本文介绍了一项关于10 MeV电子直线加速器（linac）的设计研究，旨在模拟外层空间的电子辐射环境，并对航天器材料和设备进行电子辐照效应测试。该研究由Shu Zhang、Cai Meng、Zu-Sheng Zhou、Xiang He、Jing-Ru Zhang、Munawar Iqbal、Zhan-Dong Zhang、Bo-Wen Bai和Yun-Long Chi等作者共同完成，发表于2024年的《Nuclear Science and Techniques》期刊。

研究背景与目的

电子直线加速器是重要的粒子加速器，广泛应用于科学研究、工业辐照、医疗设备消毒等领域。在航天领域，外层空间存在大量高能电子和质子，这些粒子会对航天器材料、设备和系统级组件造成辐射损伤，影响其可靠性。随着未来航天器数量的增加，研究高能电子辐照下航天器材料的行为演化变得尤为重要。为此，中国提出了建设空间环境模拟与研究基础设施（SESRI），其中10 MeV电子直线加速器是该平台的重要组成部分，用于模拟外层空间的电子辐射环境，并为航天器可靠性设计和寿命预测提供数据支持。

研究流程与方法

本研究设计了一台紧凑的10 MeV S波段辐照电子直线加速器，能够提供3.5至10 MeV的电子束能量，平均电流范围为0.1至1 mA，辐照面积可达1平方米，均匀性超过90%，扫描频率为100 Hz。为实现高扫描频率，研究提出了一种结合kicker（快速偏转器）和扫描磁铁（scanning magnet, SM）的新方法。

1. 加速器设计参数
   加速器的设计遵循结构简单和实现可行的原则，主要包括热阴极电子枪、聚束加速段和扫描传输线。加速器的重复频率为500 Hz，采用两阶段加速方案，第一阶段将电子束加速至约6.75 MeV，第二阶段通过调整射频相位将能量调整至3.5至10 MeV。

2. 电子枪设计
   电子枪采用栅极控制设计，能够调节发射电流，并通过模拟优化了电子枪的横向发射度，确保束流质量。

3. 聚束加速段设计
   聚束加速段包括预聚束器（pre-buncher, PB）、聚束加速结构（bunching-accelerating, BA）和加速结构（accelerating structure, AS）。预聚束器用于初步压缩束流，聚束加速结构采用2π/3模式的驻波腔设计，以提高加速效率。

4. 扫描传输线设计
   扫描传输线包括束流诊断设备、四极磁铁、校正磁铁、kicker和扫描磁铁。kicker用于水平方向的快速扫描，扫描磁铁用于垂直方向的步进扫描，最终在目标区域形成均匀的束流分布。

5. 硬件设计与初步调试
   为确保加速器的稳定运行，研究还考虑了水冷需求和腔体材料的选择。初步调试结果表明，加速器的束流能量、能量展宽、脉冲电流和宽度、辐照面积和均匀性均满足设计要求。

主要结果与结论

通过详细的物理设计和动态模拟，研究成功设计了一台10 MeV电子直线加速器，能够满足高扫描频率、大辐照面积和高均匀性的要求。模拟结果显示，束流能量可在3.5至10 MeV范围内调节，能量展宽在10 MeV时小于2.5%，束流均匀性超过90%。此外，研究还考虑了磁铁误差、kicker失效以及环境磁场对束流偏移的影响，并通过校正磁铁进行了优化。

研究的意义与价值

该研究为高扫描频率电子直线加速器的设计提供了重要的理论和实践基础，特别是在航天器材料辐照效应测试领域具有重要的应用价值。通过模拟外层空间的电子辐射环境，该加速器能够为航天器可靠性设计和寿命预测提供关键数据支持，推动航天技术的发展。

研究亮点

1. 高扫描频率与大面积辐照：通过结合kicker和扫描磁铁，实现了100 Hz的高扫描频率和1平方米的大面积辐照，均匀性超过90%。
2. 两阶段加速方案：采用两阶段加速方案，灵活调节束流能量，确保加速过程的稳定性。
3. 硬件优化与调试：通过水冷设计和腔体材料优化，确保加速器的稳定运行，并完成了初步调试，验证了设计的可行性。

总结

本研究成功设计并初步调试了一台10 MeV电子直线加速器，能够满足空间环境模拟的需求。该加速器在航天器材料辐照效应测试中具有重要的应用价值，为相关领域的研究提供了强有力的工具。未来的工作将进一步提高加速器的重复频率并优化束流参数，以更好地服务于航天技术的发展。