强流电子束引出窗风冷数值模拟

　　目前正在研制的1.2 MW大功率电子加速器在环境治理领域有着巨大的应用前景,此加速器的电子能量为1.2 MeV,束流为1 A,其中2个独立的加速引出系统各产生500 mA直流电子束。由于真空中发射的电子束被引出到空气中时要穿越引出窗,期间可能由于原子碰撞而使窗膜温度上升,所以必须采取有效的冷却措施来保持窗膜的机械性能和抗氧化性能,从而保证引出窗稳定可靠。通常可以选择2种引出方式:低密度宽电子束引出和高密度浓集束引出[1]。高密度浓集束引出技术复杂,成本高,可靠性低,不太适合环境治理领域的需求,所以我们采用低密度宽电子束引出路线。工业电子加速器引出窗引出密度通常限制在100μA/cm2以内,最佳窗膜材料为纯钛[2]。采用数值模拟技术对引出窗结构和电子束束流密度分布进行优化,降低引出窗温度,从而将引出束流的平均密度提升到110μA/cm2以上。

　　1　钛膜工作参数

　　钛膜的机械强度随着温度的上升而急剧下降, 300℃时的屈服强度比0℃度时下降了60%[3]。在大气压力作用下,钛膜呈柱面形状,曲率半径R与钛膜厚度δ,屈服应力σs,大气压力p之间的关系为[4]

钛膜跨度为100 mm时,允许的最高工作温度不能超过150℃,否则拉伸率将超过5%,钛膜可能破裂。

　　2　窗膜冷却

　　窗膜有几种散热途径:热传导、热辐射和强迫风冷。在150℃以下,热传导和热辐射的散热功率比强迫风冷小2个数量级,可以忽略。

　　对于平面附壁射流,其壁面热流密度q与喷口流速U0,喷口尺寸b0,离开喷口距离x,壁面温度tw,气流温度tair之间的关系为[5]力作用下,钛膜呈柱面形状,曲率半径R与钛膜厚度δ,屈服应力σs,大气压力p之间的关系为[4]

　　3　强迫风冷模拟

　　为了增加引出面积,采用双窗结构,两面对吹,如图1所示。在不影响计算精度的情况下,将结构简化为:(1)2维问题:结构完全对称,只计算半边;(2)忽略热辐射,仅考虑热传导。流体计算软件fluent计算条件为:钛膜厚度为30μm,束流密度110μA/cm2,对应热流密度2.1 W/cm2,边缘5 mm区域内没有电子束。

　　3.1　流速场数值模拟结果验证

　　以平面附壁射流结构为基础,将数值模拟计算结果与经验公式(2)的计算结果进行比较,各点对应的轴心流速见图2,偏差最大6%。

　　3.2　强迫风冷模拟结果

　　钛膜圆弧半径为115 mm,出口风速为30 m/s,强迫风冷模拟结果为:钛膜表面的气体流速逐步降低,流速分布见图3(a),表面温度分布见图3(b)。钛膜上最高温度出现在最远端电子束引出边界处,为411℃。图4为不同结构下测得回流区效应对肽膜表面温度的影响。