混合加速聚焦超导腔的制造方法与工艺

本发明涉及一种离子加速谐振腔，属于加速器技术领域。

背景技术：
近二三十年来，随着工业技术水平的提高，超导高频谐振腔技术得到了迅猛发展。超导高频谐振腔与常温谐振腔相比，具有加速梯度高、高频功率损耗小、长期运行成本低的优点，吸引了全世界加速器学家的目光，世界上多个大型加速器装置如美国的SNS、FRIB、欧洲的散裂中子源、中国的ADS加速器都选择了超导加速器结构。超导加速器高能量段超导腔结构相对简单，技术发展相对成熟；超导加速器低能量段超导腔结构复杂，离子束空间电荷效应明显，是超导加速器建造的难点。在超导加速器低能段，采用低β超导腔加速带电粒子，带电粒子由于受到空间电荷效应和高频散焦作用，束流横向包络越来越大，导致束流损失，需要利用外部的聚焦原件进行横向的聚束来保证束流的稳定传输，现有的超导加速器低能由很多个低β超导腔和外部聚焦原件相间组成。该加速结构的主要问题在于：1.多个低β超导腔和外部聚焦原件相间组合，空间长度长，加速器加速效率低；2.加速器设备安装复杂，建造成本高；3.加速器原件多，集成性不高，稳定性差。

技术实现要素：
本发明的目的在于避免现有技术的不足提供一种混合加速聚焦超导腔。以解决低能高流强的离子束流的加速和聚焦，避免了现有技术加速效率低、加速器设备安装复杂，建造成本高、加速器原件多，集成性不高，稳定性差等问题。为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种混合加速聚焦超导腔，其主要特点在于超导谐振腔筒上设有互为平行的四个液氦冷却槽，相对的两个液氦冷却槽通过多个圆锥筒连通；两个圆锥筒之间设有圆环形加速管，多个加速管的中心线与超导谐振腔筒的中心线在同一个中心线上；互为垂直的四个聚焦盒设于加速管之间，并对称固定在液氦冷却槽上；圆锥筒与液氦冷却槽连通，圆锥筒中的液氦与液氦冷却槽中的液氦相流通。所述的混合加速聚焦超导腔，所述的液氦冷却槽的横截面为矩形，四个液氦冷却槽沿超导谐振腔筒轴向均匀分布。所述的混合加速聚焦超导腔，所述的圆锥筒直径大的一端连接液氦槽，直径小的一端连接加速管。所述的混合加速聚焦超导腔，所述的聚焦盒截面为矩形，沿超导谐振腔筒轴向分布，聚焦盒与液氦冷却槽形成通路，聚焦盒中的液氦与液氦冷却槽中的液氦相流通；四个聚焦盒之间的孔径为1cm～5cm，聚焦盒长度为1cm～30cm。所述的混合加速聚焦超导腔，所述加速管的长度为0.5-20cm；内径为1cm～6cm，相邻两个加速管之间的加速间隙距离为0.5-10cm。所述的混合加速聚焦超导腔，所述的在超导谐振腔筒两端各设有一个圆形端板,两端板上各设有一个束流管和两个清洗管。所述的混合加速聚焦超导腔，所述的超导谐振腔筒、液氦冷却槽、圆锥筒、加速管、聚焦盒、端板、束流管和清洗管的材料为高纯铌。本发明的有益效果是在强流离子加速器低能段，由于将加速原件和聚焦原件集成在一个超导谐振腔中，结构更加紧凑，空间长度短，加速器加速效应高；由于采用了超导材料制成，在低温下高频损耗小，长期运行成本低；加速器原件少，集成度高、安装简单、运行更加稳定。本发明主要是用于强流离子束流加速低能段。本发明的优点是在低温下工作处于超导态，电阻小，高频损耗小；本结构将束流加速功能，束流聚焦功能结合在同一个高频结构中，结构紧凑，使得束流品质优良；有效的缩短了加速器长度，降低了加速器建造成本。本发明主要是用于质子加速器、重离子加速器低能段质子束、重离子束的加速。附图说明：图1为混合加速聚焦超导腔主视图；图2为混合加速聚焦超导腔B-B剖视图；图3为混合加速聚焦超导腔C-C剖视图；图4为混合加速聚焦超导腔A-A剖视图。图中：1.超导谐振腔筒；2.端板；3.清洗管；4.束流管；5.液氦冷却槽；6.功率耦合口；7.冷却槽5与聚焦盒9内部连通；8.冷却槽5与圆锥筒11内部连通；9.聚焦盒；10.加速管；11.圆锥筒。具体实施方式以下结合实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。下面对本发明的内容进行详细的说明。实施例1：一种混合加速聚焦超导腔，其主要特点在于超导谐振腔筒1上设有互为平行的四个液氦冷却槽5，相对的两个液氦冷却槽5通过多个圆锥筒11连通；两个圆锥筒11之间设有圆环形加速管10，多个加速管10与超导谐振腔筒1在一个中心线上；互为垂直的四个聚焦盒9设于加速管10之间，并对称固定在液氦冷却槽5上。圆锥筒11与液氦冷却槽5形成通路，圆锥筒11中的液氦与液氦冷却槽5中的液氦自由流通。所述的液氦冷却槽5的横截面为矩形，四个液氦冷却槽5沿超导谐振腔筒1轴向均匀分布。所述的圆锥筒11连接液氦槽5端直径大，连接加速管10端直径小。所述的聚焦盒9截面为矩形，沿超导谐振腔筒1轴向分布，聚焦盒9与液氦冷却槽5形成通路，聚焦盒9中的液氦与液氦冷却槽5中的液氦自由流通；四个聚焦盒之间的孔径为1cm，聚焦盒9长度为1cm。所述加速管10的长度为0.5cm；内径为1cm，相邻两个加速管10之间的加速间隙距离为0.5cm。所述的在超导谐振腔筒1两端各设有一个圆形端板2,两端板2上各设有一个束流管4和两个清洗管3。所述的超导谐振腔筒1、液氦冷却槽5、圆锥筒11、加速管10、聚焦盒9、端板2、束流管4和清洗管3的材料为高纯铌。实施例2：一种混合加速聚焦超导腔，其主要特点在于超导谐振腔筒1上设有互为平行的四个液氦冷却槽5，相对的两个液氦冷却槽5通过多个圆锥筒11连通；两个圆锥筒11之间设有圆环形加速管10，多个加速管10与超导谐振腔筒1在一个中心线上；互为垂直的四个聚焦盒9设于加速管10之间，并对称固定在液氦冷却槽5上。圆锥筒11与液氦冷却槽5形成通路，圆锥筒11中的液氦与液氦冷却槽5中的液氦自由流通。所述的液氦冷却槽5的横截面为矩形，四个液氦冷却槽5沿超导谐振腔筒1轴向均匀分布。所述的圆锥筒11连接液氦槽5端直径大，连接加速管10端直径小。所述的聚焦盒9截面为矩形，沿超导谐振腔筒1轴向分布，聚焦盒9与液氦冷却槽5形成通路，聚焦盒9中的液氦与液氦冷却槽5中的液氦自由流通；四个聚焦盒之间的孔径为5cm，聚焦盒9长度为30cm。所述加速管10的长度为20cm；内径为6cm，相邻两个加速管10之间的加速间隙距离为10cm。所述的在超导谐振腔筒1两端各设有一个圆形端板2,两端板2上各设有一个束流管4和两个清洗管3。所述的超导谐振腔筒1、液氦冷却槽5、圆锥筒11、加速管10、聚焦盒9、端板2、束流管4和清洗管3的材料为高纯铌。实施例3：一种混合加速聚焦超导腔，其主要特点在于超导谐振腔筒1上设有互为平行的四个液氦冷却槽5，相对的两个液氦冷却槽5通过多个圆锥筒11连通；两个圆锥筒11之间设有圆环形加速管10，多个加速管10与超导谐振腔筒1在一个中心线上；互为垂直的四个聚焦盒9设于加速管10之间，并对称固定在液氦冷却槽5上。圆锥筒11与液氦冷却槽5形成通路，圆锥筒11中的液氦与液氦冷却槽5中的液氦自由流通。所述的液氦冷却槽5的横截面为矩形，四个液氦冷却槽5沿超导谐振腔筒1轴向均匀分布。所述的圆锥筒11连接液氦槽5端直径大，连接加速管10端直径小。所述的聚焦盒9截面为矩形，沿超导谐振腔筒1轴向分布，聚焦盒9与液氦冷却槽5形成通路，聚焦盒9中的液氦与液氦冷却槽5中的液氦自由流通；四个聚焦盒之间的孔径为3cm，聚焦盒9长度为20cm。所述加速管10的长度为10cm；内径为3cm，相邻两个加速管10之间的加速间隙距离为5cm。所述的在超导谐振腔筒1两端各设有一个圆形端板2,两端板2上各设有一个束流管4和两个清洗管3。所述的超导谐振腔筒1、液氦冷却槽5、圆锥筒11、加速管10、聚焦盒9、端板2、束流管4和清洗管3的材料为高纯铌。试验例：见图1，图2，图3，图4，一种混合加速聚焦超导腔，包括有一个腔筒和两个端板，所述的腔筒为圆柱形筒体1，筒体的两侧分别设有圆形端板2；筒体上设有四个液氦冷却槽5，四个液氦冷却槽互相平行沿筒体轴向均匀分布，图2中竖直方向的两个液化冷却槽通过5个支撑杆连接，水平方向的两个液化冷却槽通过7个支撑杆连接，支撑杆由两个圆锥筒11连接的加速管10构成；四个互相垂直的聚焦盒9构成一组设于加速管10之间，并固定在冷却槽5上；冷却槽5与聚焦盒9内部连通7，冷却槽5与圆锥筒11内部连通8；图3中下方的一个冷却槽上设有一个功率耦合口6；两侧的端板2上各设有一个束流管4和两个清洗管3，束流管4位于腔筒1轴线上，上述所有部件均采用高纯铌材制作。所述腔筒1直径为0.8m，长度为1.38m，两侧端板2直径为0.8m。所述加速管10长度为4cm，孔径为4cm，相邻两个加速管之间的加速间隙为2cm，连接相邻两个加速管的支撑杆相互垂直。所述聚焦盒之间的孔径为4cm，聚焦盒长度为10cm，聚焦盒与加速管之间的间隙为2cm。所述功率耦合口6孔径为5cm，清洗管3孔径为3cm，管壁厚度为0.3cm。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。