Расчет теплового режима ускоряющих и отклоняющих периодических структур

Приведены результаты расчета распределения температур в ускоряющей структуре с магнитной связью и отрицательной дисперсией, а также в периодической отклоняющей структуре с выточками в стенках ячеек. Тепловой расчет проводился в программе численного моделирования ANSYS. Представлены результаты расчет...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:	Вопросы атомной науки и техники
Datum:	2012
Hauptverfasser:	Гусарова, М.А., Исаев, И.В., Костин, Р.А., Лалаян, М.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2012
Schlagworte:	Элементы ускорителей
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/108672
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Расчет теплового режима ускоряющих и отклоняющих периодических структур / М.А. Гусарова, И.В. Исаев, Р.А. Костин, М.В. Лалаян // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 3. — С. 82-85. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-108672
record_format	dspace
spelling	Гусарова, М.А. Исаев, И.В. Костин, Р.А. Лалаян, М.В. 2016-11-13T16:24:25Z 2016-11-13T16:24:25Z 2012 Расчет теплового режима ускоряющих и отклоняющих периодических структур / М.А. Гусарова, И.В. Исаев, Р.А. Костин, М.В. Лалаян // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 3. — С. 82-85. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/108672 621.384.6.(075) Приведены результаты расчета распределения температур в ускоряющей структуре с магнитной связью и отрицательной дисперсией, а также в периодической отклоняющей структуре с выточками в стенках ячеек. Тепловой расчет проводился в программе численного моделирования ANSYS. Представлены результаты расчетов для стационарного и переходного теплового режимов. Также представлены результаты расчетов изменения геометрии и резонансной частоты ячеек в зависимости от нагрева структуры. Расчеты проводились для медных структур при учете СВЧ-потерь в стенках, а также различных скоростей охлаждающей жидкости. The simulation results for temperature maps of different structures are presented and discussed. The negative dispersion accelerating structure with magnetic coupling and the periodic deflecting cavity with recesses in cell walls were analyzed. Model used for simulations consisted of copper cells and liquid cooling system with variable flow. ANSYS code was used for numeric simulation. Static (steady-state) condition and transient regime were studied. Results for geometry and frequency deviation caused by temperature variation are presented. Наведено результати розрахунку розподілу температур в прискорювальній структурі з магнітним зв'язком та негативною дисперсією, а також в періодичній відхиляючій структурі з виточками в стінках клітинок. Тепловий розрахунок проводився в програмі чисельного моделювання ANSYS. Представлено результати розрахунків для стаціонарного і перехідного теплового режимів. Також представлено результати розрахунків зміни геометрії і резонансної частоти клітинок залежно від нагрівання структури. Розрахунки проводились для мідних структур при обліку СВЧ-втрат в стінках, а також різних швидкостей охолоджуючої рідини. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Элементы ускорителей Расчет теплового режима ускоряющих и отклоняющих периодических структур Thermal properties of accelerating and deflecting structures Розрахунок теплового режиму прискорюючих і відхиляючих періодичних структур Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Расчет теплового режима ускоряющих и отклоняющих периодических структур
spellingShingle	Расчет теплового режима ускоряющих и отклоняющих периодических структур Гусарова, М.А. Исаев, И.В. Костин, Р.А. Лалаян, М.В. Элементы ускорителей
title_short	Расчет теплового режима ускоряющих и отклоняющих периодических структур
title_full	Расчет теплового режима ускоряющих и отклоняющих периодических структур
title_fullStr	Расчет теплового режима ускоряющих и отклоняющих периодических структур
title_full_unstemmed	Расчет теплового режима ускоряющих и отклоняющих периодических структур
title_sort	расчет теплового режима ускоряющих и отклоняющих периодических структур
author	Гусарова, М.А. Исаев, И.В. Костин, Р.А. Лалаян, М.В.
author_facet	Гусарова, М.А. Исаев, И.В. Костин, Р.А. Лалаян, М.В.
topic	Элементы ускорителей
topic_facet	Элементы ускорителей
publishDate	2012
language	Russian
container_title	Вопросы атомной науки и техники
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
format	Article
title_alt	Thermal properties of accelerating and deflecting structures Розрахунок теплового режиму прискорюючих і відхиляючих періодичних структур
description	Приведены результаты расчета распределения температур в ускоряющей структуре с магнитной связью и отрицательной дисперсией, а также в периодической отклоняющей структуре с выточками в стенках ячеек. Тепловой расчет проводился в программе численного моделирования ANSYS. Представлены результаты расчетов для стационарного и переходного теплового режимов. Также представлены результаты расчетов изменения геометрии и резонансной частоты ячеек в зависимости от нагрева структуры. Расчеты проводились для медных структур при учете СВЧ-потерь в стенках, а также различных скоростей охлаждающей жидкости. The simulation results for temperature maps of different structures are presented and discussed. The negative dispersion accelerating structure with magnetic coupling and the periodic deflecting cavity with recesses in cell walls were analyzed. Model used for simulations consisted of copper cells and liquid cooling system with variable flow. ANSYS code was used for numeric simulation. Static (steady-state) condition and transient regime were studied. Results for geometry and frequency deviation caused by temperature variation are presented. Наведено результати розрахунку розподілу температур в прискорювальній структурі з магнітним зв'язком та негативною дисперсією, а також в періодичній відхиляючій структурі з виточками в стінках клітинок. Тепловий розрахунок проводився в програмі чисельного моделювання ANSYS. Представлено результати розрахунків для стаціонарного і перехідного теплового режимів. Також представлено результати розрахунків зміни геометрії і резонансної частоти клітинок залежно від нагрівання структури. Розрахунки проводились для мідних структур при обліку СВЧ-втрат в стінках, а також різних швидкостей охолоджуючої рідини.
issn	1562-6016
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/108672
citation_txt	Расчет теплового режима ускоряющих и отклоняющих периодических структур / М.А. Гусарова, И.В. Исаев, Р.А. Костин, М.В. Лалаян // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 3. — С. 82-85. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT gusarovama rasčetteplovogorežimauskorâûŝihiotklonâûŝihperiodičeskihstruktur AT isaeviv rasčetteplovogorežimauskorâûŝihiotklonâûŝihperiodičeskihstruktur AT kostinra rasčetteplovogorežimauskorâûŝihiotklonâûŝihperiodičeskihstruktur AT lalaânmv rasčetteplovogorežimauskorâûŝihiotklonâûŝihperiodičeskihstruktur AT gusarovama thermalpropertiesofacceleratinganddeflectingstructures AT isaeviv thermalpropertiesofacceleratinganddeflectingstructures AT kostinra thermalpropertiesofacceleratinganddeflectingstructures AT lalaânmv thermalpropertiesofacceleratinganddeflectingstructures AT gusarovama rozrahunokteplovogorežimupriskorûûčihívídhilâûčihperíodičnihstruktur AT isaeviv rozrahunokteplovogorežimupriskorûûčihívídhilâûčihperíodičnihstruktur AT kostinra rozrahunokteplovogorežimupriskorûûčihívídhilâûčihperíodičnihstruktur AT lalaânmv rozrahunokteplovogorežimupriskorûûčihívídhilâûčihperíodičnihstruktur
first_indexed	2025-11-26T00:08:21Z
last_indexed	2025-11-26T00:08:21Z
_version_	1850592042061660160
fulltext	ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №3(79) 82 УДК 621.384.6.(075) РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА УСКОРЯЮЩИХ И ОТКЛОНЯЮЩИХ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СТРУКТУР М.А. Гусарова, И.В. Исаев, Р.А. Костин, М.В. Лалаян Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ, Москва, Россия E-mail: gusarovamariya@mail.ru Приведены результаты расчета распределения температур в ускоряющей структуре с магнитной связью и отрицательной дисперсией, а также в периодической отклоняющей структуре с выточками в стенках яче- ек. Тепловой расчет проводился в программе численного моделирования ANSYS. Представлены результаты расчетов для стационарного и переходного теплового режимов. Также представлены результаты расчетов изменения геометрии и резонансной частоты ячеек в зависимости от нагрева структуры. Расчеты проводи- лись для медных структур при учете СВЧ-потерь в стенках, а также различных скоростей охлаждающей жидкости. 1. ВВЕДЕНИЕ При разработке ускоряющих и отклоняющих структур необходимо учитывать влияние эффектов импульсного высокочастотного нагрева на характе- ристики структур. Эффекты импульсного нагрева заключаются в изменении характеристик и наруше- нии стабильной работы структуры из-за её нагрева. В данной работе исследовалось влияние эффек- тов импульсного высокочастотного нагрева для ус- коряющей структуры с магнитной связью и отрица- тельной дисперсией и отклоняющей структуры с выточками в стенках ячеек по методике, описанной в работах [1, 2]. Для каждой из структур определены коэффици- енты теплоотдачи в зависимости от скорости и тем- пературы воды [3] и проведены тепловые расчеты для определения смещения частоты в зависимости от температуры охлаждающей жидкости. Получены диаграммы распределения полей, температуры, смещений, механических напряжений и деформаций в стационарном режиме. Определены времена на- грева и охлаждения в переходных режимах и полу- чены значения смещения резонансной частоты. Для исследования работы системы охлаждения структур проведены тепловые расчеты при различ- ных режимах работы. 2. УСКОРЯЮЩАЯ СТРУКТУРА Исследовалась медная периодическая структура на основе круглого диафрагмированного волновода с магнитной связью и отрицательной дисперсией. Данная структура предназначена для использования в компактном линейном ускорителе на гибридной волне [4]. Геометрия структуры рассчитана на час- тоту 5712 МГц и представляет собой круглый диа- фрагмированный волновод с щелями связи в диа- фрагмах и каналами охлаждения в стенках структу- ры; она представлена на Рис.1. Мощность питания P0 = 4,28 МВт; мощность по- терь в стенках Ps=1,35 МВт; коэффициент потерь α = 0,77 (1/м); групповая скорость βгр= 0,008; вид колебаний Ѳ = 2π/3; добротность Q = 9800; коэффи- циент связи Ксв.= 1 %; отношение радиуса пролётно- го канала к длине волны равно a/λ = 0,08. Макси- мальная плотность СВЧ-потерь составляет 18,2 кВт/см2 при длительности импульса 10 мкс и частоте повторений 240 Гц. Толщина стенок струк- туры составляет 10 мм, диаметр охлаждающих ка- налов − 5 мм. Рис.1. Геометрия ускоряющей структуры В Табл.1 представлены полученные значения ко- эффициента теплоотдачи (К) при различных скоро- стях и температурах охлаждающей жидкости [3]. Таблица 1 Т, °С 20 30 40 50 К, Вт/(м2⋅град) V = 2 м/с 10280 12160 14030 14830 К, Вт/(м2⋅град) V = 1 м/с 4860 5780 6650 - 2.1. СТАЦИОНАРНЫЙ ПРОЦЕСС НАГРЕВА Тепловой расчет структуры подразумевает толь- ко постоянный процесс нагрева при помощи СВЧ и охлаждения ее водой. В качестве значения мощно- сти в структуре берется средняя по времени мощ- ность. Исследование смещения частоты в зависимости от температуры охлаждающей жидкости показало, что при температуре жидкости менее 40°С смеще- ние частоты превышает 1 МГц. Для случая с темпе- ратурой охлаждающей жидкости 40°С приведены диаграммы распределения полей, температуры, смещений, механических напряжений и деформации в стационарном режиме (Рис.2-6). При подобранных параметрах максимальная температура в структуре достигает 70°С, а смещение частоты составляет 0,98 МГц. ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №3(79) 83 Так как щели структуры выполняют функцию связи соседних ячеек по магнитному полю, то наи- больший нагрев структуры будет происходить в этой области. Это также видно на полученном рас- пределении температур (см. Рис.3). Также из рас- пределения полей (см. Рис.2) видно, что электриче- ские поля сконцентрированы в крайних двух полу- ячейках, поэтому нагреваются в основном диафраг- мы, разделяющие крайние полуячейки. Рис.2. Распределение полей в структуре Рис.3. Распределение температуры, °С Рис.4. Распределение смещений структуры, м Рис.5. Распределение механических напряжений, Па Рис. 6. Деформации структуры от нагрева 2.2. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В качестве переходных процессов нагрева иссле- довалось влияние импульсного нагрева и охлажде- ния при включении и выключении средней СВЧ- мощности. Охлаждение и нагрев при включении и выключении СВЧ-мощности имеют экспоненциаль- ный вид c одинаковыми постоянными времени τ = 0,95 с. Время нагрева/охлаждения t = 8 с. Также проведены исследования влияния им- пульсного нагрева непосредственно во время СВЧ- импульса. В отличие от медленного переходного процесса, когда рассматривается включение и вы- ключение СВЧ на длительном интервале времени, для расчета данного процесса была использована не средняя мощность, а импульсная. Расчет проводился для длительности импульса Ти = 10 мкс и частоты повторений Fп = 240 Гц. Постоянная времени для процесса нагрева τ = 6,6 мкс, а для процесса охлаж- дения τ = 160 мкс. За время импульса Ти происходит сильный ло- кальный разогрев структуры Тмах= 78°С, но так как этот рост отмечается лишь в небольшой области, то к сильному смещению частоты это не приведёт. В Табл.2 приведены значения смещения резо- нансной частоты при различных процессах. Таблица 2 До нагрева СВЧ-мощностью f, МГц 5712,0994 Δf, МГц 0 Во время нагрева СВЧ-мощностью стационар- ный процесс перед импульсом после импульса f, МГц 5711,1214 5711,1284 5711,1193 Δf, МГц 0,978 0,971 0,983 2.3. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ Для исследования качества работы системы ох- лаждения проведены тепловые расчеты для различ- ных режимов работы устройства. Стационарный тепловой расчет для различной входной мощности показал, что зависимость сме- щения частоты от мощности носит линейный харак- тер с коэффициентом наклона 0,993 МГц/(Р/Р0), где P0 = 1,35 МВт. Стационарный тепловой расчет для различной температуры охлаждающей жидкости показал, что график зависимости смещения резонансной час- тоты от температуры охлаждающей жидкости имеет линейный характер с коэффициентом наклона 0,111 МГц/ºC. При расчете учитывалось изменение коэффициента теплопередачи в зависимости от тем- пературы жидкости, так как вода меняет свои свой- ства при различной температуре. По результатам теплового расчёта нагрева струк- туры при различных начальных температурах структуры определено время выхода структуры на стационарный режим в зависимости от начальной температуры структуры для номинальной и поло- винной мощности питания (Табл.3). Таблица 3 Температура структуры, ºС 30 35 45 50 для номинальной мощности 10 9 6 7 Время выхо- да на ста- ционарный процесс, с для половинной мощности 9,5 8,75 7,5 9,5 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №3(79) 84 3. ПОПЕРЕЧНО-ОТКЛОНЯЮЩАЯ СТРУКТУРА Поперечно-отклоняющая структура (дефлектор) предназначена для измерения поперечного слайс эмиттанса и определения продольного фазового пространства пучков в лазерах на свободных элек- тронах. Структура основана на медном круглом диа- фрагмированном волноводе, работающем на волне Е11 с частотой 3 ГГц и виде колебаний Ѳ = 2π/3 [5]. Водяные охладительные каналы выполнены в виде прямоугольных медных волноводов, которые кре- пятся к внешним стенкам структуры. Для поляриза- ции волны используется выточка в обечайке, как показано на Рис.7. Частота следования импульсов 10 Гц, длительность импульса 3,1 мкс, мощность питания Р0 = 2,5 МВт, коэффициент потерь α = 0,157 м-1, длина структуры L = 0,7 м, макси- мальная плотность потерь 2,44 кВт/см2. Рис.7. Геометрия структуры В Табл.4 представлены полученные значения ко- эффициента теплоотдачи (К) при различной темпе- ратуре с размерами канала 16×7,9 мм и толщиной стенок 2 мм. Таблица 4 Т, ºС 35 40 45 50 55 К,Вт/(м2·град) v=1 м/с 6230 6560 7130 7700 8460 3.1. СТАЦИОНАРНЫЙ ПРОЦЕСС Для случая с температурой охлаждающей жид- кости 45°С, при которой смещение частоты не пре- вышает 200 кГц, приведены изображения распреде- ления полей, температуры, смещений, механических напряжений и деформации в стационарном режиме (Рис.8-11). При подобранных параметрах максимальная температура на диафрагмах достигает 49,156ºС, максимальное напряжение составляет 6,1 МПа. Де- формации на Рис.11 для наглядности увеличены в 10000 раз. Рис.8. Распределение полей в структуре Рис.9. Распределение температуры, ºС Рис.10.Распределение механических напряжений, Па Рис.11. Деформации структуры от нагрева 3.2. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ Для исследования переходных процессов рас- сматривалось влияние импульсного нагрева при включении и выключении средней СВЧ-мощности. Полученные зависимости максимальной температу- ры в структуре от времени имеют вид, близкий к экс- поненциальному, но область с максимальной темпе- ратурой изменяется со временем. Постоянная време- ни τ = 70 с. Время нагрева/охлаждения t = 600 с. Также проведено исследование влияния им- пульсного нагрева непосредственно во время СВЧ- импульса. При расчете использовалась импульсная мощность. Результаты расчетов показывают, что за время импульса максимальная температура в струк- туре повышается примерно на 5,5 градусов, но так как температура повышается в достаточно малень- кой области, то и существенных изменений нагрев от единичного импульса не несёт. В Табл.5 приведены значения смещения резо- нансной частоты при различных процессах. Таблица 5 До нагрева СВЧ-мощностью f, МГц 2999,583575 Δf, МГц 0 Во время нагрева СВЧ-мощностью стационарный процесс перед импульсом после импульса f, МГц 2999,4218 2999,4225 2999,4213 Δf, МГц 161,779 161,202 162,403 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №3(79) 85 3.3. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ Для исследования работы системы охлаждения структуры проведены тепловые расчеты для различ- ных режимов работы устройства. Стационарный тепловой расчет для различной входной мощности показал, что частота в зависимо- сти от мощности в структуре имеет линейную зави- симость с коэффициентом наклона равным 172,5714 кГц/(Р/Р0). Стационарный тепловой расчет для различной температуры охлаждающей жидкости показал, что график зависимости смещения резонансной частоты от температуры охлаждающей жидкости имеет ли- нейный характер с коэффициентом наклона равным 58,66 кГц/ºС. При расчете учитывалось изменение коэффициента теплопередачи от температуры жид- кости, из-за изменения свойств воды от температу- ры. По результатам теплового расчёта нагрева струк- туры при различных начальных температурах опре- делено время выхода структуры на стационарный процесс в зависимости от начальной температуры структуры для номинальной и половинной мощно- сти питания (Табл.6). Таблица 6 Т, ºС 35 40 50 55 для номинальной мощности 820 760 980 1080 Время выхода на стационарный процесс, с для половинной мощности 800 760 800 860 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В данной работе было проведено численное мо- делирование нагрева ускоряющей структуры с об- ратной дисперсией и поперечной отклоняющей структуры, а также проанализирована работа охла- ждающих систем для данных структур. По результатам тепловых расчетов были найде- ны необходимые параметры охлаждающих систем для ускоряющей и отклоняющей структур, при ко- торых СВЧ-нагрев структур не вызывает значитель- ного изменения необходимых характеристик. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. D.A. Zavadtsev. Calculation of Thermal Transient Condition in Biperiodic Accelerating Structure // Problems of Atomic Science and Technology. Series “Nuclear Physics Investigations” (43). 2004, №2, p.87-89. 2. В. Парамонов, А. Скасырская, K. Floettmann, F. Stephan. Исследование эффектов импульсного ВЧ-нагрева в нормально проводящих резонато- рах L-диапазона // Problems of Atomic Science and Technology. Series “Nuclear Physics Investiga- tions” (49). 2003, №3, p.51-54. 3. Ф. Крейт, У. Блэк: Основы теплопередачи / Пер. с англ. М.: «Мир», 1983, с.512. 4. S.V. Kutsaev, N.P. Sobenin, K.I. Nikolskiy. Hybrid electron linac based on magnetic coupled accelerat- ing structure. PAC-2011, N.Y. USA, 2011. 5. А.А. Анисимов, В.И. Каминский, М.В. Лалаян и др. Cтруктура с поперечным отклоняющим полем для лазера на свободных электронах / Приборы и техника эксперимента. 2010, №1, с.117-124. Статья поступила в редакцию 23.09.2011 г. THERMAL PROPERTIES OF ACCELERATING AND DEFLECTING STRUCTURES M.A. Gusarova, I.V. Isaev, R.A. Kostin, M.V. Lalayan The simulation results for temperature maps of different structures are presented and discussed. The negative dispersion accelerating structure with magnetic coupling and the periodic deflecting cavity with recesses in cell walls were analyzed. Model used for simulations consisted of copper cells and liquid cooling system with variable flow. ANSYS code was used for numeric simulation. Static (steady-state) condition and transient regime were stud- ied. Results for geometry and frequency deviation caused by temperature variation are presented. РОЗРАХУНОК ТЕПЛОВОГО РЕЖИМУ ПРИСКОРЮЮЧИХ І ВІДХИЛЯЮЧИХ ПЕРІОДИЧНИХ СТРУКТУР М.А. Гусарова, І.В. Ісаєв, Р.А. Костін, М.В. Лалаян Наведено результати розрахунку розподілу температур в прискорювальній структурі з магнітним зв'яз- ком та негативною дисперсією, а також в періодичній відхиляючій структурі з виточками в стінках клітинок. Тепловий розрахунок проводився в програмі чисельного моделювання ANSYS. Представлено результати розрахунків для стаціонарного і перехідного теплового режимів. Також представлено результати розрахун- ків зміни геометрії і резонансної частоти клітинок залежно від нагрівання структури. Розрахунки проводи- лись для мідних структур при обліку СВЧ-втрат в стінках, а також різних швидкостей охолоджуючої рідини.

Расчет теплового режима ускоряющих и отклоняющих периодических структур

Institution

Ähnliche Einträge