功率输入耦合器的制作方法

本公开属于粒子加速器技术领域，涉及一种功率输入耦合器。

背景技术：

随着核物理基础研究和应用研究的发展，高能量和高流强的重离子直线加速器成为迫切的需要，而传统的铜制射频加速腔的一个主要缺点是腔壁的电阻损耗过大，导致巨大的射频功率需求，这直接限制了铜腔的运行加速梯度；对于高占空比的直线加速器，冷却上的局限性将进一步限制加速场值。在温度为4K或者2K下，金属铌处于超导态，其表面电阻是铜的10^-5倍，因此超导射频铌腔可以在高加速梯度和高占空比下运行。功率输入耦合器是给射频超导加速腔提供功率的设备，在射频超导系统中位于功率源和超导加速腔之间，主要功能是将微波功率馈送到超导加速腔内，同时通过陶瓷窗可以将大气与超导加速腔内的真空环境分离，起到从室温到超导低温的低漏热过渡连接作用等多重功能。

由于功率输入耦合器起到将大气和真空环境分离的作用，一旦功率输入耦合器的陶瓷窗破裂，将导致整个加速器无法运行，需花费大量的财力和精力去修复，成本较高，因此关于功率输入耦合器的研究一直是加速器射频超导领域的热点和难点。

现有技术中，国内外的功率输入耦合器的高频窗一般采用同轴平板型和圆柱形窗，现有的圆柱形高频窗为陶瓷窗，外径相同且导体嵌入陶瓷内部进行焊接，导致结构设计复杂、焊接难度增加、窗体强度减少，使功率输入耦合器的保险系数降低。因此，针对包含圆柱形高频窗的功率输入耦合器来说，如何改进并简化该功率输入耦合器的结构，从而降低焊接难度、提高窗体强度、增强其保险系数，成为亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种功率输入耦合器，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种功率输入耦合器，包括：功率输入端，其输入功率；同轴转换器，与功率输入端相连，包括：外导体与内导体；高频陶瓷窗，与同轴转换器相连接，包括：陶瓷窗，该陶瓷窗包含一室温条件下的台阶圆柱陶瓷管，该台阶圆柱陶瓷管由沿着功率传输方向直径渐缩的至少两个圆柱陶瓷管组成；以及输出端外导体组件，与高频陶瓷窗连接，其输出功率。

在本公开的一些实施例中，高频陶瓷窗还包括：高频陶瓷窗外导体，设置于陶瓷窗的外部，与同轴转换器的外导体末端电性连接；第一高频陶瓷窗内导体，设置于陶瓷窗的内部，插入同轴转换器的内导体之内；以及第二高频陶瓷窗内导体，与第一高频陶瓷窗内导体以及陶瓷窗相连接，并与同轴转换器的内导体末端电性连接。

在本公开的一些实施例中，在高频陶瓷窗外导体与同轴转换器的外导体末端之间设有第一弹簧圈，该第一弹簧圈实现高频陶瓷窗外导体与同轴转换器的外导体末端的电性连接；在第二高频陶瓷窗内导体与同轴转换器的内导体末端之间设有第二弹簧圈，该第二弹簧圈实现所述第二高频陶瓷窗内导体与同轴转换器的内导体末端的电性连接。

在本公开的一些实施例中，高频陶瓷窗还包括：第五法兰，该第五法兰为真空刀口法兰，设置于高频陶瓷窗外导体之上，第五法兰与同轴转换器的外导体末端相连接。

在本公开的一些实施例中，在同轴转换器的外导体末端与第五法兰之间设置有第三法兰，该第三法兰为定位法兰，实现同轴转换器与高频陶瓷窗的装配定位。

在本公开的一些实施例中，输出端外导体组件包括：输出端外导体；第四法兰，设置于输出端外导体之上，与第五法兰相连接；波纹管，与第四法兰相连接，并与低温恒温器相连；铜环，与低温恒温器中的液氮冷屏相连，对该功率输入耦合器进行冷却；以及第一法兰，与一超导腔体相连接，输出功率至该超导腔体。

在本公开的一些实施例中，第四法兰上设置有真空抽气窗口、打火监控端口、以及电子流监控端口。

在本公开的一些实施例中，陶瓷窗的真空侧镀有氮化钛膜，该氮化钛膜的厚度介于5nm～10nm之间。

在本公开的一些实施例中，同轴转换器包含依次相连接的第一段同轴转换器和第二段同轴转换器，在所述第一段同轴转换器与第二段同轴转换器的连接部位包含一同轴陶瓷片。

在本公开的一些实施例中，第二段同轴转换器的内部密封有惰性气体或高纯氮气。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的功率输入耦合器，具有以下有益效果：

利用一个室温环境下台阶圆柱陶瓷管组成的高频陶瓷窗使超导加速腔保持真空状态，该台阶圆柱陶瓷管由沿着功率传输方向直径渐缩的至少两个圆柱陶瓷管组成，直径较小的部分靠近超导加速腔，其中，直径较大的圆柱陶瓷管与陶瓷窗的外导体进行钎焊，起到隔离真空、降低焊接难度和调节匹配传输的作用，直径较小的圆柱陶瓷管可以增加陶瓷的强度、保护直径较大的圆柱陶瓷管免受超导加速腔内部电子发射到陶瓷窗表面，并能起到调节传输匹配的作用。

附图说明

图1为根据本公开一实施例所示的功率输入耦合器的结构示意图。

图2为根据本公开一实施例所示的同轴转换器的结构示意图。

图3为根据本公开一实施例所示的高频陶瓷窗体的结构示意图。

图4为根据本公开一实施例所示的陶瓷窗的结构示意图。

图5为根据本公开一实施例所示的外导体组件的结构示意图。

图6为根据本公开一实施例所示的监控窗口的位置示意图。

【符号说明】

1-功率输入端； 2-第一段同轴转换器；

3-第二段同轴转换器； 4-高频陶瓷窗；

5-输出端外导体组件； 6-第一法兰；

7-第二法兰； 8-插芯；

9-第二段同轴转换器外导体末端； 10-第一弹簧圈；

11-高频陶瓷窗外导体； 12-第三法兰；

13-第一高频陶瓷窗内导体； 14-同轴陶瓷片；

15-第二高频陶瓷窗内导体； 16-第二弹簧圈；

17-陶瓷窗； 18-第四法兰；

19-真空抽气端口； 20-打火监控端口；

21-电子流监控端口； 22-波纹管；

23-铜环； 24-第五法兰；

25-充气口。

具体实施方式

本公开提供了一种功率输入耦合器，通过利用一个室温环境下台阶圆柱陶瓷管组成的高频陶瓷窗使超导加速腔保持真空状态，该台阶圆柱陶瓷管由沿着功率传输方向直径渐缩的至少两个圆柱陶瓷管组成，直径较小的部分靠近超导加速腔，其中，直径较大的圆柱陶瓷管与高频陶瓷窗的外导体进行钎焊，起到隔离真空、降低焊接难度和调节匹配传输的作用，直径较小的圆柱陶瓷管可以增加陶瓷的强度、保护直径较大的圆柱陶瓷管免受超导加速腔内部电子发射到高频陶瓷窗表面，并能起到调节传输匹配的作用。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种功率输入耦合器。

图1为根据本公开一实施例所示的功率输入耦合器的结构示意图。

参照图1所示，本公开的功率输入耦合器，包括：

功率输入端1，其输入功率；

同轴转换器，与功率输入端1相连，包括：外导体与内导体；

高频陶瓷窗4，与同轴转换器相连接，包括：陶瓷窗17，该陶瓷窗17包含一室温条件下的台阶圆柱陶瓷管，该台阶圆柱陶瓷管由沿着功率传输方向直径渐缩的至少两个圆柱陶瓷管组成；高频陶瓷窗外导体11，设置于陶瓷窗17的外部，与同轴转换器的外导体末端电性连接；第一高频陶瓷窗内导体13，设置于陶瓷窗17的内部，插入同轴转换器的内导体之内；以及第二高频陶瓷窗内导体15，与第一高频陶瓷窗内导体13以及陶瓷窗17相连接，并与同轴转换器的内导体末端电性连接；以及

输出端外导体组件5，与高频陶瓷窗4连接，其输出功率。

下面参照附图，对本实施例的功率输入耦合器的各个部分进行详细介绍。

本实施例中，功率输入端1采用商用N型接头。

图2为根据本公开一实施例所示的同轴转换器的结构示意图。

参照图1和图2所示，同轴转换器与功率输入端1相连，包括：外导体与内导体，如图2中剖线所示的部件，外导体处于外边框上，内导体处于内部。本实施例中，同轴转换器包括两段，分别为：第一段同轴转换器2和第二段同轴转换器3，其中，第一段同轴转换器2的外导体与第二段同轴转换器3的外导体之间通过第二法兰7以螺栓进行连接；第一段同轴转换器2的内导体与第二段同轴转换器3的内导体之间通过插芯8进行连接；在第一段同轴转换器2与第二段同轴转换器3的连接部位包含一同轴陶瓷片14，实现第二段同轴转换器3内部的气体密封。该气体优选高纯氮气或惰性气体，常用的为氩气，在窗体发生破裂时，氩气可以进入超导腔体，有助于减少空气对腔体的污染。该气体是通过充气口25通入到第二段同轴转换器3之内的。其中，同轴陶瓷片14有两个作用：一方面，实现第一段同轴转换器2和第二段同轴转换器3的连接；另一方面，实现第二段同轴转换器内部气体的密封，保证第二段同轴转换器内部存在气体，例如氩气，从而在陶瓷窗破裂时，能够保证氩气可以进入超导腔体从而减少空气对腔体的污染。

优选的，第一段同轴转换器2由成本低、强度大的材料加工而成，比如黄铜；第二段同轴转换器3由导电率良好，加工和焊接性能、耐蚀性能、以及低温性能均良好的材料加工而成，比如无氧铜。

图3为根据本公开一实施例所示的高频陶瓷窗体的结构示意图。图4为根据本公开一实施例所示的陶瓷窗的结构示意图。

参照图3所示，高频陶瓷窗4包括：陶瓷窗17、高频陶瓷窗外导体11、第一高频陶瓷窗内导体13、以及第二高频陶瓷窗内导体15。其中，陶瓷窗17包含一室温条件下的台阶圆柱陶瓷管，该台阶圆柱陶瓷管由沿着功率传输方向直径渐缩的至少两个圆柱陶瓷管组成。本实施例中，以两个圆柱陶瓷管为例进行说明，如图3所示，功率沿着从左至右的方向传输，陶瓷窗17左侧的圆柱陶瓷管具有较大的直径，右侧的圆柱陶瓷管具有较小的直径，图4为该陶瓷窗的结构示意图，两个不同外径的圆柱陶瓷管相连，形成台阶状，从而得到包含台阶圆柱陶瓷管的陶瓷窗17，该陶瓷窗17是在室温条件下可以工作的。

直径较大的圆柱陶瓷管与高频陶瓷窗的外导体进行钎焊，起到隔离真空、降低焊接难度和调节匹配传输的作用，直径较小的圆柱陶瓷管可以增加陶瓷的强度、保护直径较大的圆柱陶瓷管免受超导加速腔内部电子发射到高频陶瓷窗表面，并能起到调节传输匹配的作用。

本实施例中，该圆柱陶瓷管的材料为99.95％的氧化铝陶瓷。

参照图3所示，高频陶瓷窗外导体11，设置于陶瓷窗17的外部，与同轴转换器的外导体末端电性连接，本实施例中，高频陶瓷窗外导体11与第二段同轴转换器外导体末端9电性连接，该电性连接是通过设置于第二段同轴转换器外导体末端9与高频陶瓷窗外导体11之间的第一弹簧圈10实现的。该第一弹簧圈10实现了高频密封的作用，优选的，该第一弹簧圈10的材料可选用弹性较好、强度及疲劳强度较好、无磁性、耐蚀、耐磨的材料，比如：铍铜。

本实施例中，参照图3所示，第一高频陶瓷窗内导体13，设置于陶瓷窗17的内部，插入同轴转换器的内导体之内，本实施例中，该同轴转换器的内导体在图2中对应为第二段同轴转换器3的内导体。

参照图3所示，第二高频陶瓷窗内导体15，与第一高频陶瓷窗内导体13以及陶瓷窗17相连接，并与同轴转换器的内导体末端电性连接。本实施例中，第二高频陶瓷窗内导体15，设置于陶瓷窗17中直径较大的圆柱陶瓷管的左侧，与陶瓷窗17左侧的倒角面进行焊接，与第一高频陶瓷窗内导体13也进行电性连接；同时，还与第二段同轴转换器3的内导体末端电性连接，该电性连接是通过设置于第二段同轴转换器3的内导体与第二高频陶瓷窗内导体15之间的第二弹簧圈16实现的。该第二弹簧圈16实现了高频密封的作用，优选的，该第二弹簧圈16的材料可选用弹性较好、强度及疲劳强度较好、无磁性、耐蚀、耐磨的材料，比如：铍铜。

更进一步的，高频陶瓷窗4还包括：第五法兰24，为真空刀口法兰，设置于高频陶瓷窗外导体11之上，第二段同轴转换器外导体末端9通过螺栓与第五法兰24相连接，并且在第二段同轴转换器外导体末端9与第五法兰24之间设置有第三法兰12，该第三法兰12为定位法兰，实现同轴转换器与高频陶瓷窗装配定位的功能。优选的，第三法兰12选用可以实现定位，并具有良好的导电、导热性的材料，比如黄铜。

另外参照图4所示，在直径较大的圆柱陶瓷管的两端存在倒角，该倒角与轴线的夹角为12°，该倒角面为焊接面。参照图3所示，直径较大的圆柱陶瓷管通过两端的倒角面实现与第二高频陶瓷窗内导体15、以及高频陶瓷窗外导体11的钎焊连接。第二高频陶瓷窗内导体15与第一高频陶瓷窗内导体13相连接，从而构成了完整的高频窗内导体。

参照图3所示，直径较小的圆柱陶瓷管与高频陶瓷窗外导体11、第一高频陶瓷窗内导体13、以及第二高频陶瓷窗内导体15之间均没有连接。

本实施例中，陶瓷窗17的真空侧镀有氮化钛膜，该膜的厚度介于5nm～10nm之间。

参照图1所示，该第一高频陶瓷窗内导体13伸出输出端外导体组件5之外的部分与输出端外导体组件5组成五十欧姆同轴线，该五十欧姆同轴线通过第一法兰6与超导加速腔相连，其中，第一法兰6为真空刀口法兰。

图5为根据本公开一实施例所示的外导体组件的结构示意图。图6为根据本公开一实施例所示的监控窗口的位置示意图。

参照图5所示，输出端外导体组件5包括：输出端外导体，第四法兰18、波纹管22、铜环23、以及第一法兰6，其中，第四法兰18，设置于输出端外导体之上，与第五法兰24通过螺栓相连接，第四法兰18上设置有真空抽气窗口19、打火监控端口20、以及电子流监控端口21；波纹管22与第四法兰相连接，并与低温恒温器相连；铜环23与低温恒温器中的77K液氮冷屏相连，对该功率输入耦合器进行冷却；第一法兰6与超导腔体通过螺栓相连接。

本实施例中，所有监控的数据最终给出连锁保护信号；第四法兰18与第五法兰24通过螺栓相连接，保证超导腔体的真空；波纹管22通过氩弧焊实现与第四法兰18的连接。

本实施例中，输出端外导体的内部有一层8μm的镀铜层，铜环23通过氩弧焊与输出端外导体相连，输出端外导体组件5通过第一法兰6与超导加速腔相连。

本实施例中，参照图6所示，通过根据电磁场的参数进行优化设置，优选的，真空抽气窗口19与打火监控端口20、电子流监控端口21的角度分别为60°和160°。

综上所述，本公开提供了一种功率输入耦合器，通过利用一个室温环境下台阶圆柱陶瓷管组成的高频陶瓷窗使超导加速腔保持真空状态，该台阶圆柱陶瓷管由沿着功率传输方向直径渐缩的至少两个圆柱陶瓷管组成，直径较小的部分靠近超导加速腔，其中，直径较大的圆柱陶瓷管与高频陶瓷窗的外导体进行钎焊，起到隔离真空、降低焊接难度和调节匹配传输的作用，直径较小的圆柱陶瓷管可以增加陶瓷的强度、保护直径较大的圆柱陶瓷管免受超导加速腔内部电子发射到高频陶瓷窗表面，并能起到调节传输匹配的作用。

当然，根据实际需要，本公开的功率输入耦合器还包含其他的部件，由于同本公开的创新之处无关，此处不再赘述。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。