束流收集器
束流收集器是 ISOL 靶室系统的重要部件。它位于靶的后方，主要作用是对回旋加速器注入进靶室的剩余束流进行收集，并在靶被打穿的极端情况下，对束流进行收集以确保系统其他部件不受损害。收集器采用高熔点的材料作为接受束流轰击的部分，利用高导热性的铜基将热量传递给水冷系统。中心区域采用锥面以增大束流的分布面积。
结构设计及电子束能量分布计算
束流收集器需能可靠地吸收电子束轰击到其表面产生的能量，且能承受长时间工作所产生的热应力和疲劳应力，因此，采用熔点高、导热率好、热膨胀系数小的铜制作束流收集器的内筒，外筒采用不锈钢制作，内外筒之间为冷却水通道，其结构简图如图1所示。束流收集器内表面采用倒圆锥结构，使电子束在传输过程中逐渐被内表面吸收，以扩大束流收集器受到轰击的面积，减小单位面积上的能量密度。考虑到电子束传输和扩散等因素，初步将收集器设计为入口直径为160mm、长度为1．2m的倒圆锥。内筒厚度为10mm，以阻止电子束穿透，并有足够的机械强度。收集器末端采用3个成120°的支撑柱对内筒进行支撑，在有足够支撑强度的同时减小对冷却水的阻力，出水口位于收集器的顶端，便于排除冷却水中的气泡，防止收集器局部过热。
为防止电子束能量过于集中而损坏束流收集器，电子束在进入束流收集器前需用四级磁铁对其扩束。电子束达到收集器内表面时的束斑直径为120mm，并且在传输过程中逐渐被内表面吸收。通过束流光学模拟软件，优化四级磁铁参数，并计算收集器上各位置沉积的电子数，得到收集器内表面沿轴线的能量密度（P）分布曲线，如图2所示。电子束横向分布采用正态分布，电子集中在束团中心，因此能量密度分布在收集器末端较大。计算中忽略了电子束轰击到收集器内表面产生二次电子和X射线而损失的能量，并直接将电子束能量考虑为热量施加在收集器内表面，不考虑电子束在材料中的穿透深度。通过优化，将能量密度控制在100W/cm以内，但在圆锥尖端出现峰值，达到130W/cm，这主要是圆锥尖端面积较小所致，由于能量并不高，该峰值在可接受范围内。
水冷结构模拟
束流收集器水冷设计需防止收集器温度过高导致冷却水沸腾，沸腾产生的气泡将使冷却水与筒壁分离，在收集器壁形成热点，从而使收集器温度得不到有效控制。初步估算采用室温（300K）的冷却水在水流量为3．0k/s时，带走由电子束轰击产生的40kW热量，温升仅为3．2K。
使用流体力学模拟软件Fluent对收集器水冷结构进行模拟，水流量为3．0kg/s，入口压强为0．1MPa。冷却水通道入口宽度为10mm，出口宽度为5mm，越靠近通道出口半径越大，通道的截面积也越大，因此在冷却水流动过程中，流速将逐渐减缓。冷却水通道内水流速度分布如图3所示，入口处的水流速度为4．6m/s，在向出口流动过程中流速逐渐下降至1．2m/s。在水流过收集器内筒末端时，被阻碍并分向四周形成水流速度较小的回流区，如图3b、c所示，但该处未直接受到电子束轰击，热量来自于前端的热传导不会产生过热。
经过计算得到束流收集器内筒靠近冷却水表面的温度分布和两表面沿轴线的温度分布，如图4所示，收集器温度从0．2m开始上升，在0．6m时达到平顶并一直延续到1．1m，与收集器上能量密度分布曲线相符合；在1．1m至末端区间，温度迅速下降，与能量密度分布曲线趋势相反。电子束能量主要沉积在收集器的0．6～1．1m范围内，末端虽然能量密度较高，但由于面积较小，能量沉积也较小，因此温度较低。收集器两表面之间的温差随温度升高而增大，在收集器温度最高处（355K）温差最大，为10K。靠近冷却水表面，最高温度达到345K，远低于冷却水的沸腾温度，束流收集器不会出现热点，能稳定可靠运行。
结
对FEL－THz束流收集器进行了初步设计，收集器内筒采用入口直径160mm、长1．2m的倒圆锥结构对电子束进行吸收。采用室温（300K）冷却水对其进行冷却，冷却水流量为3．0k/s，压强为0．1MPa，可将收集器内壁温度冷却至355K，远低于冷却水的沸腾温度，束流收集器不会出现热点，能稳定可靠运行，满足高平均功率FEL－THz装置的使用要求。 [1]
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