戴責已　　鐘少鵬　　趙明華（中國科學院上海應用物理研究所　嘉定園區(qū)　　上?！?0800）2（中國科學院大學　　北京　00049）

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可批量化生產(chǎn)的行波加速管的設計

戴責已1，2鐘少鵬1趙明華1
1（中國科學院上海應用物理研究所嘉定園區(qū)上海201800）2（中國科學院大學北京100049）

摘要盤荷波導行波電子直線加速器在醫(yī)療、工業(yè)輻照及安檢等領域均有廣泛的應用，加速器核心部件加速管的工程造價及生產(chǎn)效率對其工業(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，在盤荷波導的基礎上改進了加速腔結(jié)構(gòu)，發(fā)展了內(nèi)階梯加速腔。利用三維電磁場模擬軟件CST（ComputerSimulation Technology）計算了這種腔型的微波參數(shù)，同時對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。結(jié)果表明，內(nèi)階梯加速腔結(jié)構(gòu)具有和盤荷波導一致的微波參數(shù)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)精確調(diào)頻。結(jié)合冷擠壓工藝對內(nèi)階梯加速腔進行加工，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)

中國科學院知識創(chuàng)新工程重大項目（No.455011061）資助

第一作者：戴責已，男，1990年出生，2013年畢業(yè)于南華大學，現(xiàn)為研究生碩士，研究領域為加速管設計

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

盤荷波導電子直線加速器由于其諸多優(yōu)點，在國內(nèi)外得到了廣泛應用[1-2]。21世紀以來，隨著人們生活質(zhì)量的提高、國防及工業(yè)實力的不斷增強，電子直線加速器在醫(yī)療[3]、工業(yè)[4]以及國家安全[5]等領域得到了迅猛的發(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精密車削將無氧銅加工成環(huán)和片或者杯形件，最后通過精密后處理達到加速管精度要求。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，不利于加速管的低成本批量化生產(chǎn)。通過對腔型結(jié)構(gòu)的改進及加工工藝的探索，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現(xiàn)對加速管部件的加工，最終利用加速管部件自身的“凹凸”結(jié)構(gòu)在保持整體準直性的情況下，通過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，而且可以實現(xiàn)加速管的批量化生產(chǎn)。

1　理論模型建立

盤荷波導行波直線加速器加速腔結(jié)構(gòu)如圖1所示，腔體的主要尺寸參數(shù)有闌片厚度t，周期長度D，闌片孔徑a，波導內(nèi)徑b。腔體結(jié)構(gòu)參數(shù)設計過程中，主要考慮周期長度、闌片孔徑及波導內(nèi)徑。當知道加速管的工作波段、波相對相速及工作模式后，周期長度D也就唯一確定。闌片孔徑a的確定主要依賴于盤荷波導中場強的要求，如果要求加速場強越高，則孔徑a越小，然而a值減小損耗將增加，群速度會降低。在等梯度電子直線加速器中，群速度滿足一定的線性衰減規(guī)律是實現(xiàn)等梯度的必要條件，因此在等梯度直線加速管設計中，需要精確計算闌片孔徑來確保群速度滿足線性關(guān)系。最終通過精確調(diào)節(jié)波導內(nèi)徑b達到所需要的工作頻率。

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

盤荷波導制造過程中，波導內(nèi)徑b對頻率非常敏感，需要精確加工，尤其在等梯度直線加速器中各個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。為實現(xiàn)當波導內(nèi)徑b在一定誤差范圍內(nèi)波動時，通過其它途徑同樣達到調(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)相當于在盤荷波導結(jié)構(gòu)內(nèi)壁附加一定厚度的薄圓環(huán)，波導內(nèi)徑b在一定誤差范圍內(nèi)波動的情況下，可以通過調(diào)節(jié)圓環(huán)內(nèi)徑h達到所需要的頻率值。與此同時，由于圓環(huán)結(jié)構(gòu)處于弱場區(qū)，所以對加速腔的微波參數(shù)幾乎不造成影響。下面我們通過數(shù)字仿真軟件CST（ComputerSimulationTechnology）對內(nèi)階梯加速腔結(jié)構(gòu)進行模擬。

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數(shù)字仿真軟件，在建立復雜3D模型中有著友好的用戶圖形界面。其有獨特的網(wǎng)格生成技術(shù)、理想邊界擬合（PerfectBoundaryApproximation，PBA）和薄片技術(shù)（ThinSheetTechnology，TST），在計算時間、生成網(wǎng)格和計算誤差方面優(yōu)于同類仿真軟件，其全參量化結(jié)構(gòu)建模為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計提供了方便[7]。內(nèi)階梯加速腔模擬步驟如下：

1）尺寸確定：設定腔型結(jié)構(gòu)尺寸，包括闌片厚度t、周期長度D、闌片孔徑a、波導內(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計頻率，則通過增大圓環(huán)內(nèi)徑h降低單腔頻率，反之，減少圓環(huán)孔半徑。

4）通過CST自帶的后處理模塊得到相應微波參數(shù)。

2　內(nèi)階梯加速腔計算仿真

2.1圓環(huán)內(nèi)徑對本征頻率的靈敏度

利用CST-MICROWAVESTUDIO軟件本征模求解器對2π/3模式的S波段內(nèi)階梯加速腔結(jié)構(gòu)進行模擬。內(nèi)階梯加速腔結(jié)構(gòu)參數(shù)為周期長度D＝34.99mm，闌片厚度t＝5.0mm，波導內(nèi)徑b＝41.697mm，闌片孔徑a＝10.75mm，圓環(huán)厚度k＝3.0。通過改變圓環(huán)內(nèi)徑大小h得到相應的本征頻率值f的變化，將數(shù)據(jù)導入Origin擬合得到如圖3所示變化曲線。數(shù)據(jù)分析表明：圓環(huán)內(nèi)徑h對頻率f的靈敏度為：?f/?h＝5.96kHz·μm-1，對于工作在相同模式及本征頻率下的S波段盤荷波導而言，波導管內(nèi)徑尺寸b對本征頻率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），盤荷波導內(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)階梯加速腔與盤荷波導微波參數(shù)的比較

同盤荷波導加速腔相比較，內(nèi)階梯加速腔由于圓環(huán)邊沿引入尖端，導致尖端附近表面電流增大，從而導致更大的功率損耗，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波段盤荷波導及內(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表示盤荷波導、N表示內(nèi)階梯加速腔），可見內(nèi)階梯加速腔分路阻抗、品質(zhì)因素較盤荷波導有所下降，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為加速腔設計的一個最重要參數(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)化過程中，如圖4所示，通過對內(nèi)階梯加速腔拐角處倒圓弧角來提高分路阻抗。圖5給出了品質(zhì)因子Q、Rs/Q隨倒角半徑R的變化曲線?？梢钥吹皆趦汕€的交點附近處倒角半徑R≈（d-k）/2時，品質(zhì)因子Q值相對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)尺寸對群速度的影響

在等梯度電子直線加速器中，腔鏈群速度滿足的線性關(guān)系決定了等梯度實現(xiàn)條件[9]。在盤荷波導加速腔結(jié)構(gòu)尺寸設計過程中，必須嚴格計算出波導內(nèi)徑b以及闌片孔徑a的大小以確定腔鏈的群速度。在實際加工過程中波導內(nèi)徑尺寸精度需要嚴格控制，需要先后經(jīng)過精鏜、搪磨一系列加工工藝才能達到所需的精度要求，而且各個腔的尺寸不一致，使得加工難度進一步增加。通過計算分析得到內(nèi)階梯加速腔能夠很好地解決目前所遇到的問題。我們分別模擬了S波段盤荷波導結(jié)構(gòu)和波導內(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。從圖6中可以得到兩條曲線基本重合，即在闌片孔徑相同的情況下，盤荷波導和內(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加速器中，波導內(nèi)徑尺寸b在一定誤差范圍內(nèi)波動，可以通過調(diào)節(jié)圓環(huán)內(nèi)徑h，達到所需要的工作頻率，避免了因為波導內(nèi)徑b的尺寸精度要求而導致加工復雜化，同時對群速度不造成影響。

圖6　闌片孔徑a對群速度的影響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用

冷擠壓加工工藝是目前重要的一種無切削或少切削零件、高加工效率的加工工藝之一，其成形加工是靠模具來控制金屬流動，靠軟化金屬體積的大量轉(zhuǎn)移來成形所需零件[10]。通過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。對于具有較高塑性的無氧銅，采用理想的潤滑劑潤滑處理時，可以得到超過精磨而僅次于拋光的表面粗糙度值，達到加速管的光潔度要求。加速管加工工藝流程簡圖如圖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），當對凸模施加適當壓力時，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，得到7（b）所示類杯形件。通過對波導內(nèi)徑b實際測量，計算出所需要車削的圓環(huán)內(nèi)徑h以及闌片孔徑a大小，同時車削去圓環(huán)外徑傾斜部分使得圓環(huán)外徑r等于波導內(nèi)徑b，得到如圖7（c）所示的帶孔類杯型件結(jié)構(gòu)。最后，帶孔類杯形件結(jié)構(gòu)利用自身的“凹凸”結(jié)構(gòu)保持整體準直性的情況下，通過焊接處理得到圖7（d）所示整套加速管結(jié)構(gòu)。

圖7　冷擠壓法加工加速管　（a）-（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)點主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1）無氧銅經(jīng)過冷擠壓后，材料的晶粒組織更加致密導致加速腔的機械性能增強；2）生產(chǎn)效率顯著提高，冷擠壓工件是在壓力機上進行，操作方便，容易掌握，一般情況下生產(chǎn)效率為車削加工的幾十到上百倍；3）一次性獲得高的表面光潔度[11]，無氧銅冷擠壓采用潤滑處理時，單次加工可以控制表面粗糙度（Ra）為0.08-0.16μm，達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現(xiàn)對加速管部件進行加工，從而實現(xiàn)加速管的批量生產(chǎn)；5）焊接量相對于環(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

為解決目前電子直線加速器加速管結(jié)構(gòu)加工復雜、加工成本高的難題，在不降低加速管性能的前提下，我們設計了內(nèi)階梯加速腔，通過電磁場求解軟件CST驗證了內(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現(xiàn)了對加速管部件的批量化生產(chǎn)，同時在相當大的程度上降低了加速管加工成本、縮短了生產(chǎn)周期，有望推動電子直線加速器尤其是等梯度電子直線加速器在各個領域的發(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

中圖分類號TL53