ILC正电子靶摩擦接触热传导冷却技术的初步研究

作     者：张校铭 

作者单位：中国科学院研究生院(近代物理研究所) 

学位级别：硕士

导师姓名：张子民

授予年度：2016年

学科分类：07[理学] 070202[理学-粒子物理与原子核物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：ILC正电子源 热传导 旋转靶 有限元 摩擦冷却 

摘      要：正电子源是国际直线对撞机的关键设备之一,目前被认可的是基于波荡器的设计方案,即利用高能量伽玛光子束打入旋转靶面来产生正电子。在这个过程中,将会23k W左右的热功率热源沉积于旋转靶中,因此,需要寻求一种适合高速旋转靶的高功率冷却方法。美国ANL国家实验室提出了利用摩擦接触热传导的方式进行冷却的方案,但需要进行可行性验证。论文探究了摩擦接触热传导冷却方案的基本原理,并设计加工了一套简化装置来验证摩擦冷却方案的可行性。首先根据一维多层平壁稳态热传导理论对该装置的冷却系统进行建模,对装置热传导过程进行相应的理论计算。计算结果表明这种冷却方法可以满足设计的需求。再通过有限元软件对旋转靶系统的冷却过程进行了相关的模拟,分析出冷却与非冷却两种不同状态下的旋转靶稳态温度分布云图,根据模拟的温度对比云图可知,简化装置具备一定的冷却能力,可以实现用摩擦接触热传导方法对旋转靶冷却。为了进一步验证摩擦接触热传冷却方案的可行性,按照模拟的参数和结果,通过直接加热、对流加热、摩擦加热及涡流加热四种不同的方案对旋转靶面施加热源来进行冷却实验研究,由摩擦加热的冷却与非冷却的实验对比图可知,简化的模型装置不仅可以带走加热热源,而且还可以带走额外的摩擦热源,可以实现对旋转靶的冷却。另外施加可以量化的涡流热源来研究旋转靶的冷却效果,实验结果表明简化的模型装置也可以实现对旋转靶的冷却,证明了摩擦接触热传导冷却方案的可行性和有效性。