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北京大学设计并建造的中子成像装置(PKUNIFTY,Peking University neutronimaging facility)是一种基于强流RFQ加速器的紧凑型中子照相装置,相较于传统的核反应堆和散裂中子源的中子照相装置,具有小型化、结构灵活的特点,拓展了中子照相在科学研究和工业生产中的应用。 中子照相用RFQ高频系统是中子照相装置的重要组成部分,主要为RFQ加速器提供高频功率,用于在RFQ电极间建立正确的加速和聚焦电场,加速峰值流强40mA,氘离子能量从0.05MeV到2MeV。针对北京大学中子照相装置对RFO高频系统的应用需求,本文围绕RFQ高频系统的关键技术开展理论分析和实验研究,主要工作分为以下三个方面: (1)RFQ高频系统设计 根据中子照相RFQ的束流动力学和射频结构设计结果,考虑高频系统的工作频率、功率容量和功能需求,设计了由四极管发射机、定向耦合器、高功率同轴传输线、环形器、水负载等组成高频系统。 本文重点分析四极管发射机的基本工作原理,在此基础上计算了四极管发射机的静态工作点参数,完成四极管发射机多级放大器之间的阻抗匹配。在调试过程中,提出了基于网络分析仪脉冲S参数测量的阻抗匹配调试方法,解决了四极管发射机存在的输出功率不足和信号闪络问题,使四极管发射机在占空比10%、频率201.5MHz条件下,输出功率达到并超过设计的400kW。 (2)RFQ腔功率实验研究 针对高频发射机、RFQ腔和束流相互作用问题,通过阻抗等效的方法将其转变为一般意义的微波工程技术问题,并引入微波工程技术习惯的定义,在此基础上建立起高频发射机、RFQ腔和束流高频参数对应关系。在理论分析的基础上,开展了RFQ腔的功率实验,主要包括RFQ腔的冷测和热测。测试结果表明,占空比4%,工作频率201.5MHz条件下,RFQ腔馈入功率237.6kW时,测得的极间电压超过设计指标70kV,其比分路阻抗约为52.7kΩ·m。 (3)RFQ高频系统水冷和远程监控系统设计 针对水冷装置长期未使用导致PLC控制器掉电现象,重新设计了PLC控制器程序和上位机控制程序,实现了高频发射机水冷装置的远程控制。 另外,针对中子照相装置正常运行对高频发射机远程监控的需求,利用实验室现有的智能化测量仪器和局域网,建立了一套结构灵活、功能完备、拓展性强的高频发射机远程监控系统。