高能强流加速器用法拉第筒的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种用于加速器装置的束流诊断设备，特别是涉及一种用于高能强流加速器装置的法拉第筒。
【背景技术】
[0002]法拉第筒是加速器装置中常用的一种拦截式束流诊断设备，其作用除了对束流进行阻挡拦截外，还用来测量束流的流强大小。因为是法拉第首先设计和使用，所以常被称作为法拉第筒。其结构一般是一个圆筒状的收集电极，当束流(带电粒子的集合)轰击在电极上，被电极拦截收集，束流所带电荷流经电阻形成回路，从而测得束流的流强。
[0003]法拉第筒作为一种拦截式束流诊断设备，当束流被拦截，其能量会将沉积在法拉第筒拦截面上，并以热能的形式表现出来。对于高能强流束流，法拉第筒拦截面的温度很快上升到很高，甚至将拦截面的材料融化，对法拉第筒造成损坏。为了防止法拉第筒损坏，采取的措施为拦截面的材料选用高熔点的材料，或者将拦截面上的热能快速的传递出去，或者减小单位面积上的束流功率。
[0004]目前大多使用的法拉第筒采取的是前两种措施，其结构为圆柱筒形结构，材料或者为铜，或者为高熔点金属材料钽或钨。而铜熔点较低，直接面对高能强流束流极易被损坏。对于高能强流束流，一般的做法为在铜体上装有水冷管道形成水冷体，然后将钽或钨的圆柱筒焊接在水冷体上。虽然将钽或钨的圆柱筒和水冷体焊接在一起，但是它们的接触一般为部分的面接触或点接触。这是因为要将钽或钨的圆柱筒装进铜水冷体的圆柱形凹槽中，钽或钨的圆柱筒侧外表面和铜水冷体的圆柱形凹槽侧内表面之间必定存在一定的缝隙，它们的连接仅仅靠焊料连接在一起。即使钽或钨的圆柱筒筒底外表面和铜水冷体的圆柱形凹槽筒底内表面加工的非常平整，但它们之间也只能是部分的面接触或点接触，不可能是完全的面接触。因为是部分的面接触或点接触，使得热传递的效果大打折扣，水冷的效果有限。
[0005]法拉第筒用来测量束流的流强大小，这就需要将法拉第筒和设备的其他部件绝缘开来，使得因束流产生的电流信号能完整的通过线缆传输出去。束流轰击在拦截面上会产生二次电子溢出，影响测量的精度，为了抑制二次电子，需要在法拉第筒束流入口处加一个高压电极来抑制二次电子溢出。同时，还需要用挡板将电极、法拉第筒、进出水管等包裹起来，这样做的目的有以下三点:一、保护挡板内部绝缘材料不被束流辐照，因为绝缘材料被束流辐照后绝缘性能会变差；二、电极及法拉第筒导热材料为铜，被束流长时间辐照，会使铜活化；三、在束流管道空间中还分布有一定的带电粒子，这些带电粒子会影响法拉第筒对束流流强的测量，法拉第筒被挡板包围，挡板又和设备外壳及束流管道相连，这样空间分布的带电粒子就不会影响法拉第筒对束流流强的测量。为了将高压电极、法拉第筒、挡板和设备的其他部件绝缘开来，传统的设计结构较为复杂，给装配和维修带来不便。
[0006]法拉第筒通常带有驱动设备，在不使用时通过驱动设备使其离开束流传输线，不影响束流的传输，在使用时通过驱动设备将其移动到束流传输线上，阻挡束流通过，同时测量束流流强大小。传统的设计将法拉第筒和驱动设备作为一个整体，当法拉第筒损坏后，整个设备都会报废，无法循环使用，同时法拉第筒相对于设备的方向固定，不可调节，给安装带来不便。
【实用新型内容】
[0007]本实用新型的目的在于提供一种高能强流加速器用法拉第筒，以解决以下问题:
[0008]I)解决了传统法拉第筒因为其结构形状以及拦截面和水冷体非面接触，在高能强流情况下容易被损坏的问题；
[0009]2)解决了传统法拉第筒因为法拉第筒头部和驱动装置设计为一个整体，法拉第筒损坏后无法更换维修的问题；
[0010]3)解决了传统法拉第筒因为法拉第筒头部和驱动装置设计为一个整体，法拉第筒头部角度固定，给安装带来不便的问题。
[0011]为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为:一种高能强流加速器用法拉第筒，其主要特点在于法拉第筒头部通过转接法兰和活套法兰连接驱动装置，法拉第筒头部和驱动装置相互独立。
[0012]所述的高能强流加速器用法拉第筒，其法拉第筒头部的进水管、出水管、高压线缆、信号线缆通过转接法兰和活套法兰并穿过驱动装置的支撑筒延伸到大气端。转接法兰和活套法兰设有刀口，两法兰之间加铜垫，通过螺栓连接密封，实现了大气和真空的隔离。
[0013]所述的高能强流加速器用法拉第筒，所述的法拉第筒为圆锥筒形，最内层为圆台型拦截面，在圆台型拦截面的小端连接有锥顶，锥顶的内腔面与圆台型拦截面为同一锥度的锥面，锥顶密封片设于锥顶的顶部将锥顶密封在水冷体内部；水冷体设于圆台型拦截面和锥顶的外侧，圆台型拦截面及锥顶和水冷体为面接触。水冷体上设有螺旋型水道，与水道背板共同组成冷却水通道。
[0014]所述的高能强流加速器用法拉第筒，所述的法拉第筒还包括有在进水管、出水管、高压线缆、信号线缆和法拉第筒的外部分别设有挡板，前挡板和后挡板分别设在法拉第筒的前部和后部，进水管前挡板、进水管后挡板设在进水管的外部，出水管挡板设在出水管的外部；前档板通过螺栓连接在前档板支座上，后挡板、出水管后档板通过螺栓连接在法拉第筒支架上，进水管前档板和进水管后挡板通过螺栓连接在后挡板上，所有的挡板将整个法拉第筒头部包裹起来。
[0015]所述的高能强流加速器用法拉第筒，还包括有在所述的前挡板支座、电极、法拉第筒支架及法拉第筒通过陶瓷筒、陶瓷垫和螺栓固连，并相互绝缘；所述的转接法兰通过连接孔和法兰支架连接孔固连，法拉第筒支架固连在法兰支架上，构成了整个法拉第筒头部的支架。
[0016]所述的高能强流加速器用法拉第筒，还包括有进水管上设有第一陶瓷水管，两端设有第一过度可伐，与法拉第筒进水口连通，构成了进水水路管道；出水管上设有第二陶瓷水管，两端设有第二过度可伐，与法拉第筒出水口连通，构成了出水水路管道。过度可伐和陶瓷水管将法拉第筒和外部的进出水管绝缘开来。
[0017]所述的高能强流加速器用法拉第筒，还包括有高压线缆一端和电极高压接线端子连接，通过高压馈通过渡引出到转接法兰的外侧；信号线缆一端和信号接线端子连接，通过信号馈通过渡引出到转接法兰的外侧。
[0018]所述的高能强流加速器用法拉第筒，所述的圆台型拦截面的材料为高熔点的I?2mm厚的钽板。锥顶的材料为高熔点的钽或钨。
[0019]本实用新型的有益效果:充分考虑了以下措施，即拦截面的材料选用高熔点的材料、将拦截面上的热能快速的传递出去、减小单位面积上的束流功率，将法拉第筒结构设计为圆锥筒形结构。拦截面采用I?2_厚的钽制作为圆锥筒，将其套装在带有圆锥形凹槽的水冷体上并焊接在一起。之所以设计为圆锥筒形结构，是因为法拉第筒在拦截束流或测量束流流强时，圆锥筒的轴线和束流的传输方向重合，除了锥顶和束流传输方向垂直以外，圆锥筒内表面都和束流传输方向有一定的夹角，从而增大了束流和法拉第筒拦截面的接触面积，降低了单位面积束流的功率。
[0020]圆锥筒锥角的大小和拦截面材料可承受的单位面积的束流功率有关，单位面积的束流功率越大，要求圆锥锥角越小，以增大拦截面的面积，从而导致圆锥轴向长度越长。带来的困难就是圆锥内表面(包括拦截面圆锥筒的内表面和水冷体圆锥形凹槽的内表面)加工非常难，如果加工的精度不高，很难保证拦截面圆锥筒和导热体焊接在一起后是面和面的接触。同时带来的困难是圆锥顶部的加工，因为椎体轴向长度较长、锥角较小，再加上刀具的限制，加工出来的圆锥顶部不是一个点，而是一个小小的弧面。对于粒子密度成高斯分布的束流来说，束流中心处单位面积的束流功率最大，小弧面处于束流中心又近似和束流方向垂直，从而导致锥顶很容易被束流损坏。
[0021]为了克服上述困难，我们做了如下改进，1、将法拉第筒拦截面分为圆台型拦截面和锥顶两部分。圆台型拦截面为I?2_厚的钽制作的圆锥形筒，圆锥形筒顶部为开口。因为束流的粒子密度成高斯分布，束流边缘的单位面积束流功率较小，所以将圆锥筒底部的张角变大以减小圆锥筒的轴向长度。锥顶为一个钽制作的小圆柱体，在轴向方向上加工了一个圆锥凹槽，其内表面能和圆台型拦截面内表面平滑过渡，形成一个完整的圆锥内表面。因为锥顶较短，加工圆锥凹槽比较容易，加工出来的凹槽顶部为一个点。2、水冷体圆锥凹槽顶部做一个圆柱形的开口，其大小略小于锥顶。3、焊接时首先将圆台型拦截面和水冷体焊接。将圆台型拦截面套进铜水冷体的圆锥凹槽中并利用模具将