一种复合结构超导谐振加速腔

本发明涉及一种超导腔，特别是关于一种复合结构超导谐振加速腔，属于粒子加速器技术领域。

背景技术

加速器是高能物理及基础模型、生命及材料科学、核物理及放射性核素研究等领域不可缺少的研究手段，在能源、医疗、国防等方面也有着重要的应用价值，其核心部件是超导腔。当前国内外在建、筹建及计划中的加速器前沿领域重大项目都将射频超导技术作为首选方案。目前，超导腔主要采用RRR(剩余电阻率)～300、厚度为3-4mm的高纯铌板制造，应用范畴涵盖了β(相对论速度)从～0.05到1的各种带电粒子。

但是，纯铌超导腔为单层结构，其应用存在着比较严重的问题：受限于铌材较低的导热能力，纯铌超导腔的壁厚为3-4mm，这样的薄壁单层结构机械稳定性和热稳定性较差，容易导致纯铌超导腔因氦压波动、洛伦兹失谐、颤噪等因素而出现频率失谐，也容易导致纯铌超导腔因缺陷、二次电子倍增效应、场致发射效应而出现热失超。

因此，上述问题限制着当前和未来高能量、高流强射频超导加速器的稳定运行及其应用。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种由高导热材料与高超导性能材料构成的复合结构超导谐振加速腔，以解决纯铌超导腔存在的机械稳定性和热稳定性差，无法满足超导加速器稳定运行的难题。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种复合结构超导谐振加速腔，该超导谐振加速腔为TM复合超导腔，所述TM复合超导腔包括：加速单元，为椭球形双层壳体结构，所述加速单元的外层结构为高导热材料，内层结构为高超导性材料，所述加速单元的两侧加工有束流端口，相邻两所述加速单元之间通过束流端口依次串联，位于各所述加速单元最外侧的两束流端口分别形成束流注入口和束流引出口；束流注入管道和束流引出管道，分别与所述加速单元的束流注入口和束流引出口对接；主耦合器，与所述束流引出管道相连，所述主耦合器用于向所述TM复合超导腔内部馈入功率；高阶模耦合器，两个所述高阶模耦合器分别与所述束流注入管道和束流引出管道相连；提取端口，与所述束流引出管道相连。

所述的复合结构超导谐振加速腔，优选地，所述加速单元的外层结构厚度为4-10mm，所述加速单元的内层结构厚度为0.001-4mm。

所述的复合结构超导谐振加速腔，优选地，所述束流注入管道和束流引出管道为由外层高导热材料和内层高超导性能材料组成的复合材料结构；

或者，所述束流注入管道和束流引出管道为高超导性能材料组成的单层结构。

所述的复合结构超导谐振加速腔，优选地，所述主耦合器和高阶模耦合器的位置相差38°。

一种复合结构超导谐振加速腔，该超导谐振加速腔为TEM复合超导腔，所述TEM复合超导腔包括：外腔筒体，形成所述TEM复合超导腔的外导体；内腔筒体，设置在所述外腔筒体的中心线上以形成所述TEM复合超导腔的内导体，且所述内腔筒体与所述外腔筒体之间形成加速环腔；环形短路板，两个所述环形短路板分别连接在所述外腔筒体和内腔筒体之间的所述加速环腔两端以形成短路端；束流管道，两个所述束流管道对称地连接在所述外腔筒体的中间部位的两侧，同时所述内腔筒体的中心位置加工有与两所述束流管道同心且相同内径的束流孔，以使所述外腔筒体与所述内腔筒体在所述束流管道位置形成开路端；功率耦合管和功率提取管，对称地连接在所述外腔筒体的中间部位的另外两侧；其中，所述外腔筒体、内腔筒体和环形短路板均为双层复合结构，即三者的外层结构均为高导热材料，内层结构均为高超导性材料。

所述的复合结构超导谐振加速腔，优选地，所述外腔筒体、内腔筒体环形短路板的内层结构厚度为0.001mm-4mm，所述外腔筒体、内腔筒体和环形短路板的外层结构厚度为4mm-10mm。

所述的复合结构超导谐振加速腔，优选地，在两所述环形短路板上分别设置有至少一个可开闭的清洗管，所述清洗管的一端与外界相连通，所述清洗管的另一端与所述加速环腔相连通。

所述的复合结构超导谐振加速腔，优选地，所述功率耦合管和功率提取管的方位与两所述束流管道距离所述外腔筒体一端的距离相同，但是方位相差90度。

所述的复合结构超导谐振加速腔，优选地，所述束流管道、功率耦合管、功率提取端和清洗管均为单层结构，材料为高超导性材料，厚度为3-4mm。

所述的复合结构超导谐振加速腔，优选地，所述高导热材料是指在4K温度下的热导率高于100W/mK的材料；所述高超导性能材料是指零磁场下超导转变温度高于9K，同时4K温度下过热磁场高于150mT的材料。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1)本发明提供的复合超导腔的内层材料为零磁场下超导转变温度高于9K，同时4K温度下过热磁场(SuperheatingField,Hsh)高于150mT的高超导性能材料，因此本发明复合结构超导腔会具有良好的射频性能；

2)本发明提供的复合超导腔的外层材料为在4K温度下的热导率高于100W/mK的高导热材料，因此可以有效增大外层材料的厚度，一方面可以显著提高复合超导腔的机械稳定性，有效抑制氦压波动、洛伦兹失谐、颤噪等因素等带来的频率失谐，另一方面可以为复合超导腔内表面功率损耗产生的热量提供良好的横向传递通道，有效减缓复合超导腔因缺陷、二次电子倍增效应、场致发射效应而出现热失超，显著提高复合超导腔运行的热稳定性；

3)本发明提供的复合超导腔内部空间的电磁波只分布在超导材料表层约三个穿透深度范围内，因此本发明的复合超导腔结构可以降低内层材料的厚度，有效减小复合超导腔的制造成本；

4)本发明提供的复合超导腔能够为高流强超导加速器的长时间高稳定运行提供稳定性保障。

综上，本发明从现有的技术出发，超导腔采用高导热材料与高超导性能材料的复合结构，可以在保证超导腔良好射频性能的前提下，显著提升超导腔的机械稳定性和热稳定性，达到超导加速器高稳定运行的目的。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的横磁波型复合超导腔的结构示意图；

图2为图1的剖视示意图；

图3为该实施例提供的横磁波型复合超导腔的局部结构视图；

图4为本发明实施例二提供的同轴线横电磁波型复合超导腔的主视图；

图5为图4的剖视示意图；

图6为该实施例提供的同轴线横电磁波型复合超导腔的俯视图；

图7为图6的剖视示意图；

图8为该实施例提供的同轴线横电磁波型复合超导腔的局部结构视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，使用术语“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对上述零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一：

如图1至图3所示，本实施例提供了一种工作频率为1.3GHz的横磁波型复合结构超导谐振加速腔(简称TM复合超导腔)，该TM复合超导腔100包括：加速单元101，为椭球形双层壳体结构，加速单元101的外层结构为高导热材料A，内层结构为高超导性材料B，加速单元101的两侧加工有束流端口，相邻两加速单元101之间通过束流端口依次串联(加速单元的数量根据设计需求而定，一般为1-9个)，位于各加速单元101最外侧的两束流端口分别形成束流注入口和束流引出口，加速单元101用于利用其内部的电磁场加速带电粒子；束流注入管道102和束流引出管道103，分别与加速单元101的束流注入口和束流引出口对接；主耦合器104，与束流引出管道103相连，主耦合器104用于向TM复合超导腔100内部馈入功率；高阶模耦合器105，两个高阶模耦合器105分别与束流注入管道102和束流引出管道103相连，高阶模耦合器105用于显著衰减高阶模，增加被加速粒子束流的稳定性；提取端口106，与束流引出管道102相连，提取端口106用于提取TM复合超导腔100内功率，监测腔内电磁场的信息。

上述实施例中，优选地，加速单元101的外层结构厚度为4-10mm，加速单元101的内层结构厚度为0.001-4mm。

上述实施例中，优选地，高导热材料是指在4K温度下的热导率高于100W/mK的材料，例如无氧铜或高纯铝等；高超导性能材料是指零磁场下超导转变温度高于9K，同时4K温度下过热磁场(SuperheatingField，Hsh)高于150mT的材料，例如比如金属铌、Nb3Sn、MgB2或NbN等。

上述实施例中，优选地，束流注入管道102和束流引出管道103为由外层高导热材料和内层高超导性能材料组成的复合材料结构；或者，束流注入管道102和束流引出管道103为高超导性能材料组成的单层结构。

上述实施例中，优选地，主耦合器104和高阶模耦合器105的位置相差38°。

上述实施例中，优选地，束流注入管道102和束流引出管道103的内径大小与加速单元101的束流孔径大小相同。

本实施例提供的TM复合超导腔100在工作时，高频功率经主耦合器104馈入TM复合超导腔100内，在此TM复合超导腔100内激起横磁波模式(TM)电磁场，与此同时带电粒子从束流注入管道102进入TM复合超导腔100，各个加速单元101内的TM电磁场加速带电粒子，使带电粒子能量增大，然后从束流引出管道103离开TM复合超导腔100。

实施例二：

如图4至图8所示，本实施例提供了一种工作频率为162.5MHz的同轴线横电磁波型复合超导谐振加速腔(简称TEM复合超导腔)，该TEM复合超导腔200包括：外腔筒体201，形成TEM复合超导腔200的外导体；内腔筒体202，设置在外腔筒体202的中心线上以形成TEM复合超导腔200的内导体，且内腔筒体202与外腔筒体201之间形成加速环腔203；环形短路板204，两个环形短路板204分别连接在外腔筒体201和内腔筒体202之间的加速环腔203两端以形成短路端；束流管道205，两个束流管道205对称地连接在外腔筒体201的中间部位的两侧，同时内腔筒体202的中心位置加工有与两束流管道205同心且相同内径的束流孔，以使外腔筒体201与内腔筒体202在束流管道205位置形成开路端；功率耦合管206和功率提取管207，对称地连接在外腔筒体201的中间部位的另外两侧，功率耦合管206用于与耦合器对接以向TEM复合超导腔200内部馈入功率，功率提取管207用于提取TEM复合超导腔200内部功率，监测腔内电磁场的信息。

其中，外腔筒体201、内腔筒体202和环形短路板204均为双层复合结构，即三者的外层结构均为高导热材料A，内层结构均为高超导性材料B。

上述实施例中，优选地，外腔筒体201、内腔筒体202和环形短路板204的内层结构厚度为0.001mm-4mm，优选为1mm；外腔筒体201、内腔筒体202和环形短路板204的外层结构厚度为4mm-10mm，优选为8mm。

上述实施例中，优选地，在两环形短路板204上分别设置有至少一个可开闭的清洗管208，清洗管208的一端与外界相连通，清洗管208的另一端与加速环腔203相连通，由此可以通过清洗管208清洗TEM复合超导腔200内表面。

上述实施例中，优选地，功率耦合管206和功率提取管207的方位与两束流管道205距离外腔筒体201一端的距离相同，但是方位相差90度。

上述实施例中，优选地，束流管道205、功率耦合管206、功率提取端207和清洗管208均为单层结构，材料为高超导性材料B，厚度为3-4mm，优选为3mm。

上述实施例中，优选地，高导热材料是指在4K温度下的热导率高于100W/mK的材料，例如无氧铜或高纯铝等；高超导性能材料是指零磁场下超导转变温度高于9K，同时4K温度下过热磁场(SuperheatingField，Hsh)高于150mT的材料，例如比如金属铌、Nb3Sn、MgB2或NbN等。

本实施例提供的TEM复合超导腔200在工作时，高频功率经功率耦合管206馈入TEM复合超导腔200内，在此TEM复合超导腔200内激起同轴线横电磁波模式(TEM)电磁场，与此同时带电粒子从一束流管道205进入TEM复合超导腔200，外腔筒体201和内腔筒体202之间的加速环腔203内TEM电磁场加速带电粒子，使带电粒子能量增大，然后从另一束流管道205离开TEM复合超导腔200。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。