半波长超导加速腔的制作方法
【专利摘要】本发明属于粒子加速器【技术领域】，涉及一种半波长超导腔，一种半波长超导加速腔，包括有外腔筒体，所述的外腔筒体的两端为圆柱形筒体，外腔筒体的中部横剖面为由两条直线连接两个半圆的跑道形筒体，跑道形筒体通过平缓过渡筒体连接两端的圆柱形筒体；在跑道形筒体的两侧分别穿设有束流管，两连通的束流管位于腔筒外侧的一端分别连接束流管法兰；在跑道形筒体的两侧还穿设有功率耦合管，两耦合管位于腔筒外侧的一端分别连接功率耦合法兰；在外腔筒体内的中心线上设置有芯棒；外腔筒体与芯棒经上、下两个圆环形短路板连接。本发明结构紧凑，占束流方向距离短，特别适合于加速10MeV以下低能量质子和重离子。
【专利说明】半波长超导加速腔
【技术领域】
[0001]本发明属于粒子加速器【技术领域】，特别涉及一种射频超导加速腔。
【背景技术】
[0002]环境与能源是人类赖以生存和发展的基础。随着我国经济社会持续快速增长，能源消费与需求日益增长。全球石化能源消费增加直接导致温室气体排放增加，可能是引起全球气候变化的因素之一，正在威胁人类生存与经济社会发展。发展清洁能源成为了全球能源发展的优先选择。加速器驱动的核废料嬗变系统ADS (Accelerator-Driven System)是实现清洁能源的一种有效途径，强流兆瓦级高功率质子加速器是ADS系统中最关键的系统之一 O
[0003]由于常温加速器热损耗大、功率利用效率低，无法实现强流的目标，而超导直线加速器具有高能量、高流强、高稳定性、大接受度和低功耗等特点，ADS系统的强流质子加速器需要采用射频超导加速技术。由于质子加速时，加速粒子的β值(粒子的速度与光速的比值)随着加速过程变化，因此在整个超导质子加速器中需要采用多种超导腔型，满足加速各种β值质子的需求，实现整个加速器建造的最优化。椭球超导腔型和轮辐式超导加速腔型(Spoke超导腔)是两种成熟的超导腔型,椭球超导腔型适合加速高β值的质子，Spoke超导腔适合加速中β值的质子，半波长超导腔适合加速低β值的质子。
[0004]目前国际上主要存在两种类型的半波长超导腔圆柱形(整个外腔筒为圆柱形筒)和挤压形(外腔筒中间区域为跑道形筒，挤压形半波长超导腔占束流方向距离短，具有更高的有效加速梯度(超导腔的有效加速电压比腔体的实际长度)。挤压形半波长超导腔的一个缺点是，外腔筒中间区域强度低，受氦压波动形变较大，导致腔体谐振频率不稳定，加速器难以稳定运行，目前国际上制作出该类型的半波长超导腔，谐振频率随氦压波动变化为60Hz/mbar ;挤压形半波长超导腔的另一个缺点是间隙狭小，高纯高压水很难冲洗到整个腔体的内表面，容易引起场致发射，目前国际上制作出该类型的半波长超导腔，测试的最好结果为峰值电场为42MV/m，对应的品质因数QO为2X 108。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于为避免现有技术的不足，提供一种半波长超导加速腔。适合于加速低β值质子的半波长超导加速腔。
[0006]为实现上述目的，本发明采取的技术方案为:一种半波长超导加速腔，其主要特点在于:包括有外腔筒体、芯棒、短路板，所述的外腔筒体的两端为圆柱形筒体，外腔筒体的中部横剖面为由两条直线连接两个半圆的跑道形筒体，跑道形筒体通过平缓过渡筒体连接两端的圆柱形筒体；在跑道形筒体的两侧分别穿设有束流管，两连通的束流管位于腔筒外侧的一端分别连接束流管法兰；在跑道形筒体的两侧还穿设有功率耦合管，两耦合管位于腔筒外侧的一端分别连接功率耦合法兰；在外腔筒体内的中心线上设置有芯棒，芯棒为薄壁腔，其中部呈跑道形，两端呈对称的圆柱形，跑道形芯棒腔与圆柱形芯棒腔之间由平缓过渡芯棒腔连接，在跑道形芯棒腔穿设中心束管，中心束管与外腔筒体束流管位于同一轴线上；外腔筒体与芯棒经上、下两个圆环形短路板连接。
[0007]所述的半波长超导加速腔，所述的上短路板和下短路板分别设有清洗管，所述清洗管的外侧分别连接有与外接装置连接的清洁管法兰，上短路板的两清洗管连线与下短路板的两清洗管连线的夹角Y在40°到90°之间；上短路板的两清洗管连线与耦合管连线夹角α在20°到45°之间；下短路板的两清洗管连线与耦合管连线夹角β在20°到45°之间。
[0008]所述的半波长超导加速腔，为了克服外腔筒中间区域强度低，受氦压波动形变较大的缺点，通过机械仿真软件ANSYS分析，找到受氦压波动形变量最大区域在外腔筒体中部的平缓过渡面上，为了增加该区域的强度，在外腔筒体中部的平缓过渡面上均设有网格状加强筋，将外腔筒体中部的平缓过渡面与束流管连接起来，加强筋厚度为3-6mm，加强筋的高度为5-10mm ;在芯棒中间的平缓过渡面上均设有半环形芯棒加强筋，芯棒加强筋厚度为3-6mm,芯棒加强筋高度为5_20mm。
[0009]本发明的有益效果是:1)本发明在上短路板和下短路板各设置两个清洗管，高纯高压水喷头从上下短路板的四个清洗管进去，可以清洗到整个腔体内表面，抑制了腔体运行时的场致发射和二次电子倍增现象，提高了超导腔加速效率和运行稳定性，其表征是超导腔的品质因数QO和加速梯度Ecc，提高了该类型超导腔的品质因数Q0，降低了超导腔运行时的高频热损耗；2)本发明在外腔体的四个平缓过渡面设有网格状加强筋，在芯棒的四个平缓过渡面上设有半环形加强筋，增大了外腔筒中间区域和芯棒中间区域的刚度，降低了氦压波动引起的腔筒形变量，稳定了腔体的谐振频率，超导腔谐振频率随氦压波动的变化(df/dp)获得明显降低。本发明结构紧凑，占束流方向距离短，特别适合于加速IOMeV以下低能量质子和重离子。
[0010]本发明在4K温度下测试结果，峰值电场达到42MV/m，低场区品质因数达到3X 109，高场区品质因数达到5X 108，低场区品质因数是国际上该类型超导腔最好测试结果的1.5倍，高场区品质因数是最好测试结果的2.5倍。该发明超导腔谐振频率随氦压波动的变化(df/dp)为-4.2Hz/mbar,为目前国际上改类型超导腔测试的df/dp的1/12，极大的提高超导腔运行的稳定性。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1半波长超导腔的结构示意图；
[0012]图2半波长超导腔的结构主视示意图；
[0013]图3为图2半波长超导腔的A-A剖视示意图；
[0014]图4为图2半波长超导腔的俯视示意图；
[0015]图5为图3半波长超导腔的B-B剖视示意图；
[0016]图6本发明的半波长超导腔4K温度下测试的性能曲线；
[0017]图7本发明的半波长超导腔谐振频率随压强波动变化曲线。
【具体实施方式】
[0018]以下结合附图所示之最佳实例作进一步详述:[0019]实施例1:见图1，图2，图3，图4，图5，一种半波长超导加速腔，包括有外腔筒体、芯棒、短路板，所述的外腔筒体的两端为圆柱形筒体1，外腔筒体的中部横剖面为由两条直线连接两个半圆的跑道形筒体2，跑道形筒体2通过平缓过渡筒体3与两端的圆柱形筒体I连接；在跑道形筒体2的两侧分别设有外腔筒体束流管8，25，两连通束流管位于腔筒外侧的一端分别连接束流管法兰9，26 ;在跑道形筒体2的两侧还穿设有功率耦合管10，23，两耦合管位于腔筒外侧的一端分别连接功率耦合法兰11，24 ;外腔筒体内在其中心线上设置有芯棒12，芯棒12为薄壁腔，其中部呈跑道形，两端呈对称的圆柱形，跑道形芯棒腔13与圆柱形芯棒腔14之间采用平缓过渡芯棒腔，在跑道形芯棒腔13穿设中心束管15，中心束管15与外腔筒体束流管8，25位于同一轴线上；外腔筒体与芯棒13经上、下两个圆环形短路板17，18连接。
[0020]所述的上短路板18和下短路板17分别设有清洗管5，19，所述清洗管5，19的外侧分别连接有与外接装置连接的清洁管法兰6，20，上短路板18的两清洗管5连线与下短路板17的两清洗管19连线的夹角Y在60° ;上短路板18的两清洗管5连线与耦合管连线夹角α在30° ;下短路板17的两清洗管19连线与耦合管连线夹角β在30°。
[0021]在外腔筒体中部的平缓过渡面上均设有网格状加强筋7，加强筋7厚度为3mm，力口强筋7的高度为8_ ;在芯棒中间的平缓过渡面上均设有半环形芯棒加强筋21，22，芯棒加强筋21，22厚度为3mm，芯棒加强筋高度为7mm。
[0022]将本实施例超导腔安装到垂直测试杜瓦中，进行液氦温度下的测试，测试温度为4K，测试峰值电场达到42MV/m，低场区品质因数达到3X109，高场区品质因数达到5X108，测试结果如图6所示；测试的超导腔谐振频率随氦压波动的变化(df/dp)为-4.2Hz/mbar,测试结果如图7所示。
[0023]实施例2:见图1，图2，图3，图4，图5，一种半波长超导加速腔，
[0024]所述的上短路板18和下短路板17分别设有清洗管5，19，所述清洗管5，19的外侧分别连接有与外接装置连接的清洁管法兰6，20，上短路板18的两清洗管5连线与下短路板17的两清洗管19连线的夹角Y在40° ;上短路板18的两清洗管5连线与耦合管连线夹角α在20° ;下短路板17的两清洗管19连线与耦合管连线夹角β在20°。
[0025]在外腔筒体中部的平缓过渡面上均设有网格状加强筋7，加强筋7厚度为4mm，力口强筋7的高度为5_ ;在芯棒中间的平缓过渡面上均设有半环形芯棒加强筋21，22，芯棒加强筋21，22厚度为3mm，芯棒加强筋高度为5mm。
[0026]其余结构与实施例1相同。
[0027]实施例3:见图1，图2，图3，图4，图5，一种半波长超导加速腔，
[0028]所述的上短路板18和下短路板17分别设有清洗管5，19，所述清洗管5，19的外侧分别连接有与外接装置连接的清洁管法兰6，20，上短路板18的两清洗管5连线与下短路板17的两清洗管19连线的夹角Y在90° ;上短路板18的两清洗管5连线与耦合管连线夹角α在45° ;下短路板17的两清洗管19连线与耦合管连线夹角β在45°。
[0029]在外腔筒体中部的平缓过渡面上均设有网格状加强筋7，加强筋7厚度为5mm，力口强筋7的高度为IOmm ;在芯棒中间的平缓过渡面上均设有半环形芯棒加强筋21，22，芯棒加强筋21，22厚度为6mm，芯棒加强筋高度为20mm。
[0030]其余结构与实施例1相同。[0031 ] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种半波长超导加速腔，其特征在于:包括有外腔筒体、芯棒、短路板，所述的外腔筒体的两端为圆柱形筒体，外腔筒体的中部横剖面为由两条直线连接两个半圆的跑道形筒体，跑道形筒体通过平缓过渡筒体连接两端的圆柱形筒体；在跑道形筒体的两侧分别穿设有束流管，两连通的束流管位于腔筒外侧的一端分别连接束流管法兰；在跑道形筒体的两侧还穿设有功率耦合管，两耦合管位于腔筒外侧的一端分别连接功率耦合法兰；在外腔筒体内的中心线上设置有芯棒，芯棒为薄壁腔，其中部呈跑道形，两端呈对称的圆柱形，跑道形芯棒腔与圆柱形芯棒腔之间由平缓过渡芯棒腔连接，在跑道形芯棒腔穿设中心束管，中心束管与外腔筒体束流管位于同一轴线上；外腔筒体与芯棒经上、下两个圆环形短路板连接。
2.如权利要求1所述的半波长超导加速腔，其特征在于:所述的上短路板和下短路板分别设有清洗管，所述清洗管的外侧分别连接有与外接装置连接的清洁管法兰，上短路板的两清洗管连线与下短路板的两清洗管连线的夹角Y在40°到90°之间；上短路板的两清洗管连线与耦合管连线夹角α在20°到45°之间；下短路板的两清洗管连线与耦合管连线夹角β在20°到45°之间。
3.如权利要求1或2所述的半波长超导加速腔，其特征在于:在所述的外腔筒体中部的平缓过渡面上设有加强筋，将外腔筒体中部的平缓过渡面与束流管连接。
4.如权利要求3所述的半波长超导加速腔，其特征在于:所述的外腔筒体中部的平缓过渡面上的加强筋为网格状，加强筋厚度为3-6mm，加强筋的高度为5-10mm;在芯棒中间的平缓过渡面上均设有半环形芯棒加强筋，芯棒加强筋厚度为3-6_，芯棒加强筋高度为5-20mmo
【文档编号】H05H7/20GK103716978SQ201410016419
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2014年1月14日 优先权日:2014年1月14日
【发明者】何源, 岳伟明, 何守波, 张生虎 申请人:中国科学院近代物理研究所