基于電子直線加速器的空間電子環境地面模擬用電子源設計與實現

楊京鶴，余國龍，佟迅華，楊 譽，竇玉玲，陳義珍，張衛東， 王常強，李金海，朱志斌，曾自強，王國寶

(中國原子能科學研究院 核技術綜合研究所，北京 102413)

航空航天器在太空中運行時會受到空間電子的輻射，易產生單粒子效應、內部帶電效應等[1-3]，進而影響相關設備的正常運行，甚至發生損壞。利用電子束模擬地外空間電子環境，進行抗輻照試驗是衛星等航空航天器進行可靠性驗證的措施之一[4]。通過在地面建立電子源模擬航空航天器在空間遭遇的電子環境，研究相關效應帶來的損傷及其防護措施的有效性，是保證航空航天器安全穩定運行的重要手段。當前國內外主要使用高壓型加速器進行空間電子環境模擬，能量在2 MeV以下，國內現有空間環境效應裝置多為帶電粒子及某類效應的單一功能載荷，難以實現較寬能量范圍空間輻射效應監測功能[5]，而實際空間電子的能量范圍能夠達到5 MeV，這些更高能量的電子是產生內部帶電效應的主要因素，由于空間電子環境中的電子能譜是連續的，故需要能量能夠在大范圍調節的加速器來有效模擬空間電子環境。

本文主要闡述一臺提供寬能量范圍電子束的電子直線加速器的設計與實現，擬采用能量開關技術和柵控電子槍技術分別調節有效加速電場和電子束發射流強，同時結合大動態范圍磁控管功率源技術，并優化加速管耦合度設計來控制進入加速管的微波功率，實現電子束能量范圍至少覆蓋1～5 MeV，滿足空間電子環境對電子束能量的需求。

1 總體設計

航空航天器在太空中遭遇的1～5 MeV能量的空間電子是產生內部帶電等效應的主要因素，每平方米電子束流強可達1 μA。空間環境模擬用電子直線加速器的主要設計參數列于表1。

電子束平均流強通過調節占空比的方式調節，最大占空比0.1%，最小占空比0.002%，平均流強為1 μA時，脈沖流強在1～500 mA范圍內取值，具體脈沖流強取值可結合能量調節計算后確定，滿足取值范圍即可。為實現電子束能量的大范圍調節，綜合使用能量開關結構改變加速結構內的加速電場區域分布、調節磁控管輸出功率控制加速電場幅度、調節電子槍發射流強改變束流負載狀態3種方法[6-7]。在總體設計時，同時考慮工程參數的合理性和穩定性，不使電子槍、加速管等關鍵部件工作在極限狀態，保證加速器長時間工作穩定性和壽命。

表1 加速器的設計參數Table 1 Design parameter of accelerator

首先，駐波加速管的俘獲效率通常在30%左右，所使用的小型柵控電子槍的脈沖發射通常在1 A左右，能滿足所需脈沖流強取值，總體設計時設定束流負載在100～300 mA左右；其次，考慮電子束能量在1～5 MeV能量狀態下對應的相速度分別為0.941和0.996，相差較大，在相同的縱向加速場相速分布下，電子束團的聚束效果和相移偏差較大，故設計采用能量開關結構，將加速結構分為低能檔(1～2 MeV)和高能檔(2～5 MeV)，以對電子束能量進行有效調節；最后，由于束流負載變化和能量開關工作時帶來有效結構長度的變化，耦合度會同步產生較大變化，而設計及冷測時加速結構的耦合度為固定值，故需要在兼顧不同工作參數的條件下進行加速結構耦合度的優化。

采用能量開關結構的加速管包括1個聚束腔和5個光速腔，能量開關作用時將后續3個光速腔短路，僅在1個聚束腔和2個光速腔內激勵電磁場，典型的縱向電場分布如圖1所示。

圖1 能量開關處于不同狀態時加速結構軸線上的縱向電場分布Fig.1 Longitudinal electric field distribution on axis of acceleration structure in different states of energy switch

雙周期駐波加速結構的束流負載效應及最佳耦合度計算方法[8]為：

(1)

(2)

其中：We為電子束能量；βc為耦合度；P0為加速管入口功率；Zeff為等效分路阻抗；T為渡越時間因子；Ib為電子束脈沖流強；L為加速結構長度；βopt為最佳耦合度。計算兩個能量檔下對應的能量變化和耦合度變化，如圖2所示。

圖2 不同能量檔的能量、最佳耦合度隨脈沖流強的變化Fig.2 Change of energy and optimized coupling coefficient with pulse current at different energy levels

根據計算，高能檔在1.6 MW功率輸入、脈沖流強100 mA時，能量達到5 MeV左右；低能檔在0.6 MW功率輸入、脈沖流強約300 mA時，能量在1 MeV左右。據此，根據確定的結構和耦合度曲線，高能檔耦合度為1.5、低能檔耦合度為3時，通過調節輸入脈沖功率、脈沖流強并結合能量開關技術，使總體設計實現能量范圍在1～5 MeV內調節。

2 束流動力學計算

根據總體設計中的輸入參數，建立低能檔和高能檔的電磁場模型，軸線上縱向電場分布如圖1所示，在PARMELA軟件中利用模擬電磁場進行多粒子跟蹤計算[9]，高能檔的輸出最高平均能量為5.05 MeV，俘獲效率為34%，出口處電子束特性如圖3所示；低能檔輸出最低平均能量為0.98 MeV，俘獲效率為27%，出口處電子束特性如圖4所示。兩個能量檔的電子束包絡如圖5所示。計算結果表明，本設計能滿足能量范圍要求，同時電子束特性較好，束流主體橫向發射角小于140 mrad，滿足后續電子束傳輸處理系統的要求[10]。

3 磁控管功率實驗

通過調節磁控管的輸出脈沖功率可有效改變加速結構內建立的加速場幅值，從而可在一定范圍內調節輸出電子束的能量。根據總體設計，考慮環流器等微波傳輸損耗，要求輸出磁控管脈沖功率至少在0.7～1.8 MW范圍。為保證電子束能量在大范圍輸出時加速器穩定工作，對此進行了磁控管輸出范圍及輸出頻譜測試。在重復頻率50 Hz的條件下，進行了4 h高功率實驗，表2列出了磁控管功率實驗結果。實驗結果表明，在磁場B=1 200 Gs(1 Gs=10-4T)條件下，設計開發的磁控管能在0.7～1.8 MW范圍內穩定運行，得到的輸出特性如圖6所示，對應的輸出功率譜如圖7所示。

高功率實驗明確了磁控管在大功率范圍穩定輸出的可行性，為研究的順利開展提供了重要的技術保障。

4 加速器能量測試

電子直線加速器安裝完成后進行調試測試，電子束能量測量方法采用電子垂直入射聚苯乙烯計算得到的深度劑量分布曲線，由Monte Carlo 深度劑量分布推算得到聚苯乙烯中的實際射程Rp，進而計算得到電子束能量[11]，測試結果如圖8所示，最高能量射程為Rp=23.72 mm，對應能量為5.0 MeV，此時脈沖流強為92 mA；最低能量射程為Rp=3.08 mm，對應能量為0.9 MeV，此時脈沖流強為334 mA，測試結果達到了能量范圍要求。

a，b——束流相空間；c——束斑；d——相能譜圖3 5 MeV能量檔電子束輸出特性Fig.3 Transverse phase space at 5 MeV

a，b——束流相空間；c——束斑；d——相能譜圖4 1 MeV電子束輸出特性Fig.4 Transverse phase space at 1 MeV

a——1 MeV；b——5 MeV圖5 電子束橫向包絡圖Fig.5 Transverse envelope of electron beam

表2 磁控管功率實驗結果Table 2 Experimental result of magnetron high power

圖6 磁控管輸出特性測試曲線Fig.6 Magnetron parameter at different power levels

5 結論

本文闡述了一臺大能量范圍輸出的基于電子直線加速器的電子源的設計與實現，綜合使用能量開關、束流負載效應等技術方法，分析確定了加速管耦合度在實現多狀態運行時的條件，進行了部分實驗進行可行性驗證，最終實現了電子源的開發，能量范圍為1～5 MeV。目前，電子源完成了與后端電子束擴束掃描系統的聯合調試和驗收，已應用于空間電子環境地面模擬實驗研究，設施運行良好穩定。

圖7 磁控管輸出功率能譜Fig.7 Magnetron output power spectrum

圖8 能量測試結果Fig.8 Energy test result

感謝日本新無線株式會社(NJRC)在磁控管研發測試方面的技術支持。