上海光源2998 MHz加速管波导耦合器的设计

上海同步辐射光源(SSRF, Shanghai Synchrotron Radiation Facility)直线加速器采用2998 MHz的加速管,这种加速管在结构形式上虽然与SLAC型2856 MHz加速管相似,但在尺寸上略有差异,需要重新计算.本文采用与实际调试加速管时相同的三频法、有限差分分析软件Superfish和HFSS对2998 MHz加速管耦合器进行物理设计,为实际工程设计提供指导.物理设计与实验测试结果非常吻合.     

任意模式电耦合波导耦合器的CST仿真

在已有的任意模式波导耦合器理论推导的基础上,找到了用数字仿真软件CST(Cormputer Simulation Technology)实现此过程的方法,给出了具体的仿真步骤.求解过程用CST微波工作室的本征模求解器和参数扫描功能.通过仿真例子,验证了此方法的正确性.     

光电耦合器的单粒子瞬态脉冲效应研究

利用脉冲激光模拟单粒子效应实验装置研究光电耦合器HCPL-5231和HP6N134的单粒子瞬态脉冲(SET)效应.实验获得了相关器件的单粒子瞬态脉冲波形参数与等效LET的关系,并甄别出器件SET效应的敏感位置,初步分析了SET效应产生的机理.利用脉冲激光测试了光电耦合器的SET宽度与等效LET的关系,并尝试测试了两种光电耦合器的SET效应的截面,其中,HCPL-5231的实验结果与其他文献利用重离子加速器得到的数据符合较好,验证了脉冲激光测试器件单粒子效应的有效性.     

等梯度行波加速管耦合器的调配方法

本文在已有的等阻抗行波加速管耦合器调配方法的基础上,根据耦合腔链的等效电路模型,推导了实验调配等梯度加速管耦合器的方法,给出定量计算该结构耦合器耦合度β的公式,并通过CST模拟计算和实验调配验证了该方法和公式的正确性。     

光电耦合器4N49单粒子瞬态脉冲效应的试验研究

通过脉冲激光模拟单粒子效应,对光电耦合器4N49的单粒子瞬态脉冲（SET）效应进行了试验研究。在10V工作电压下,获取了4N49在特定线性能量传输（LET）值下的SET波形特征及其变化规律,得到了器件SET效应的等效LET阈值为10MeV•cm²•mg^-1,而饱和截面数值则高达1.2×10^-3cm²。试验验证了4N49的SET效应对后续数字电路的影响状况,定量研究了SET效应减缓电路的有效性,通过设计合理的电路参数可将器件在5V工作电压下的SET效应阈值由7.89MeV•cm²•mg^-1提高至22.19MeV•cm²•mg^-1。4N49的SET效应试验研究为光电耦合器SET效应的测试及防护措施的有效性验证提供了新的试验方法。     

BNCT RFQ高功率耦合器的设计

为满足硼中子俘获治疗试验装置(BNCT_A)RFQ加速器腔耗420 kW、占空比50%的需求。为BNCT_A RFQ加速器设计了一款高功率耦合器。该功率耦合器包含WR2300矩型波导转3-1/8英寸同轴门钮结构、波导窗、功率耦合装置3个部件。波导窗采用同轴扼流结构型式,功率耦合装置采用磁耦合环结构。整个功率耦合器采用分段设计的原则。矩型波导转同轴结构和陶瓷窗分别通过Microwave Studio（MWS）优化仿真,得到陶瓷窗的驻波比（SWR）达到1.000 9@352.2 MHz,带宽大于±58 MHz@SWR≤1.1 MHz。用多端口换算理论确定了耦合环耦合度,并用能量衰减法确定耦合环的尺寸。从热学和结构力学方面校核了该功率耦合器的功率容量,在50%占空比下,单个功率耦合器最高峰值功率可达260 kW,4路功率耦合器最高峰值功率可达1 MW。经过实际高功率测试,目前入腔功率484 kW,占空比达到10%,并具提升峰值功率及占空比的能力。     

S波段波导窗的设计

采用高频结构模拟器(HFSS)建立波导窗物理模型,并计算波导窗内的电场分布、大小和方向,以及波导窗的射频参数如频率与带宽、输入电压驻波比,从而为改进波导窗提供了理论依据,并最终设计了一个适合5 MW、45 kW高功率传输的波导窗.     

10MeV行波加速管耦合器的设计

在行波加速器中,为使微波功率以较小的反射馈入加速管中,及将剩余的功率耦合到输出波导中,均需用耦合器实现阻抗匹配和波形转换。对于这样的耦合器必须满足以下几点要求：1）必须与输入波导很好的匹配,以利于耦合进最大的功率,以达到最大的加速梯度;2）必须工作在谐振频率,且要求功率是以恰当的相位在结构中前进;3）对束流必须有最小的负作用;4）耦合器的表面场不能高于内部场。     

对流传热问题的粒子-网格混合方法数值模拟

移动粒子半隐式（MPS）方法是一种完全基于拉格朗日体系的粒子法,应用于不可压缩流体。MPS方法在描述存在大变形和相变的问题时具有很大的优势。然而当MPS方法中的Laplace模型应用于求解能量方程时会存在求解不精确的情况。本文在MPS方法的基础上,提出了一种粒子 网格混合求解方法。通过MPS方法求解动量守恒方程,耦合有限体积法（FVM）求解能量守恒方程,以达到对对流传热问题的精确求解。对一维导热问题进行了方法验证,证明了粒子 网格混合方法求解导热的有效性,并有较高的求解精度。利用粒子-网格混合方法模拟了方腔内的自然对流,结果表明,基于MPS方法和FVM的耦合方法可用于求解对流传热问题。     

纯Mo〈110〉对称倾侧晶界的分子静力学模拟研究

Mo的固有脆性是限制Mo及Mo基合金作为包壳材料应用的关键性问题,其脆性的一个重要来源是Mo本身强度较低的晶界。为系统理解纯Mo的晶界结构,本文采用分子静力学方法,对32个〈110〉对称倾侧晶界的晶界能及空位形成能进行研究,并讨论空位在晶界上的形成规律。计算结果表明,晶界区域相较于完美晶体更易形成空位,且晶界上空位形成能与晶界能密切相关,越稳定的晶界越不易形成空位。空位在不同晶界结构上的形成规律有显著差异,在倾侧角小于等于58.992°的晶界结构中,空位易在C结构单元内形成;对于倾侧角介于58.992°与144.364°之间的晶界结构,空位易在“屋顶”结构中形成;对于倾侧角大于144.364°的晶界结构,空位易在Z型结构中形成。此外,通过4种势函数对32个晶界结构进行计算的结果表明,在晶界能与空位形成能方面,4种势函数无显著差异,但通过光谱近邻分析势计算得到的一部分晶界结构具有更高的不对称度。     

Rayleigh-Taylor不稳定性的MPS数值模拟

移动粒子半隐式法(MPS法)是一种适用于不可压缩流体流动计算的无网格粒子法,它采用完全的拉格朗日描述定义流体的运动,将流体离散为可移动的粒子,流体控制微分方程转化为粒子间的相互作用。本文采用MPS法对Rayleigh-Taylor不稳定性进行了二维数值模拟。结果表明,在不稳定性发展的前期阶段,当扰动振幅远远小于扰动波长时,流体界面的小扰动具有指数增长形式,与经典的线性理论分析结果一致。非线性发展阶段,所得到的气泡和尖钉的部分特征与实验结果相吻合。     

X波段2MeV行波电子直线加速管的物理设计

在模拟计算程序LINE-ACC/PC基础上，结合单一搜索方法和非线性最小二乘算法编程，实现一个X波段2MeV行波加速管的物理设计。应用此方法可以有效缩短加速管的优化设计时间。文章给出的优化计算可应用于一类常相速周期结构的加速管设计。文章同时给出了纵向粒子动力学、盘荷波导的几何尺寸及加速管的工作特性等方面的计算结果。     

加速器内电场和离子运动的数值模拟

使用模拟电荷法对加速器内发射电极为平板形状,靶电极分别为平板和球冠形状两种情形下电极之间的电场进行了模拟,同时对被加速离子的运动参数进行了计算,模拟结果表明离子最终能量随发射电极中心孔的减小而增加,球冠形状靶电极比平板形状靶电极对靶活性区的利用效率更高.     

磁场非线性误差效应的模拟研究

磁场非线性误差效应涉及一组非线性微分方程,直接求得其解析解是困难的。本文叙述了计算机模拟研究的方法,可用以对磁铁的场公差进行蒙特卡罗计算,也可用以模拟粒子在磁铁实测误差场中的运动。这一方法在北京正负电子对撞机(BEPC)磁铁场公差的确定和磁铁场性能研究中已得到有效的应用。     

基于多重蒙特卡罗方法的核爆放射性粒子形成模拟研究

建立核爆火球中放射性粒子的形成模型,用多重蒙特卡罗方法求解通用动力学方程,模拟核爆炸火球中成核、冷凝和凝并作用下放射性粒子的形成演变过程.初步的计算结果与相关研究者的理论分析和试验采样数据对照比较差别很小,说明了模型的合理性和方法的可行性.为进一步完善模型和参数研究打下基础.     

用无网格粒子混合法模拟氟里昂气泡的冷凝行为

采用无网格粒子混合法(MPS-MAFL)模拟氟里昂气泡在过冷液池中的冷凝现象,对同一气泡在不同过冷度下的冷凝行为进行敏感性分析,对气泡中含有不凝气体的情况进行分析研究.模拟结果表明:气泡冷凝开始后,冷凝会使气泡内的压力降低,气-液界面开始收缩;在冷凝后期,气泡内压力会超过环境压力;气泡破碎时会产生一个压力脉冲;气泡在一...     

基于移动粒子法的快堆自由表面流体对容器顶盖冲击现象的数值模拟

快堆的主容器内存在自由表面流体,当发生长周期地震时,该流体的晃动有可能冲击到容器顶盖,对反应堆的安全造成威胁。文章引入移动粒子法——MPS方法来模拟流体的运动。在验证了该粒子法对于容器内自由表面晃动问题的准确性和有效性之后,进一步模拟了正弦三波激励下液面晃动对容器顶盖的冲击现象,得到的冲击压力可为容器结构完整性分析提供载荷。     

基于MPS方法的离散固体与流体相互作用数值模拟研究

与网格法相比,移动粒子半隐式(MPS)方法不存在网格畸变问题,因此得到了较为广泛的应用。为了将MPS方法应用于核反应堆堆芯熔化严重事故中熔融物夹带离散固体的迁徙行为模拟,需要对其建立流固耦合模型。本研究通过将离散单元法（DEM）引入到基于MPS方法的核反应堆关键热工安全现象分析软件平台（PANDA）中,发展了PANDA-DEM模块,建立了适用于存在离散固体相互作用的流固耦合问题的分析模型。使用本文建立的模型对固体滑坡和一个水下滑坡问题进行了模拟,两个算例的数值计算结果与实验结果均吻合较好,证明了该模型的稳定性与准确性。因此,本文建立的模型能够用于分析包含大量离散固体的流固耦合问题。     

基于Geant4模拟的质子治疗束配系统的束流光学设计

质子治疗中为减小对肿瘤周围正常组织的损伤而对病人进行多角度照射时,通常采用旋转机架传输质子束流并且要求束流在旋转机架等中心处形成圆束斑。而同步加速器引出束流具有明显的不对称特点给等中心处圆束斑的实现带来困难。分别针对在旋转机架入口的真空窗处满足圆束流法、等中心处满足圆束流法和不采用圆束流法等三种方案进行了束流光学设计,并利用蒙特卡罗软件Geant4模拟分析不同方案下束流经过旋转机架、治疗头和人体在等中心处形成的束斑。结果表明,三种束流光学设计方案中束流在旋转不同角度情况下在等中心处的束斑均接近圆形,在采用圆束流法的两种方案中实际束流分布与圆束斑的差异相对较小。