FEL-THz束流收集器設(shè)計(jì)

肖德鑫，李 鵬，柏 偉，王建新

（中國(guó)工程物理研究院 應(yīng)用電子學(xué)研究所，四川 綿陽(yáng) 621900）

中國(guó)工程物理研究院正在研制的大型科學(xué)儀器裝置——自由電子激光相干強(qiáng)太赫茲源（FEL-THz）［1］，是以高重復(fù)頻率、高亮度電子束［2-3］為驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過(guò)超導(dǎo)加速度段加速、波蕩器起振，得到功率為10 W、頻率在1～3THz內(nèi)可調(diào)的太赫茲光。8 MeV／5 mA 平均功率為40kW 的準(zhǔn)連續(xù)電子束經(jīng)使用后由束線端部的束流收集器吸收［4-5］。大功率、小束截面的電子束轟擊到束流收集器內(nèi)表面，若不能使電子束能量密度降低，并及時(shí)將熱量導(dǎo)走，將會(huì)使束線上的真空度降低，嚴(yán)重時(shí)甚至可能造成真空的徹底破壞。本文基于電子束束流傳輸軟件計(jì)算電子束到達(dá)束流收集器內(nèi)表面的電子分布，對(duì)束流收集器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使電子束的熱量沉積密度控制在100 W／cm2以?xún)?nèi)，優(yōu)化水冷結(jié)構(gòu)，使收集器溫度得到有效控制。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及電子束能量分布計(jì)算

束流收集器需能可靠地吸收電子束轟擊到其表面產(chǎn)生的能量，且能承受長(zhǎng)時(shí)間工作所產(chǎn)生的熱應(yīng)力和疲勞應(yīng)力，因此，采用熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱率好、熱膨脹系數(shù)小的銅制作束流收集器的內(nèi)筒，外筒采用不銹鋼制作，內(nèi)外筒之間為冷卻水通道，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。束流收集器內(nèi)表面采用倒圓錐結(jié)構(gòu)，使電子束在傳輸過(guò)程中逐漸被內(nèi)表面吸收，以擴(kuò)大束流收集器受到轟擊的面積，減小單位面積上的能量密度?？紤]到電子束傳輸和擴(kuò)散等因素，初步將收集器設(shè)計(jì)為入口直徑為160 mm、長(zhǎng)度為1.2 m 的倒圓錐。內(nèi)筒厚度為10mm，以阻止電子束穿透，并有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。收集器末端采用3個(gè)成120°的支撐柱對(duì)內(nèi)筒進(jìn)行支撐，在有足夠支撐強(qiáng)度的同時(shí)減小對(duì)冷卻水的阻力，出水口位于收集器的頂端，便于排除冷卻水中的氣泡，防止收集器局部過(guò)熱。

圖1 FEL-THz束流收集器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure of FEL-THz beam dump

為防止電子束能量過(guò)于集中而損壞束流收集器，電子束在進(jìn)入束流收集器前需用四級(jí)磁鐵對(duì)其擴(kuò)束。電子束達(dá)到收集器內(nèi)表面時(shí)的束斑直徑為120 mm，并且在傳輸過(guò)程中逐漸被內(nèi)表面吸收。通過(guò)束流光學(xué)模擬軟件，優(yōu)化四級(jí)磁鐵參數(shù)，并計(jì)算收集器上各位置沉積的電子數(shù)，得到收集器內(nèi)表面沿軸線的能量密度（P）分布曲線，如圖2 所示。電子束橫向分布采用正態(tài)分布，電子集中在束團(tuán)中心，因此能量密度分布在收集器末端較大。計(jì)算中忽略了電子束轟擊到收集器內(nèi)表面產(chǎn)生二次電子和X射線而損失的能量，并直接將電子束能量考慮為熱量施加在收集器內(nèi)表面，不考慮電子束在材料中的穿透深度。通過(guò)優(yōu)化，將能量密度控制在100 W／cm2以?xún)?nèi)，但在圓錐尖端出現(xiàn)峰值，達(dá)到130 W／cm2，這主要是圓錐尖端面積較小所致，由于能量并不高，該峰值在可接受范圍內(nèi)。

圖2 束流收集器內(nèi)表面能量密度分布Fig.2 Heat deposition distribution on beam dump inner surface

2 水冷結(jié)構(gòu)模擬

束流收集器水冷設(shè)計(jì)需防止收集器溫度過(guò)高導(dǎo)致冷卻水沸騰，沸騰產(chǎn)生的氣泡將使冷卻水與筒壁分離，在收集器壁形成熱點(diǎn)，從而使收集器溫度得不到有效控制。初步估算采用室溫（300K）的冷卻水在水流量為3.0kg／s時(shí)，帶走由電子束轟擊產(chǎn)生的40kW 熱量，溫升僅為3.2K。

使用流體力學(xué)模擬軟件Fluent對(duì)收集器水冷結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，采用k-ε 模型，水流量為3.0kg／s，入口壓強(qiáng)為0.1 MPa。冷卻水通道入口寬度為10mm，出口寬度為5mm，越靠近通道出口半徑越大，通道的截面積也越大，因此在冷卻水流動(dòng)過(guò)程中，流速將逐漸減緩。冷卻水通道內(nèi)水流速度分布如圖3所示，入口處的水流速度為4.6 m／s，在向出口流動(dòng)過(guò)程中流速逐漸下降至1.2m／s。在水流過(guò)收集器內(nèi)筒末端時(shí)，被阻礙并分向四周形成水流速度較小的回流區(qū)，如圖3b、c所示，但該處未直接受到電子束轟擊，熱量來(lái)自于前端的熱傳導(dǎo)不會(huì)產(chǎn)生過(guò)熱。

圖3 冷卻水速度分布Fig.3 Velocity profile of cooling water

圖4 束流收集器內(nèi)表面溫度分布Fig.4 Temperature distribution at beam dump inner surface

經(jīng)過(guò)計(jì)算得到束流收集器內(nèi)筒靠近冷卻水表面的溫度分布和兩表面沿軸線的溫度分布，如圖4所示，收集器溫度從0.2m 開(kāi)始上升，在0.6m 時(shí)達(dá)到平頂并一直延續(xù)到1.1m，與收集器上能量密度分布曲線相符合；在1.1m 至末端區(qū)間，溫度迅速下降，與能量密度分布曲線趨勢(shì)相反。電子束能量主要沉積在收集器的0.6～1.1m 范圍內(nèi)，末端雖然能量密度較高，但由于面積較小，能量沉積也較小，因此溫度較低。收集器兩表面之間的溫差隨溫度升高而增大，在收集器溫度最高處（355K）溫差最大，為10K。靠近冷卻水表面，最高溫度達(dá)到345K，遠(yuǎn)低于冷卻水的沸騰溫度，束流收集器不會(huì)出現(xiàn)熱點(diǎn)，能穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

3 結(jié)論

本文對(duì)FEL-THz束流收集器進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，收集器內(nèi)筒采用入口直徑160 mm、長(zhǎng)1.2m 的倒圓錐結(jié)構(gòu)對(duì)電子束進(jìn)行吸收。采用室溫（300K）冷卻水對(duì)其進(jìn)行冷卻，冷卻水流量為3.0kg／s，壓強(qiáng)為0.1 MPa，可將收集器內(nèi)壁溫度冷卻至355K，遠(yuǎn)低于冷卻水的沸騰溫度，束流收集器不會(huì)出現(xiàn)熱點(diǎn)，能穩(wěn)定可靠運(yùn)行，滿(mǎn)足高平均功率FEL-THz裝置的使用要求。

［1］ YANG Xingfan，LI Ming，LI Weihua，et al.FEL-THz facility driven by aphoto-cathode injector［C］∥Proceedings of FEL Conference.［S.l.］：［s.n.］，2009：452-454.

［2］ SIGGINS T，SINCLAIR C，BOHN C，et al.Performance of a DC GaAs photocathode gun for Jefferson lab FEL［J］.Nucl Inst Meth A，2001，475（1）：549-553.

［3］ HERNANDEZ-GARCIA C，SIGGINS T，BENSON S，et al.A high average current DC GaAs photocathode gun for ERLs and FELs［C］∥Particle Accelerator Conference.［S.l.］：［s.n.］，2005：3 117-3 119.

［4］ PARRO M，CASAL N，IGLESIAS D，et al.Design and analysis of the IFMIF-EVEDA beam dump cooling system［J］.Fusion Engineering and Design，2012，87：332-335.

［5］ LIU Xianghong，IVAN B，BRUCE M，et al.A high average power beam dump for an electron accelerator［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，2013，709：37-43.