文档介绍：华中科技大学
硕士学位论文
回旋加速器虚拟样机谐振腔设计研究
姓名:答嘉曦
申请学位级别:硕士
专业:电磁场与微波技术
指导教师:樊明武;董天临
20060429
摘要
回旋加速器目前广泛应用于国防基础科学研究,同位素生产以及诊断、治疗等医
学应用领域。高频系统是回旋加速器中最重要的两个关键部分之一,高频系统的主要
部件是谐振腔,它的任务在于为离子提供回旋加速所必需的高频电压,其工作状况对
于加速器的性能有很大的影响。一个好的谐振腔应在工作频率可调,且工作负载等条
件变化的情况下具有高度的稳定性。
基于一台已有的 30MeV 回旋加速器的谐振腔,对腔体的谐振频率、空载品质因数、
电压分布等参数进行了研究,对比了传统的等效传输线设计方法与基于三维电磁场数
值分析的设计方法,利用有限元计算方法探讨了网格剖分精度、建模方法、对称条件
对计算精度的影响。研究了在调整微调电容间距、腔体长度、内杆半径等谐振腔结构
参数的情况下谐振腔电磁场参数的变化规律。得到的计算结果和实际测量结果的误差
在工程允许的范围之内,表明基于有限元的软件能够很好的计算类似回旋加速器高频
谐振腔这样具有复杂边界的腔体结构,可用于加速器的物理设计及工程设计。
以 100MeV 强流负氢离子回旋加速器谐振腔的设计为主线,通过使用电磁场有限
元计算方法,设计出双内杆和三角形单内杆两种类型的谐振腔模型,对它们的结构特
点和性能参数进行了分析,为 100MeV 强流负氢离子回旋加速器谐振腔的建造提供参
考。
分析了将周期性结构应用于四分之一波长谐振腔从而减少腔体体积的设计手段,
利用传输线理论和数值模拟两种方法分析腔体的谐振特性,探讨了将其应用于回旋加
速器谐振腔的可能性。
关键词:回旋加速器谐振腔设计有限元分析高频参数
I
Abstract
Cyclotrons are widely used in fundamental researches in national defense, isotopes
production, medical diagnosis and therapy. The RF system is the one of the most important
component of the cyclotron. The cavities of the RF System used in cyclotrons have to provide
accelerating voltage,whose working conditions for the performance is a great impact on
cyclotrons. The tuning frequency and changed loading needs a fine-stability cavity to operate
at satisfied conditions.
Analysis of a 30MeV cyclotron cavity has been carried out. The influences on the RF
resonant frequency, the quality value and the Dee voltage have been investigated into. The
design method of the transmission line schematization has pared with the large 3D
ic code. Using 3D finite element method (FEM), puting model is
completed based in PC. The influence of the cavity mesh, the model construction and the
symmetry condition method are discussed. The calculation results show that the resonant
parameter can be adjusted by the cavity height,the tuning capacity,and the diameter of the
stem. Numerical experiment results showed that this simple model has no obvious influence
on puting results. The differenc