一种超导腔垂直测试插入件的制作方法

本实用新型涉及一种超导腔垂直测试插入件，属于粒子加速器、超导低温技术领域。

背景技术：

超导腔垂直测试插入件是超导腔垂直测试系统的重要组成部分，是一套由多种材料构成的支撑和吊装系统。其工作在2K(或4K)低温、高真空、辐射的恶劣环境中，主要作用是吊装超导腔，密封测试杜瓦真空，并作为多层隔热板、真空泵、射频电缆，以及压力计、温度传感器等超导腔测试附属设备的安装载体。

为了更深入的探索研究物质的深层次结构，揭示自然界的奥秘和规律，并推动基础研究在技术领域的应用，超导加速器成为科学家们关注的焦点。超导加速器能够在很短的距离内将粒子加速到较高的能量，可以让这些高能粒子对撞进行高能物理研究，也可以利用粒子发出的射线进行生命物质、材料结构的分析研究。因此国内外多个大型的超导加速器项目也应运而生。大型的超导加速器工程需要的超导腔数量很大，如美国正在建造的直线加速器相干光源项目需要300多只超导腔，多个国家计划联合建造的未来国际直线对撞机需要16000只超导腔，将要建造的上海自由电子激光装置需要700多只超导腔。

每只超导腔必须要安装到垂直测试插入件上，通过垂直测试系统对超导腔的RF性能和部分机械性能进行测试，并且达到设计要求后，才能够进行总装。由于超导腔的制造工艺复杂，目前尚有很多问题正在研究中，因此一只超导腔甚至会经过多次处理和测试。为了提高超导腔的垂直测试效率，压缩测试周期，并且保证测试设备的安全需要有一套高效率，多功能的垂直测试插入件系统。

目前国内外通用的超导腔垂直测试插入件系统结构及工作原理示意图如图1所示，通用超导腔垂直测试插入件系统主要由垂直测试顶法兰和垂直测试吊架两部分组成。垂直测试顶法兰上装有真空泵、真空管道以及其它传感器装置。垂直测试吊架主要由多层隔热板、托板、吊板、吊杆，以及超导腔固定夹板等构成。测试的超导腔如图1所示安装到测试吊架上，并与真空管道以及其它传感测量装置连接，然后将垂直测试插入件系统整体吊入大的测试杜瓦内，抽真空进行降温测试。垂直测试顶法兰还起到密封测试杜瓦真空的作用。

此方案存在以下缺点和不足：

(1)对于超导腔的性能测试需要的液氦量大，降温和复温需要的时间周期长。由于此种测试需要将液氦注入大杜瓦内对超导腔进行降温测试，需要保证杜瓦内液氦面浸没超导腔，并保证一定高度才能进行测试，此种注液方式需要冷却的设备多(杜瓦内筒、超导腔、工装吊架等)，导致测试需要的液氦成本增加，测试周期也比较长；

(2)每次只能对一只超导腔进行降温测试，测试效率低，不利于超导腔的规模化生产测试。此垂直测试插入件只有一个真空管道，在测试周期不变的情况下，每次只能连接一只超导腔进行降温测试，测试效率低；

(3)对于垂直测试顶法兰上设备的辐射安全保护不足。超导腔垂直测试过程中会产生X 射线，由于垂直测试顶法兰上装有真空泵，以及其它测试电子装置，在没有防护的情况下，极易造成设备的损坏。

以上三点在一定程度上影响了超导腔的规模生产测试，测试成本高，效率低，并且存在一定的设备安全隐患，不利于超导加速器的大规模发展和应用。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型的目的在于提供一种超导腔垂直测试插入件，降低了测试成本高，提高了测试效率。

本实用新型的技术方案为：

一种超导腔垂直测试插入件，包括垂直测试吊架，真空系统和垂直测试顶法兰，其特征在于，还包括一液氦缓冲槽和N个液氦槽，每一所述液氦槽与一超导腔对应，用于容纳待测试的超导腔及冷却该超导腔所需液氦；其中，各所述液氦槽分别与该垂直测试吊架的夹板连接固定；该液氦缓冲槽位于该垂直测试吊架的吊板与该夹板之间，通过该垂直测试吊架的吊杆连接固定；该液氦缓冲槽的注液管与该垂直测试顶法兰连接，该液氦缓冲槽设有N条液氦传输线，每一所述液氦传输线与一所述液氦槽相连，用于该液氦缓冲槽与所述液氦槽之间的液氦传输；该真空系统设有N条真空管道，每一所述真空管道用于连接一待测试的超导腔， N为自然数。

进一步的，该真空系统包括一真空泵和一N+1通转接管，所述真空泵安装在该垂直测试顶法兰外侧，所述真空泵通过该N+1通转接管与所述N条真空管道连接，每一真空管道上设有两个真空阀，其中一个真空阀位于该垂直测试顶法兰的外侧，另一真空阀位于该垂直测试顶法兰的内侧。

进一步的，还包括一辐射屏蔽板；所述辐射屏蔽板安装在该垂直测试吊架的吊板上方。

进一步的，所述辐射屏蔽板为圆形结构，所述辐射屏蔽板设有N个用于所述真空管道穿过的大孔和多个用于电缆线路穿过的小孔。

本实用新型的主要创新点包括：

(1)增加液氦缓冲槽：在垂直测试插入件中增加液氦缓冲槽，并将液氦缓冲槽与超导腔的液氦槽通过低温管线相连，当对超导腔进行注液降温测试时，只需要向液氦缓冲槽内注液即可，不需要向大杜瓦内注液氦。由于液氦缓冲槽与超导腔的液氦槽通过液氦传输线相连，液氦会通过低温传输线流入超导腔液氦槽内，将超导腔浸没，此时大杜瓦只需保持真空状态即可。液氦的作用主要是为超导腔提供低温测试环境，当超导腔液氦槽内充满液氦的情况下，超导腔的物理特性已经满足测试要求，并且在测试过程中液氦缓冲槽内的液氦会从外界得到补充，始终保证超导腔液氦槽内充满液体，并且液氦缓冲槽内的液氦面维持在一定高度。此种方式能够满足超导腔垂直测试的要求。由于液氦缓冲槽和超导腔液氦槽的体积和要远小于杜瓦的体积，并且需要冷却的设备体积和质量也相应减少。因此节省了测试液氦的用量，降低了测试的成本，并缩短了降温注液和超导腔的复温周期，提高了测试效率。

(2)采用四路真空管道，并共用一个真空泵：真空泵安装在超导腔垂直测试顶法兰中心，并通过一个五通将泵真空口与四个真空管道连接，四个真空管道共用一个真空泵，每个真空管道有单独的阀门。每个真空管道可以与一个超导腔真空阀相连，这样一次可以安装4只超导腔，并对其进行降温测试，极大的提高了测试的效率，降低了每只超导腔的测试成本，便于超导腔的大规模批量测试。

(3)在垂直测试吊架上增加辐射屏蔽板：测试过程中产生的X射线会被增加的辐射屏蔽板阻挡，降低垂直测试顶法兰处的辐射剂量，有利于真空泵系统，以及其它电子监测装置的设备安全。

如图2所示为本申请的超导腔垂直测试插入件的设计方案示意图，本方案设计的超导腔垂直测试插入件系统主要由垂直测试顶法兰、真空系统、垂直测试吊架、液氦缓冲槽，以及辐射屏蔽等多个部分组成。一次能够满足多只带液氦槽超导腔的垂直测试，能够提高测试效率，节省测试成本，并且辐射防护装置的添加，提高了设备的安全性。

①液氦缓冲槽：

如图3所示为液氦缓冲槽的结构和安装示意图。液氦缓冲槽通过吊杆与吊板连接，液氦缓冲槽注液管的上部与顶法兰进行焊接，液氦缓冲槽的下部安装四根液氦传输线，液氦传输线用来与超导腔的液氦槽相连。外部液氦通过注液管的端口注入液氦缓冲槽内，并通过液氦传输线向每只超导腔的液氦槽注液(测试时，每一超导腔位于一液氦槽中)。该液氦缓冲槽位于该垂直测试吊架的吊板与该夹板之间，通过该垂直测试吊架的吊杆连接固定，该夹板与该液氦缓冲槽下端的吊杆固定连接，每只超导腔再分别与固定夹板连接。液氦缓冲槽与外部杜瓦相比空间体积小，注液容器需要的液氦量小。

②真空系统：

如图4所示为垂直测试插入件真空系统的结构示意图。真空泵和五通安装在顶法兰的顶部。五通与四根真空管道连接，真空管道通过法兰密封接口与顶法兰连接，每个真空管道上有两个真空阀，一个在顶法兰外侧，一个在顶法兰内侧。真空管道的下端部与超导腔的真空角阀相连接。当真空泵启动后，打开真空管道的两道真空阀门，进行气体置换，然后打开超导腔上的角阀，则真空泵直接抽腔的真空。由于有四根真空管道，因此可以同时连接四个超导腔，提高了测试效率；由于四根真空管道共用一套真空系统，而且每根真空管道装有真空阀门，因此既节省了真空泵的成本，又能保证四根真空管道工作相互独立。

③辐射屏蔽板

如图5所示为辐射屏蔽板的结构示意图，辐射屏蔽板为圆形结构，并且在屏蔽板的外侧开有八个孔：四个大孔和四个小孔。真空管道从四个大孔穿过，小孔作为射频电缆、加热器，以及其它传感器电缆的通道。

辐射屏蔽板与吊杆固定，安装在吊板的上方，辐射屏蔽板安装示意图如图6所示，用来屏蔽超导腔测试过程中产生的X射线。保护顶法兰上真空泵，以及其他电子测量设备的安全。

与现有技术相比，本实用新型的积极效果为：

本实用新型会大大节省超导腔垂直测试的液氦用量(一般超导腔进行低温测试需要大约 3000L液氦，采用此种超导腔垂直测试插入件，测试需要的液氦量约为1500L，节省一半的液氦用量及相关费用)，并且会缩短超导腔的测试周期(通常测试一只超导腔时间周期为七天，包括安装，降温和复温。但是采用此种超导腔垂直测试插入件，测试四只超导腔时间周期缩短为三天)，极大的提高超导腔的测试效率，能够为超导腔的大规模生产测试奠定一定基础。并且在超导腔垂直测试插入件内部增加辐射屏蔽板，有利于提高测试设备和周围环境的安全，便于向企业推过应用。

附图说明

图1为通用垂直测试插入件系统结构及工作原理；

图2为超导腔垂直测试插入件设计方案示意图；

图3为液氦缓冲槽及安装结构示意图；

图4为真空系统结构示意图；

图5为辐射屏蔽板结构示意图；

图6为辐射屏蔽板安装示意图。

其中，1-真空泵，2-顶法兰，3-超导腔，4-夹板，5-吊板，6-多层隔热板，7-托板，8-真空管道，9-吊杆，10-辐射屏蔽板，11-液氦缓冲槽，12-液氦传输线，13-注液管，14-真空阀，15- 五通真空管，16-真空管道，17-大孔，18-小孔。

具体实施方式

为了更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步的详细描述。

制作超导腔垂直测试插入件的材料要求机械强度大、无磁。顶法兰可以采用316L不锈钢 (加工后需要进行去磁处理)，多层隔热板采用硬泡沫材料，托板采用硬铝板，吊杆采用钛合金(TA4)，液氦缓冲槽采用钛合金(TA2)，顶法兰外侧真空管道和五通采用316L不锈钢，顶法兰内侧真空管道采用钛合金(TA2)，辐射屏蔽板采用铅板。在顶法兰与吊杆，以及吊杆和吊板的连接处加入G10隔热节进行隔热处理，减小超导腔垂直测试插入件系统的静态漏热。螺杆和轴套不要用同种材料，螺杆可以用钛合金、不锈钢，轴套可以用黄铜，防止同种材料卡死。

综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。