤其在等梯度直線(xiàn)加速器中各個(gè)加速腔的尺寸不一致，使得加速管加工面臨很大的工程難題。為實(shí)現(xiàn)當(dāng)波導(dǎo)內(nèi)徑b在一定誤差范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，通過(guò)其它途徑同樣達(dá)到調(diào)頻的目的，我們發(fā)展了如圖2所示的內(nèi)階梯加速腔結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)相當(dāng)于在盤(pán)荷波導(dǎo)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁附加一定厚度的薄圓環(huán)，波導(dǎo)內(nèi)徑b在一定誤差范圍內(nèi)波動(dòng)的情況下，可以通過(guò)調(diào)節(jié)圓環(huán)內(nèi)徑h達(dá)到所需要的頻率值。與此同時(shí)，由于圓環(huán)結(jié)構(gòu)處于弱場(chǎng)區(qū)，所以對(duì)加速腔的微波參數(shù)幾乎不造成影響。下面我們通過(guò)數(shù)字仿真軟件CST（ComputerSimulationTechnology）對(duì)內(nèi)階梯加速腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。

圖2　內(nèi)階梯加速腔斷面示意圖及CST模型Fig.2　Sketch　of　trap-cut　accelerating　cavity　and　its　CST simulation　model.

CST是基于有限積分法的電磁場(chǎng)數(shù)字仿真軟件，在建立復(fù)雜3D模型中有著友好的用戶(hù)圖形界面。其有獨(dú)特的網(wǎng)格生成技術(shù)、理想邊界擬合（PerfectBoundaryApproximation，PBA）和薄片技術(shù)（ThinSheetTechnology，TST），在計(jì)算時(shí)間、生成網(wǎng)格和計(jì)算誤差方面優(yōu)于同類(lèi)仿真軟件，其全參量化結(jié)構(gòu)建模為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了方便[7]。內(nèi)階梯加速腔模擬步驟如下：

1）尺寸確定：設(shè)定腔型結(jié)構(gòu)尺寸，包括闌片厚度t、周期長(zhǎng)度D、闌片孔徑a、波導(dǎo)內(nèi)徑b、圓環(huán)厚度k。

2）邊界條件的確定：縱向取周期性邊界條件，相移為Φ（Φ為工作模式），橫向取電邊界條件。

3）利用CST本征模求解器得到單腔頻率，如果單腔頻率大于設(shè)計(jì)頻率，則通過(guò)增大圓環(huán)內(nèi)徑h降低單腔頻率，反之，減少圓環(huán)孔半徑。

4）通過(guò)CST自帶的后處理模塊得到相應(yīng)微波參數(shù)。

2　內(nèi)階梯加速腔計(jì)算仿真

2.1圓環(huán)內(nèi)徑對(duì)本征頻率的靈敏度

利用CST-MICROWAVESTUDIO軟件本征模求解器對(duì)2π/3模式的S波段內(nèi)階梯加速腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。內(nèi)階梯加速腔結(jié)構(gòu)參數(shù)為周期長(zhǎng)度D＝34.99mm，闌片厚度t＝5.0mm，波導(dǎo)內(nèi)徑b＝41.697mm，闌片孔徑a＝10.75mm，圓環(huán)厚度k＝3.0。通過(guò)改變圓環(huán)內(nèi)徑大小h得到相應(yīng)的本征頻率值f的變化，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin擬合得到如圖3所示變化曲線(xiàn)。數(shù)據(jù)分析表明：圓環(huán)內(nèi)徑h對(duì)頻率f的靈敏度為：?f/?h＝5.96kHz·μm-1，對(duì)于工作在相同模式及本征頻率下的S波段盤(pán)荷波導(dǎo)而言，波導(dǎo)管內(nèi)徑尺寸b對(duì)本征頻率f的靈敏度為：?f/?b＝70kHz·μm-1。假如我們需要頻率的一致性控制在1MHz范圍內(nèi)（不考慮其他因素的影響），盤(pán)荷波導(dǎo)內(nèi)徑加工精度需要控制在14μm，而內(nèi)階梯加速腔結(jié)構(gòu)圓環(huán)內(nèi)徑加工精度只需控制在0.17mm，大大地降低了加工的難度。

圖3　圓環(huán)內(nèi)徑對(duì)頻率的靈敏度Fig.3 Relation　between　frequency　and　inner　radius　of　ring.

2.2內(nèi)階梯加速腔與盤(pán)荷波導(dǎo)微波參數(shù)的比較

同盤(pán)荷波導(dǎo)加速腔相比較，內(nèi)階梯加速腔由于圓環(huán)邊沿引入尖端，導(dǎo)致尖端附近表面電流增大，從而導(dǎo)致更大的功率損耗，使得品質(zhì)因子Q值下降。為探究圓環(huán)的存在對(duì)加速腔微波參數(shù)的影響，利用CST本征模求解器分別模擬了處于聚束段、光速段的三組S波段盤(pán)荷波導(dǎo)及內(nèi)階梯加速腔結(jié)構(gòu)（工作模式：Φ＝2π/3），表1給出了模擬結(jié)果（P表示盤(pán)荷波導(dǎo)、N表示內(nèi)階梯加速腔），可見(jiàn)內(nèi)階梯加速腔分路阻抗、品質(zhì)因素較盤(pán)荷波導(dǎo)有所下降，功率損耗略微增加，但這種輕微的差異幾乎不影響到加速管的性能。

表1　兩種不同腔型微波參數(shù)比較(a=10.75 mm, t=5 mm)Table 1 Comparison of two microwave parameters with different cavities.

圖5　倒角半徑對(duì)微波參數(shù)的影響Fig.5　Effects　of　blending　edges　to　the　microwave　parameters.

2.3內(nèi)階梯加速腔結(jié)構(gòu)優(yōu)化

分路阻抗Rs為加速腔設(shè)計(jì)的一個(gè)最重要參數(shù)，提高分路阻抗可以有效地提高功率利用率[8]。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中，如圖4所示，通過(guò)對(duì)內(nèi)階梯加速腔拐角處倒圓弧角來(lái)提高分路阻抗。圖5給出了品質(zhì)因子Q、Rs/Q隨倒角半徑R的變化曲線(xiàn)?？梢钥吹皆趦汕€(xiàn)的交點(diǎn)附近處倒角半徑R≈（d-k）/2時(shí)，品質(zhì)因子Q值相對(duì)于未倒角的情況下提高了6%左右，而Rs/Q基本上保持不變，由此可見(jiàn)倒角優(yōu)化后的分路阻抗Rs較倒角前提高6%，這表明在相同的加速梯度的條件下，倒角優(yōu)化后的內(nèi)階梯加速腔可以節(jié)6%左右的功率。

圖4　倒角后內(nèi)階梯加速腔結(jié)構(gòu)Fig.4　Trap-cut　accelerating　cavity　after　blending　edges.

2.4內(nèi)階梯加速腔結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)群速度的影響

在等梯度電子直線(xiàn)加速器中，腔鏈群速度滿(mǎn)足的線(xiàn)性關(guān)系決定了等梯度實(shí)現(xiàn)條件[9]。在盤(pán)荷波導(dǎo)加速腔結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須嚴(yán)格計(jì)算出波導(dǎo)內(nèi)徑b以及闌片孔徑a的大小以確定腔鏈的群速度。在實(shí)際加工過(guò)程中波導(dǎo)內(nèi)徑尺寸精度需要嚴(yán)格控制，需要先后經(jīng)過(guò)精鏜、搪磨一系列加工工藝才能達(dá)到所需的精度要求，而且各個(gè)腔的尺寸不一致，使得加工難度進(jìn)一步增加。通過(guò)計(jì)算分析得到內(nèi)階梯加速腔能夠很好地解決目前所遇到的問(wèn)題。我們分別模擬了S波段盤(pán)荷波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和波導(dǎo)內(nèi)徑尺寸b固定的內(nèi)階梯加速腔結(jié)構(gòu)群速度隨闌片孔徑的變化關(guān)系，給出了圖6所示曲線(xiàn)。從圖6中可以得到兩條曲線(xiàn)基本重合，即在闌片孔徑相同的情況下，盤(pán)荷波導(dǎo)和內(nèi)階梯加速腔具有相同的群速度。這條性質(zhì)表明：由內(nèi)階梯加速腔構(gòu)成的等梯度行波電子直線(xiàn)加速器中，波導(dǎo)內(nèi)徑尺寸b在一定誤差范圍內(nèi)波動(dòng)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)圓環(huán)內(nèi)徑h，達(dá)到所需要的工作頻率，避免了因?yàn)椴▽?dǎo)內(nèi)徑b的尺寸精度要求而導(dǎo)致加工復(fù)雜化，同時(shí)對(duì)群速度不造成影響。

圖6　闌片孔徑a對(duì)群速度的影響Fig.6　Effects　of　the　aperture　radius　a　to　the　group　velocity.

3　冷擠壓工藝在加速管制造中的應(yīng)用

冷擠壓加工工藝是目前重要的一種無(wú)切削或少切削零件、高加工效率的加工工藝之一，其成形加工是靠模具來(lái)控制金屬流動(dòng)，靠軟化金屬體積的大量轉(zhuǎn)移來(lái)成形所需零件[10]。通過(guò)冷擠壓可以獲得非常高的尺寸精度及非常低的表面粗糙度。對(duì)于具有較高塑性的無(wú)氧銅，采用理想的潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑處理時(shí)，可以得到超過(guò)精磨而僅次于拋光的表面粗糙度值，達(dá)到加速管的光潔度要求。加速管加工工藝流程簡(jiǎn)圖如圖7所示。如圖7（a）將一定厚度的毛坯放在凹模底部（凹模與凸模在半徑方向的間隙等于加速腔體的壁厚），當(dāng)對(duì)凸模施加適當(dāng)壓力時(shí)，金屬沿著凹模與凸模之間的間隙及凹模底部空隙部分流動(dòng)，得到7（b）所示類(lèi)杯形件。通過(guò)對(duì)波導(dǎo)內(nèi)徑b實(shí)際測(cè)量，計(jì)算出所需要車(chē)削的圓環(huán)內(nèi)徑h以及闌片孔徑a大小，同時(shí)車(chē)削去圓環(huán)外徑傾斜部分使得圓環(huán)外徑r等于波導(dǎo)內(nèi)徑b，得到如圖7（c）所示的帶孔類(lèi)杯型件結(jié)構(gòu)。最后，帶孔類(lèi)杯形件結(jié)構(gòu)利用自身的“凹凸”結(jié)構(gòu)保持整體準(zhǔn)直性的情況下，通過(guò)焊接處理得到圖7（d）所示整套加速管結(jié)構(gòu)。

圖7　冷擠壓法加工加速管?。╝）-（d）為加工步驟Fig.7 Fabrication　procedure　of　waveguide　by　cold　extrusion. （a）-（d）　for　the　processing　steps

采用此種加工方法的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）無(wú)氧銅經(jīng)過(guò)冷擠壓后，材料的晶粒組織更加致密導(dǎo)致加速腔的機(jī)械性能增強(qiáng)；2）生產(chǎn)效率顯著提高，冷擠壓工件是在壓力機(jī)上進(jìn)行，操作方便，容易掌握，一般情況下生產(chǎn)效率為車(chē)削加工的幾十到上百倍；3）一次性獲得高的表面光潔度[11]，無(wú)氧銅冷擠壓采用潤(rùn)滑處理時(shí)，單次加工可以控制表面粗糙度（Ra）為0.08-0.16μm，達(dá)到了加速管的光潔度要求；4）只需要一套冷擠壓模具就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)加速管部件進(jìn)行加工，從而實(shí)現(xiàn)加速管的批量生產(chǎn)；5）焊接量相對(duì)于環(huán)和片加工減少一半，提高了真空性能；6）材料得到充分利用，降低了加工成本。

4　結(jié)語(yǔ)

為解決目前電子直線(xiàn)加速器加速管結(jié)構(gòu)加工復(fù)雜、加工成本高的難題，在不降低加速管性能的前提下，我們?cè)O(shè)計(jì)了內(nèi)階梯加速腔，通過(guò)電磁場(chǎng)求解軟件CST驗(yàn)證了內(nèi)階梯加速腔的可行性。采用冷擠壓加工工藝，既保證了加速管加工精度又實(shí)現(xiàn)了對(duì)加速管部件的批量化生產(chǎn)，同時(shí)在相當(dāng)大的程度上降低了加速管加工成本、縮短了生產(chǎn)周期，有望推動(dòng)電子直線(xiàn)加速器尤其是等梯度電子直線(xiàn)加速器在各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。

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收稿日期：2015-11-27，修回日期：2015-12-17

通信作者：趙明華，E-mail:zhaominghua@sinap.ac.cn

DOI:10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.010202

中圖分類(lèi)號(hào)TL53