束流收集器
束流收集器是 ISOL 靶室系統的重要部件。它位于靶的后方，主要作用是對回旋加速器注入進靶室的剩余束流進行收集，并在靶被打穿的極端情況下，對束流進行收集以確保系統其他部件不受損害。收集器采用高熔點的材料作為接受束流轟擊的部分，利用高導熱性的銅基將熱量傳遞給水冷系統。中心區域采用錐面以增大束流的分布面積。
結構設計及電子束能量分布計算
束流收集器需能可靠地吸收電子束轟擊到其表面產生的能量，且能承受長時間工作所產生的熱應力和疲勞應力，因此，采用熔點高、導熱率好、熱膨脹系數小的銅制作束流收集器的內筒，外筒采用不銹鋼制作，內外筒之間為冷卻水通道，其結構簡圖如圖1所示。束流收集器內表面采用倒圓錐結構，使電子束在傳輸過程中逐漸被內表面吸收，以擴大束流收集器受到轟擊的面積，減小單位面積上的能量密度。考慮到電子束傳輸和擴散等因素，初步將收集器設計為入口直徑為160mm、長度為1．2m的倒圓錐。內筒厚度為10mm，以阻止電子束穿透，并有足夠的機械強度。收集器末端采用3個成120°的支撐柱對內筒進行支撐，在有足夠支撐強度的同時減小對冷卻水的阻力，出水口位于收集器的頂端，便于排除冷卻水中的氣泡，防止收集器局部過熱。
為防止電子束能量過于集中而損壞束流收集器，電子束在進入束流收集器前需用四級磁鐵對其擴束。電子束達到收集器內表面時的束斑直徑為120mm，并且在傳輸過程中逐漸被內表面吸收。通過束流光學模擬軟件，優化四級磁鐵參數，并計算收集器上各位置沉積的電子數，得到收集器內表面沿軸線的能量密度（P）分布曲線，如圖2所示。電子束橫向分布采用正態分布，電子集中在束團中心，因此能量密度分布在收集器末端較大。計算中忽略了電子束轟擊到收集器內表面產生二次電子和X射線而損失的能量，并直接將電子束能量考慮為熱量施加在收集器內表面，不考慮電子束在材料中的穿透深度。通過優化，將能量密度控制在100W/cm以內，但在圓錐尖端出現峰值，達到130W/cm，這主要是圓錐尖端面積較小所致，由于能量并不高，該峰值在可接受范圍內。
水冷結構模擬
束流收集器水冷設計需防止收集器溫度過高導致冷卻水沸騰，沸騰產生的氣泡將使冷卻水與筒壁分離，在收集器壁形成熱點，從而使收集器溫度得不到有效控制。初步估算采用室溫（300K）的冷卻水在水流量為3．0k/s時，帶走由電子束轟擊產生的40kW熱量，溫升僅為3．2K。
使用流體力學模擬軟件Fluent對收集器水冷結構進行模擬，水流量為3．0kg/s，入口壓強為0．1MPa。冷卻水通道入口寬度為10mm，出口寬度為5mm，越靠近通道出口半徑越大，通道的截面積也越大，因此在冷卻水流動過程中，流速將逐漸減緩。冷卻水通道內水流速度分布如圖3所示，入口處的水流速度為4．6m/s，在向出口流動過程中流速逐漸下降至1．2m/s。在水流過收集器內筒末端時，被阻礙并分向四周形成水流速度較小的回流區，如圖3b、c所示，但該處未直接受到電子束轟擊，熱量來自于前端的熱傳導不會產生過熱。
經過計算得到束流收集器內筒靠近冷卻水表面的溫度分布和兩表面沿軸線的溫度分布，如圖4所示，收集器溫度從0．2m開始上升，在0．6m時達到平頂并一直延續到1．1m，與收集器上能量密度分布曲線相符合；在1．1m至末端區間，溫度迅速下降，與能量密度分布曲線趨勢相反。電子束能量主要沉積在收集器的0．6～1．1m范圍內，末端雖然能量密度較高，但由于面積較小，能量沉積也較小，因此溫度較低。收集器兩表面之間的溫差隨溫度升高而增大，在收集器溫度最高處（355K）溫差最大，為10K。靠近冷卻水表面，最高溫度達到345K，遠低于冷卻水的沸騰溫度，束流收集器不會出現熱點，能穩定可靠運行。
結
對FEL－THz束流收集器進行了初步設計，收集器內筒采用入口直徑160mm、長1．2m的倒圓錐結構對電子束進行吸收。采用室溫（300K）冷卻水對其進行冷卻，冷卻水流量為3．0k/s，壓強為0．1MPa，可將收集器內壁溫度冷卻至355K，遠低于冷卻水的沸騰溫度，束流收集器不會出現熱點，能穩定可靠運行，滿足高平均功率FEL－THz裝置的使用要求。 [1]