FEL-THz束流收集器设计

肖德鑫，李 鹏，柏 伟，王建新

（中国工程物理研究院 应用电子学研究所，四川 绵阳 621900）

中国工程物理研究院正在研制的大型科学仪器装置——自由电子激光相干强太赫兹源（FEL-THz）［1］，是以高重复频率、高亮度电子束［2-3］为驱动，经过超导加速度段加速、波荡器起振，得到功率为10 W、频率在1～3THz内可调的太赫兹光。8 MeV／5 mA 平均功率为40kW 的准连续电子束经使用后由束线端部的束流收集器吸收［4-5］。大功率、小束截面的电子束轰击到束流收集器内表面，若不能使电子束能量密度降低，并及时将热量导走，将会使束线上的真空度降低，严重时甚至可能造成真空的彻底破坏。本文基于电子束束流传输软件计算电子束到达束流收集器内表面的电子分布，对束流收集器结构进行优化，使电子束的热量沉积密度控制在100 W／cm2以内，优化水冷结构，使收集器温度得到有效控制。

1 结构设计及电子束能量分布计算

束流收集器需能可靠地吸收电子束轰击到其表面产生的能量，且能承受长时间工作所产生的热应力和疲劳应力，因此，采用熔点高、导热率好、热膨胀系数小的铜制作束流收集器的内筒，外筒采用不锈钢制作，内外筒之间为冷却水通道，其结构简图如图1所示。束流收集器内表面采用倒圆锥结构，使电子束在传输过程中逐渐被内表面吸收，以扩大束流收集器受到轰击的面积，减小单位面积上的能量密度。考虑到电子束传输和扩散等因素，初步将收集器设计为入口直径为160 mm、长度为1.2 m 的倒圆锥。内筒厚度为10mm，以阻止电子束穿透，并有足够的机械强度。收集器末端采用3个成120°的支撑柱对内筒进行支撑，在有足够支撑强度的同时减小对冷却水的阻力，出水口位于收集器的顶端，便于排除冷却水中的气泡，防止收集器局部过热。

图1 FEL-THz束流收集器结构简图Fig.1 Structure of FEL-THz beam dump

为防止电子束能量过于集中而损坏束流收集器，电子束在进入束流收集器前需用四级磁铁对其扩束。电子束达到收集器内表面时的束斑直径为120 mm，并且在传输过程中逐渐被内表面吸收。通过束流光学模拟软件，优化四级磁铁参数，并计算收集器上各位置沉积的电子数，得到收集器内表面沿轴线的能量密度（P）分布曲线，如图2 所示。电子束横向分布采用正态分布，电子集中在束团中心，因此能量密度分布在收集器末端较大。计算中忽略了电子束轰击到收集器内表面产生二次电子和X射线而损失的能量，并直接将电子束能量考虑为热量施加在收集器内表面，不考虑电子束在材料中的穿透深度。通过优化，将能量密度控制在100 W／cm2以内，但在圆锥尖端出现峰值，达到130 W／cm2，这主要是圆锥尖端面积较小所致，由于能量并不高，该峰值在可接受范围内。

图2 束流收集器内表面能量密度分布Fig.2 Heat deposition distribution on beam dump inner surface

2 水冷结构模拟

束流收集器水冷设计需防止收集器温度过高导致冷却水沸腾，沸腾产生的气泡将使冷却水与筒壁分离，在收集器壁形成热点，从而使收集器温度得不到有效控制。初步估算采用室温（300K）的冷却水在水流量为3.0kg／s时，带走由电子束轰击产生的40kW 热量，温升仅为3.2K。

使用流体力学模拟软件Fluent对收集器水冷结构进行模拟，采用k-ε 模型，水流量为3.0kg／s，入口压强为0.1 MPa。冷却水通道入口宽度为10mm，出口宽度为5mm，越靠近通道出口半径越大，通道的截面积也越大，因此在冷却水流动过程中，流速将逐渐减缓。冷却水通道内水流速度分布如图3所示，入口处的水流速度为4.6 m／s，在向出口流动过程中流速逐渐下降至1.2m／s。在水流过收集器内筒末端时，被阻碍并分向四周形成水流速度较小的回流区，如图3b、c所示，但该处未直接受到电子束轰击，热量来自于前端的热传导不会产生过热。

图3 冷却水速度分布Fig.3 Velocity profile of cooling water

图4 束流收集器内表面温度分布Fig.4 Temperature distribution at beam dump inner surface

经过计算得到束流收集器内筒靠近冷却水表面的温度分布和两表面沿轴线的温度分布，如图4所示，收集器温度从0.2m 开始上升，在0.6m 时达到平顶并一直延续到1.1m，与收集器上能量密度分布曲线相符合；在1.1m 至末端区间，温度迅速下降，与能量密度分布曲线趋势相反。电子束能量主要沉积在收集器的0.6～1.1m 范围内，末端虽然能量密度较高，但由于面积较小，能量沉积也较小，因此温度较低。收集器两表面之间的温差随温度升高而增大，在收集器温度最高处（355K）温差最大，为10K。靠近冷却水表面，最高温度达到345K，远低于冷却水的沸腾温度，束流收集器不会出现热点，能稳定可靠运行。

3 结论

本文对FEL-THz束流收集器进行了初步设计，收集器内筒采用入口直径160 mm、长1.2m 的倒圆锥结构对电子束进行吸收。采用室温（300K）冷却水对其进行冷却，冷却水流量为3.0kg／s，压强为0.1 MPa，可将收集器内壁温度冷却至355K，远低于冷却水的沸腾温度，束流收集器不会出现热点，能稳定可靠运行，满足高平均功率FEL-THz装置的使用要求。

［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.