基本参数设计优化方案

要想设计一台加速器，首先需要确定其基本参数，如工作频率f、工作模式φ0、结构类型、盘片间距D、束流孔径a、盘片厚度t、周期单元腔形状、盘荷波导外径b、基本物理参数和衰减常数等［1，5］。

1.工作频率f

在直线加速器中，几乎所有的基本参数都与频率有关。因此在加速器设计中选择频率是至关重要的。频率的选择与微波源的工作频率紧密相关，一般而言，应当选择已有的微波源的工作频率作为加速器工作频率，或者是成熟的、可采购的相关型号微波源。

如果f=9.7 GHz，则工作波长对应为

2.工作模式φ0

工作模式定义为加速结构中每腔或每周期的相移量大小，可由下式确定

这里的n 为每个波导波长的盘片数或腔数。为了便于测量，n 多取整数，如2、3、4，对应的工作模式分别为π 模、2π/3 模、π2 模。由于2π/3 模具有分路阻抗高，束流崩溃效应阈值高，加速效率高等优点，2π/3 模是最主流的一种工作模式。在高频段或者低能阶段，也有人提出5π/6 模的工作模式，这一模式具有减小盘荷数、降低加工难度、提升加速效率等优点，但其n 不为整数，不便于测量，设计也相对复杂一些。基于主流应用考虑，这里仍采用2π/3 模进行介绍。

3.结构类型

盘荷波导加速结构的常用类型分为常阻抗和常梯度两种。常阻抗是均匀的加速结构，所有盘片尺寸都一样（在2 MeV 能量以上的加速段），随着微波损耗，加速梯度是逐渐下降的。而常梯度结构的每个腔的尺寸是渐变的，加速场基本保持恒定。一般情况下，考虑到加工和测量的方便，多采用常阻抗的加速结构。这里也仍采用常阻抗的加速结构。

4.盘片间距D

盘片间距是指盘荷波导周期单元腔的周期D，主要由其工作模式φ0 决定，由式（7-47）不难得到

这里的n 与式（7-47）中的一致，λ 为自由空间波长，f 为微波频率，c 为真空光速。根据前面的设计参数不难求得D=10.302 mm。

5.束流孔径a(https://www.xing528.com)

束流孔径是指盘荷波导中盘片的孔半径，一般以a 表示，a 与波长λ 之比aλ 称为盘荷波导的负载系数。在流强较弱时，一般要求负载系数较小，反之则较大。这里采用a=3.0 mm，则负载系数为0.097，比较小，此时加速管壁的功耗略大，但是有利于减少剩余功率。

6.盘片厚度t

盘片厚度的确定主要考虑两个因素：一是机械强度和电击穿的问题；二是分路阻抗、品质因数以及群速等参数随其增大而下降。因此综合来看，盘片厚度应在满足机械强度和电击穿条件的前提下尽可能的小。在X 波段加速器中，t 取1.5 mm 是一个较为合适的值，此时t/λ=0.048 5，这样既能保证盘片的机械强度，也不至于使加速性能下降太多。

7.周期单元腔形状

盘荷波导周期单元腔的断面图的1/4 形状如图7-4（c）所示，这种腔的边缘为圆角，相比直角能够进一步提升波导储能，增加群速度，减少分路阻抗。依据前面的参数，假定盘片孔平头（图中z2～D/2 处的盘片平顶）δ=0.3 mm，圆弧半径ρ=0.85 mm，一般来说半径越大，击穿越困难。此时

通过计算：rd=3.795 mm。此时除了波导外径以外，其他参数都已确定。

8.盘荷波导外径b

在确定了盘荷波导的基本尺寸以后，其外径需要采用计算或仿真的方式得到，基于7.2.3 节采用变分法编制的程序1，可以用来求解盘荷波导的外径b。基于程序1 不难求得b=12.042 3 mm。

9.基本物理参数

在得到盘荷波导外径之后，利用程序3 可以计算加速管的基本物理参数：分路阻抗为116.33 MΩ/m，衰减系数为1.489 1，品质因数为7 523，群速度为0.009 1。

10.衰减常数，其中l 为加速腔的长度，α 为衰减系数，对

衰减常数定义为于常阻抗加速结构α 为常数，此时τ= αl。在不考虑聚束腔的情况下，假定设计的加速腔体个数为36 个，则衰减常数为0.55，此时的加速腔长度为0.37 m。

由上面的一系列设计，不难得出X 波段盘荷行波加速结构的基本参数，如表7-2 所示。

表7-2　盘荷波导基本参数