超导腔真空密封法兰、射频超导腔及其制备方法

1.本发明涉及一种超导腔真空密封法兰、射频超导腔及其制备方法，属于粒子加速器技术领域。


背景技术：

2.射频超导谐振腔(简称超导腔)是超导带电粒子加速器的核心部件，其主要作用是将其中的射频电磁场储能转化为带电粒子的动能，使加速器获得高品质的带电粒子束流。为了使束流能够保持足够的寿命，并且不断地被积累和加速，到达设计的能量和流强，超导腔必须处于高真空环境(真空度好于10-7
pa)。目前研制超导腔的首选材料是rrr值大于300的金属铌，但是该种类型的铌硬度(hv
10
)小于60，无法用来制作真空密封结构。
3.由于铌钛合金能与金属铌通过电子束焊进行连接，被国内外实验室选用射频超导腔体真空密封结构的原材料，其法兰密封面主要为平面密封结构，然而该密封结构会导致超导腔经常发生真空泄漏，需要花费大量的人力、物力和财力对超导腔重新进行表面处理和装配，影响大科学工程的进度。另一方面铌钛合金的价格高(约2500元/公斤)，导致射频腔体的造价高。因此，急需一种新的材料来制备法兰密封面。


技术实现要素：

4.针对上述技术问题，本发明提供一种超导腔真空密封法兰、射频超导腔及其制备方法，该射频超导腔所采用的真空密封法兰，可以显著降低密封结构的制作成本，并提高射频超导腔的真空密封可靠性，提高射频超导腔的装配效率。
5.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
6.本发明第一方面提供一种超导腔真空密封法兰，包括如下部件：
7.密封法兰本体，所述密封法兰本体的密封面为刀口密封面；
8.过渡转接，其为管状结构，所述过渡转接的外壁与所述密封法兰本体的环形空腔内壁固定连接，内壁与射频超导腔本体的端部外壁固定连接。
9.所述的超导腔真空密封法兰，优选地，所述密封法兰本体的硬度(hv
10
)为170～200，所述过渡转接的硬度(hv
10
)为100～130。
10.所述的超导腔真空密封法兰，优选地，所述过渡转接为铌钛合金过渡转接。
11.所述的超导腔真空密封法兰，优选地，所述铌钛合金过渡转接中铌含量为(20～40)wt％。
12.所述的超导腔真空密封法兰，优选地，所述刀口密封面的刀尖圆角半径为0.16～0.2mm，刀口处向内倾斜角度为41～50
°
。
13.所述的超导腔真空密封法兰，优选地，所述密封法兰本体为纯钛密封法兰。
14.本发明第二方面提供一种射频超导腔，包括上述所述的超导腔真空密封法兰和射频超导腔本体。
15.本发明第三方面提供一种上述射频超导腔的制备方法，包括如下步骤：
16.在加工车床上利用刀具对纯钛进行加工，得到带有所述刀口密封面的纯钛所述密封法兰本体，所述密封法兰本体加工完成后在常温、液氮及液氦环境下进行真空检漏，利用铌钛合金制备所述过渡转接，利用rrr值大于300的高纯铌制作所述射频超导腔本体，然后把所述纯钛密封法兰本体、所述过渡转接和所述射频超导腔本体通过电子束或激光焊接在一起；最后对焊接完成的所述射频超导腔进行常温、液氮及液氦环境下真空检漏。
17.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
18.纯钛价格低(约200元/公斤)且硬度(hv
10
大于)170，可以用来制作刀口密封面的真空密封结构，同时为了保证刀口密封面在使用过程中不被破坏，对其具体结构进行了改进，将平面密封法兰改成刀口密封法兰。因此本发明射频超导腔用真空密封结构，可以显著降低密封结构制作成本，并提高射频腔体真空密封可靠性，提高射频超导腔体的装配效率。
附图说明
19.图1为本发明一实施例提供的带有密封法兰的射频超导腔体的立体示意图；
20.图2为本发明该实施例提供的射频超导腔体的剖视图；
21.图3为图2中a处的局部放大立体图；
22.图4为图2中a处的局部放大主视图；
23.图5为图2中b处的局部放大主视图；
24.图中各标记如下：
25.1-密封法兰本体；2-射频超导腔本体；3-过渡转接；4-刀尖圆角半径；5-刀口处向内倾斜角度。
具体实施方式
26.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
28.如图1、2所示，本发明所提供的超导腔真空密封法兰，包括如下部件：密封法兰本体1，密封法兰本体1的密封面为刀口密封面；过渡转接3，其为管状结构，过渡转接3的外壁与密封法兰本体1的环形空腔内壁固定连接，内壁与射频超导腔本体2的端部外壁固定连接。
29.如图5所示，刀口密封面的刀尖圆角半径4为0.16～0.2mm，刀口处向内倾斜角度7为41～50
°
。
30.本发明还提供一种射频超导腔的制备方法，具体如下：选用硬度(hv
10
)为180的纯
钛作为密封法兰本体1的原材料进行如图1-5中的密封结构加工；密封法兰本体1中刀口密封面的刀尖圆角半径4设置为0.18mm，刀口处向内倾斜角度5设置为45
°
；在加工车床上采用转速为5000r/min的聚晶金刚石刀具，对纯钛进行加工，加工完成后并对其刀口进行打磨(软砂纸打磨)；纯钛密封法兰本体1加工完成后再对其进行常温(20-25℃)、液氮及液氦环境下真空检漏，确保其漏率小于1.0
×
10-12
mbar
·
l/s；选择铌重量比例为35％的铌钛合金制备过渡转接3，制作成管状结构；采用rrr值大于300的高纯铌制作成射频超导腔本体2；把纯钛密封法兰本体1、过渡转接3和射频超导腔本体2，通过电子束或激光焊接使他们相连；最后对焊接完成的射频超导腔进行常温、液氮及液氦环境真空检漏，确保其漏率好于1.0
×
10-12
mbar
·
l/s。
31.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。