【类型】学位论文
【题名】合肥先进光源超导腔高功率耦合器设计研究
【作者】 唐运盖
【关键词】 超导腔 热分析 高功率耦合器 合肥先进光源 二次电子倍增效应
【学位授予单位】中国科学技术大学
【摘要】合肥先进光源是正在建设的基于衍射极限储存环的第四代同步辐射光源,储存环上将采用超导腔为束流提供能量。超导腔模组主要由超导腔、高功率耦合器、高次模阻尼器和低温恒温器等组成,其中超导腔高功率耦合器起到馈送功率、隔离真空、温度过渡等作用。本文主要介绍了合肥先进光源499.8 MHz超导腔高功率耦合器的设计研究和加工制造。本文基于KEK-B 509 MHz超导腔高功率耦合器,并结合BEPCII 500 MHz超导腔高功率耦合器的设计经验,对合肥先进光源499.8 MHz超导腔高功率耦合器进行优化设计。在电磁优化设计过程中对耦合器陶瓷窗的扼流结构进行重点优化和大幅改动,使得耦合器陶瓷窗在具有良好的微波传输特性的同时,进一步优化了陶瓷窗上的电场分布、减小了陶瓷片上的最大电场和电场分布的不均匀性。本文研究了由加工误差带来的耦合器微波传输性能的偏差并提出了误差补偿方法。二次电子倍增效应（Multipacting;MP）是影响超导高频系统稳定运行的重要因素,对二次电子倍增效应进行准确而高效的分析是超导腔高功率耦合器设计过程中的重大挑战。本文着重研究了合肥先进光源超导腔高功率耦合器上的二次电子倍增效应特性,仿真结果显示耦合器在功率大于150 kW的时候会发生MP,且MP发生的位置位于陶瓷片附近,即陶瓷片对于耦合器上的MP有很大的影响。深入研究了施加不同的偏压对耦合器上的二次电子倍增效应的抑制效果,仿真结果显示所加偏压为3 kV时能够在1 kW到250 kW的功率范围内很好的抑制二次电子倍增效应的发生。本文特别研究了二次电子倍增效应延迟现象,并解释了形成这一现象的物理机制,而且提出了一种新的二次电子倍增效应判定方法,该方法能够在二次电子倍增效应数值仿真数据后处理过程中高效而准确的判定二次电子倍增效应是否发生。本文对合肥先进光源超导腔高功率耦合器进行了热分析。研究了处理耦合器与流体的对流换热问题的计算流体力学方法和特征数关联式方法;计算流体力学方法直接对流场的流动状态进行数值仿真求解,而特征数关联式方法则将流体与耦合器的换热面视作以特定对流换热系数进行热交换的理想边界面,对流换热系数可由特征数关联式求出。本文发现了一组适用于耦合器热边界条件的环形管道内对流换热特征数关联式,该式是基于实验数据拟合得到的环形管道内对流换热理论模型,采用该模型对耦合器进行热分析可以大大缩减热分析所需的计算时间,且计算结果具有很好的准确性。本文研究了耦合器冷端内外导体之间的辐射换热。根据耦合器热分析结果,对耦合器的冷却方案进行优化设计,同时优化了耦合器对低温系统的热负载。此外,本文还介绍了合肥先进光源超导腔高功率耦合器的工艺方案、加工制造的过程以及加工过程中遇到的问题和解决的办法。
【学位年度】2022
【分类号】TL503
【导师姓名】王琳，吴丛凤
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