专利名称：高真空高功率射频耦合器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种高真空高功率射频耦合器，属于粒子加速器微波、高频技术领域。
背景技术：
射频耦合器是将射频功率从高频发射机馈送到电磁谐振腔体内的装置。对于电磁谐振腔，如射频加速器、聚束器等，如何将高频发射机产生的功率馈送进去，一直是一个比较关键的问题。在离子加速器领域，功率耦合一般采用磁耦合和电耦合两种方式。磁耦合通过放置在强磁场区的耦合环实现，而电耦合通过放置在强电场区的电容装置实现。在几十至几百MHz的频率范围内，对于某些加速腔体，如射频四极场加速器(RFQ)，考虑到几何尺寸，以及狭窄的强电场区等因素，往往只能采用磁耦合的方式进行功率的馈送。而现有的磁耦合器结构较为复杂，使用不便，不易调节。
实用新型内容本实用新型的目的在于克服了现有磁耦合装置的上述缺陷，提出了一种高真空高功率射频耦合器，该耦合器将射频功率从高频机馈送到电磁谐振腔体内，尤其是离子加速器与聚束器内，同时设计水冷系统保证耦合环无热形变，设计真空系统保证电磁谐振腔体
内的高真空。为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案。本实用新型包括同轴安装的内环和外环，高频机与内环和外环的下端相连接，其特征在于，还包括与内环上端相连接的内导体、与外环上端相连接的接管、布置在内环和外环之间的对内导体起支撑作用的绝缘环、以及磁耦合环，所述外环和接管之间通过连接在外环端部的外导体法兰和连接在接管端部的活动法兰相连接，所述磁耦合环采用U型管结构，设置在内导体内并与内导体固定，磁耦合环U型管的两端从内导体的上部延伸出并分别与外导体法兰上的冷却水通道入水口和出水口相连通。所述绝缘环与内导体、绝缘环与外导体法兰、以及外导体法兰与接管之间均密封，所述密封方式为采用橡胶圈或陶瓷管。相对于现有技术而言，该耦合器的设计为磁耦合方式的实现方法提供了重要参考，具有结构简单、使用方便、工作稳定等优点。可以广泛应用到几十至几百MHz的电磁谐振腔体的功率馈送，尤其是离子加速器如射频四极场加速器，其馈送功率可达百kW，且可以保证腔体内真空高达10_5Pa。1)由于耦合环采用了高电导率的纯铜材料，其在高频下电阻小、功耗低，由于外导体法兰3和活动法兰4可以带动除了接管6之外的各个部件连续转动，所以插入某谐振腔体的耦合环相对于该谐振腔体的方向是连续可调的。由于耦合环大小以及在谐振腔内的位置与方向连续可调，即耦合环自身电感以及与腔的互感、寄生电容等参数可在较大范围调节，故该耦合器可应用于几十至几百MHz的频率。2)由于采用了充分的橡胶圈密封和聚四氟乙烯绝缘环，或者在更高的要求下采用陶瓷管绝缘以及密封焊接，所以该磁耦合器可以实现10-5 的高真空。3)由于采用了双管耦合环结构并安排了循环水路，所以该磁耦合器可以工作在高功率状态，其馈送功率可达百kW。
图1为高真空高功率射频耦合器；图中1、磁耦合环，2、内导体，3、外导体法兰，4、活动法兰，5、绝缘环，6、接管，7、内环，8、外环。
具体实施方式
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步详细的说明。实施例本实施例中的射频耦合器属于磁耦合方式，其结构如图1所示，主要包括磁耦合环1、内导体2、外导体法兰3、活动法兰4、绝缘环5、接管6、内环7和外环8。内环7和外环8同轴安装，高频发射机与内环7和外环8的下端相连接。内环7的上端与内导体2相连接，外环8的上端与接管6相连接，在内环7和外环8之间布置有对内导体2起支撑作用的绝缘环5。外环8和接管6之间通过连接在外环8上端部的外导体法兰3和连接在接管 6下端部的活动法兰4相连接，本实施例中的外导体法兰3与活动法兰4通过螺丝连接。磁耦合环1采用U型管结构(双管并列结构)，如图1所示，磁耦合环1设置在内导体2内并与内导体2固定，磁耦合环U型管的两端从内导体2的上部延伸出并分别与外导体法兰3 上的冷却水通道入水口和出水口相连通。磁耦合环1作为初级线圈，磁耦合环1插入的电磁谐振腔体作为次级线圈，通过两者互感耦合完成功率的传递。耦合度可以通过调整磁耦合环1的位置、大小以及方向来调节，其中位置和大小根据腔体内相应磁场强度和工作频率来确定，一般为粗调。当磁耦合环 1通过法兰装配到腔体后，可以通过旋转活动法兰4改变磁耦合环1的方向，完成耦合度的细调，具体细调方法为松动用于连接外导体法兰3与活动法兰4的螺丝，外导体法兰3和活动法兰4能够带动除接管6的整个部件旋转，进而带动整个磁耦合环1旋转，完成对磁耦合环1的细调。内导体2与外导体法兰3之间为聚四氟乙烯绝缘环5，其内侧为高真空，外侧为大气。绝缘环5与内导体2、绝缘环5与外导体法兰3之间均为橡胶圈密封，同时外导体法兰 3与接管6之间也采用橡胶圈密封。对于真空度要求更高的情况，可以用陶瓷管代替聚四氟乙烯绝缘环，并进行真空密封焊接。本实施例中水冷回路的设计如图1所示，冷却水由外导体法兰3进入磁耦合环1 的一支铜管，在内导体2循环后经另一铜管到达外导体法兰3出水口流出。内环7和外环 8分别与高频机功率馈管的内芯和外导体连接。真空系统和水冷系统保证耦合器可以工作在高真空(10’a)、高功率状态，耦合器的工作频率可以是几十至几百MHz，平均馈送功率可达几十乃至上百kW。本实施例中磁耦合环1的位置、大小可以灵活选择以适应不同射频特性的电磁谐振腔体，且采用双管并列结构。磁耦合环1的方向可以通过活动法兰4带动外导体法兰3 一起旋转，调节方便。通过绝缘环5与内导体2、绝缘环5与外导体法兰3以及外导体法兰 3与接管6之间的真空密封橡胶圈实现高真空。外导体法兰3、磁耦合环1以及内导体2共同构成的水冷回路，保证耦合器可以在高功率状态下运行。本实施例将磁耦合环、水冷系统和真空系统等有机地结合起来，且具有结构简单、 调节方便、运行稳定等特点。耦合环的作用是直接实现磁场的互感即电磁能的传递，水冷系统与真空系统保证耦合器可以在高功率、高真空状态下工作。以上对本实用新型所提供的一种高真空高功率射频耦合器进行详细介绍，本文中应用了具体实施例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。
权利要求1.一种高真空高功率射频耦合器，包括同轴安装的内环和外环，高频机与内环和外环的下端相连接，其特征在于，还包括与内环上端相连接的内导体、与外环上端相连接的接管、布置在内环和外环之间的对内导体起支撑作用的绝缘环、以及磁耦合环，所述外环和接管之间通过连接在外环端部的外导体法兰和连接在接管端部的活动法兰相连接，所述磁耦合环采用U型管结构，设置在内导体内并与内导体固定，磁耦合环U型管的两端从内导体的上部延伸出并分别与外导体法兰上的冷却水通道入水口和出水口相连通。
2.根据权利要求2所述的一种高真空高功率射频耦合器，其特征在于，所述绝缘环与内导体、绝缘环与外导体法兰、以及外导体法兰与接管之间均密封。
3.根据权利要求3所述的一种高真空高功率射频耦合器，其特征在于，所述密封方式为采用橡胶圈或陶瓷管。
专利摘要本实用新型是一种高真空高功率射频耦合器，属于粒子加速器微波、高频技术领域。本实用新型包括内环和外环、与内环上端相连接的内导体、与外环上端相连接的接管、布置在内环和外环之间的对内导体起支撑作用的绝缘环、以及磁耦合环。外环和接管之间通过连接在外环端部的外导体法兰和连接在接管端部的活动法兰相连接，磁耦合环采用U型管结构，设置在内导体内并与内导体固定，U型管的两端从内导体的上部延伸出并分别与外导体法兰上的冷却水通道入水口和出水口相连通。本实用新型具有结构简单、使用方便、工作稳定等优点，可以应用到几十至几百MHz的电磁谐振腔体的功率馈送，其馈送功率可达百kW，且可以保证腔体内真空高达10-5Pa。
文档编号H05H7/02GK202026520SQ20112014835
公开日2011年11月2日 申请日期2011年5月11日 优先权日2011年5月11日
发明者聂元存, 郭之虞, 陆元荣, 陈佳洱, 颜学庆, 高淑丽 申请人:北京大学