CN106255306B - 一种回旋加速器谐振腔可调电感耦合匹配方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种回旋加速器谐振腔可调电感耦合匹配方法和装置，该匹配方法包括：根据谐振腔物理设计分析，计算出耦合环的安装位置和有效面积；在谐振腔内杆上开口安装耦合环，并从内杆伸出；将同轴波导外导体与谐振腔内杆连接，将同轴波导内导体与耦合环电接触；使用矢量网络分析仪调节耦合匹配，矢量网络分析仪一端接在馈线输入端，测量反射系数S11，当S11<‑25dB时，这时耦合达到匹配状态。本发明是实现了馈送能量进入腔体的目的，通过水平移动调节耦合环，改变了耦合环的面积，调节耦合磁通量，实现馈线与腔体的匹配，避免失配，引起大功率反射，损坏传输波导。

Description

一种回旋加速器谐振腔可调电感耦合匹配方法和装置

技术领域

本发明属于回旋加速器技术领域，涉及一种回旋加速器谐振腔可调电感耦合匹配方法和装置。

背景技术

回旋加速器在科学研究、工农业生产和生物医学等各个领域的应用越来越广，在同位素生产以及诊断、质子治疗、高能物理、核物理、材料科学、化学、生物学等科研领域发挥着越来越重要的作用。随着回旋加速器研究的要求日益提高，超导回旋加速器结构紧凑、性能优越、经济的特点得到重视。回旋加速器的主要功能是在磁场的导向下,利用高频电场把质子加速到高能量。

回旋加速器虚拟样机高频***设计的关键部分是谐振腔的设计，它的固有振荡频率不仅影响到与高频发射机的整机匹配，也决定了加速电场的变化频率，必须与离子的旋转频率同步，谐振腔的频率也会因腔体损耗发热等引起物理形状的变化而变化。

耦合装置作为连接加速器高频***两大子***——发射机和腔体的关键设备，对高频***的安全、可靠的运行起着非常重要的作用。耦合装置的主要作用是将发射机输出的高频功率馈送到腔体，以产生加速离子所需要的高频电场。

为了有效地将发射机输出的高频功率馈送入腔体，耦合***还担负着另一个重要任务，即阻抗变换的作用：由于发射机有可能远离腔体，高频功率常常需要通过较长的传输线输送到腔体。一般来说，腔体是一个高阻装置，而传输线一般是标准传输***，即特性阻抗为50欧姆的传输线(低频)，所以必须进行阻抗变换，即将腔体变换为50欧姆的阻抗，以便和传输***匹配，从而得到最大功率传输条件。耦合的方式很多，在质子加速器中常用的主要是感性耦合(耦合环耦合)和容性耦合(电容耦合)两种方式；耦合部件的存在，会使谐振腔体内电磁场的分布受到影响，从而会导致谐振频率的变化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种回旋加速器谐振腔可调电感耦合匹配方法和装置，用于将高频源功率馈入到加速器谐振腔体内，形成离子高频加速电场，保证了在加速器结构紧凑的情况下，耦合匹配装置没有占用额外的空间，而是利用谐振腔内杆中空间隙，实现可调耦合匹配。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种回旋加速器谐振腔可调电感耦合匹配方法，该匹配方法包括下述步骤：

1)根据谐振腔物理设计分析，计算出耦合环的安装位置和有效面积；

2)在谐振腔内杆上开口安装耦合环，并从内杆伸出；

3)将同轴波导外导体与谐振腔内杆连接，将同轴波导内导体与耦合环电接触；

4)使用矢量网络分析仪调节耦合匹配，矢量网络分析仪一端接在馈线输入端，测量反射系数S11，若S11>-25dB，观察矢量网络分析仪阻抗圆图，若匹配点不在阻抗圆图内部，耦合环向外水平移动；若匹配点在阻抗圆图内部，耦合环向内水平移动，当阻抗圆图过匹配点时，停止水平移动耦合环，同时观察S11的变化，当S11<-25dB时，这时耦合达到匹配状态。

所述同轴波导内导体与变径结构上端固定连接，变径结构下端与耦合环电接触，实现内杆与耦合环的良好电接触，阻抗平滑过度，反射系数小。

所述耦合环通过水平移动结构安装在内杆上，使耦合环左右滑动，改变耦合环的面积，同时确保耦合环上端与同轴波导内导体电接触良好，耦合环下端与谐振腔内杆电接触良好。

一种回旋加速器谐振腔可调电感耦合匹配装置，该装置包括贯穿谐振腔的内杆，该内杆上端与同轴波导外导体连接；谐振腔内，内杆上端部伸出有耦合环，所述耦合环环平面与磁场线正交，耦合环在强磁场区与谐振腔耦合，耦合环一端与同轴波导内导体电接触，另一端与内杆电接触形成能量耦合。

所述耦合环采用水平移动结构，调节馈线与谐振腔的耦合匹配。

所述水平移动结构为U型耦合环，与同轴波导内导体接触端，垂直方向开阶梯型槽，增大耦合环与内导体接触面积，增强耦合环上端与同轴波导内导体电接触性能；耦合环下端嵌在谐振腔内杆上，确保与谐振腔内杆电接触良好；U型耦合环与同轴波导内导体接触端，垂直方向开的阶梯型槽沿着水平方向延伸，保证耦合环左右滑动，改变耦合环的面积；

所述馈线与谐振腔内杆一体化设计；所述同轴波导外导体与加速器谐振腔内杆尺寸一致，内杆与外导体相连接；所述同轴波导内导体伸入内杆，并通过变径结构顶端与耦合环上端面电接触。

所述耦合环水平移动调节耦合环突出内杆的面积，改变耦合量使得腔体与同轴波导50欧阻抗匹配。

所述的耦合环伸出在谐振腔强磁场区，位于内杆顶端位置。

所述变径结构为圆台型，由同轴波导内导体平滑过渡到与耦合环宽度一致的尺寸，圆台前端采用阶梯型嵌在U型耦合环内，增大与耦合环的接触面，实现内导体与耦合环电接触良好。

本发明的有益效果：本发明通过耦合环从加速器谐振腔内杆伸出，放置在强磁场区域，并让环平面与磁场线正交，流经环的电流可以激励起谐振腔内的磁场，达到馈送能量进入腔体的目的，通过水平移动调节耦合环，改变了耦合环的面积，调节耦合磁通量，实现馈线与腔体的匹配，避免失配，引起大功率反射，损坏传输波导；同时馈线与谐振腔内杆一体化设计，结构紧凑，同轴波导馈线内导体通过变径结构，实现内导体与耦合环的良好电接触，阻抗的平滑过度。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明可调电感耦合环总体装置结构图；

图2为本发明可调电感耦合环原理示意图；

图3为本发明谐振腔耦合匹配原理示意图；

图中：1-同轴波导；2-同轴波导与内杆连接处；3-短路板；4-耦合环；5-DEE；6-探针；7-谐振腔；8-内杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种回旋加速器谐振腔可调电感耦合匹配装置，参见图1，包括贯穿谐振腔7的内杆8，该内杆8上端与同轴波导1连接；短路板3，连接内杆8和谐振腔7，上下滑动短路板改变谐振腔7的高度；谐振腔7内，短路板3下端部伸出探针6，与谐振腔7耦合反馈信号给控制***；谐振腔7内，内杆8上端部伸出有耦合环4，耦合环4在强磁场区与谐振腔7耦合，耦合环4一端与同轴波导1内导体电接触，另一端与内杆8电接触形成能量耦合；

水平移动结构为U型耦合环，与同轴波导内导体接触端，垂直方向开阶梯型槽，增大耦合环与内导体接触面积，确保耦合环上端与同轴波导内导体电接触良好；耦合环下端嵌在谐振腔内杆上，与谐振腔内杆电接触良好；U型耦合环与同轴波导内导体接触端，垂直方向开的阶梯型槽沿着水平方向延伸，保证耦合环左右滑动，改变耦合环的面积；

变径结构为圆台型，由同轴波导内导体平滑过渡到与耦合环宽度一致的尺寸，圆台前端采用阶梯型嵌在U型耦合环内，增大与耦合环的接触面，实现内导体与耦合环电接触良好。

参见图1、图2，一种回旋加速器谐振腔可调电感耦合匹配方法，该方法包括：将耦合环4与加速器谐振腔7的内杆8相结合，并从加速器谐振腔内杆8伸出，放置在强磁场区域，并让耦合环环平面与磁场线正交，流经耦合环的电流可以激励起谐振腔7内的磁场，达到馈送能量进入腔体的目的；耦合环4一端与同轴波导1内导体电接触，另一端与内杆8电接触形成能量耦合；耦合环4采用水平移动结构，用于调节耦合环突出内杆的面积，改变耦合量，使得谐振腔与同轴波导50欧阻抗匹配，达到最大功率馈入谐振腔；微波能量馈线同轴波导1与谐振腔内杆8一体化设计，同轴波导1外导体与加速器谐振腔内杆8尺寸一致，内杆与外导体是连接在一起的，同轴波导1内导体伸入内杆8，并通过变径结构顶端与耦合环上端面电接触。同轴波导内导体变径结构，实现内杆与耦合环的良好电接触，阻抗平滑过度，反射系数小。

耦合环本身必须足够小，在不影响谐振腔谐振频率和电磁场分布的情况下，实现耦合的效果，这基本决定了耦合环的尺寸。感性耦合***的等效电路，如图3所示，L、C、R代表谐振腔的等效并联集总参数原件，这些电参数不能直接计算出来。耦合环等效线圈匝数比n与耦合环几何参数之间的关系：

式中，φt、φc分别代表通过耦合环口所在平面和耦合环的有效磁通量的大小，Ht、Hc分别代表耦合环所在平面和耦合环面对应的平均磁场强度大小，St、Sc分别代表真空室内耦合环所在平面和耦合环有效部分的面积大小。

利用负载和传输线特性阻抗共轭匹配的条件，可得到：

R＝n²Z₀

结合上面两式，耦合环几何参数与电参数之间的关系为

等式右边是一个比值，与耦合端口处输入的高频信号功率大小无关，可以借助于本征值求解器计算耦合环位置处的磁场强度大小，即可求出耦合环的有效面积Sc。

本发明的实施方法和步骤主要如下：

1)首先根据谐振腔物理设计分析，计算出耦合环的位置和有效面积；

2)在内杆上开口安装耦合环，使耦合环水平移动调节时，耦合环上端不与内杆电接触，下端与内杆电接触良好；

3)同轴波导内导体与变径结构上端固定连接，变径结构下端与耦合环电接触，耦合环水平调节时，电接触依然良好；同轴线外导体与谐振腔内杆连接；

4)可调耦合匹配装置整体安装固定后，使用矢量网络分析仪调节耦合匹配，矢量网络分析仪一端接在馈线输入端，测量反射系数S11，若S11>-25dB,观察矢量网络分析仪阻抗圆图，若匹配点不在阻抗圆图内部，耦合环向外水平移动；若匹配点在阻抗圆图内部，耦合环向内水平移动，当阻抗圆图过匹配点时，停止水平移动耦合环，同时观察S11的变化，当S11<-25dB时，这时耦合达到匹配状态。

以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种回旋加速器谐振腔可调电感耦合匹配方法，其特征在于，该匹配方法包括下述步骤：

1)根据谐振腔物理设计分析，计算出耦合环的安装位置和有效面积；

2)在谐振腔内杆上开口安装耦合环，并从内杆伸出；

3)将同轴波导外导体与谐振腔内杆连接，将同轴波导内导体与耦合环电接触；

4)使用矢量网络分析仪调节耦合匹配，矢量网络分析仪一端接在馈线输入端，测量反射系数S11，若S11>-25dB，观察矢量网络分析仪阻抗圆图，若匹配点不在阻抗圆图内部，耦合环向外水平移动；若匹配点在阻抗圆图内部，耦合环向内水平移动，当阻抗圆图过匹配点时，停止水平移动耦合环，同时观察S11的变化，当S11<-25dB时，这时耦合达到匹配状态。

2.一种回旋加速器谐振腔可调电感耦合匹配装置，其特征在于，该装置包括贯穿谐振腔的内杆，该内杆上端与同轴波导连接；以及短路板，连接内杆和谐振腔，上下滑动短路板改变谐振腔的高度；

在所述谐振腔内，短路板下端部伸出探针，与谐振腔耦合反馈信号给控制***；

在所述谐振腔内，内杆上端部伸出有耦合环，耦合环在强磁场区与谐振腔耦合，耦合环一端与同轴波导内导体电接触，另一端与内杆电接触形成能量耦合。

3.根据权利要求2所述的一种回旋加速器谐振腔可调电感耦合匹配装置，其特征在于，所述同轴波导内导体与变径结构上端固定连接，变径结构下端与耦合环电接触。

4.根据权利要求2所述的一种回旋加速器谐振腔可调电感耦合匹配装置，其特征在于，所述耦合环通过水平移动结构安装在内杆上，使耦合环左右滑动，改变耦合环的面积。

5.根据权利要求4所述的一种回旋加速器谐振腔可调电感耦合匹配装置，其特征在于，所述水平移动结构为U型耦合环，其与同轴波导内导体接触端，垂直方向开设有阶梯型槽；耦合环下端嵌在谐振腔内杆上；U型耦合环与同轴波导内导体接触端，垂直方向开的阶梯型槽沿着水平方向延伸，保证耦合环左右滑动，改变耦合环的面积。

6.根据权利要求2所述的一种回旋加速器谐振腔可调电感耦合匹配装置，其特征在于，馈线与谐振腔内杆一体化设计；同轴波导外导体与加速器谐振腔内杆尺寸一致，内杆与外导体相连接；同轴波导内导体伸入内杆，并通过变径结构顶端与耦合环上端面电接触。

7.根据权利要求4所述的一种回旋加速器谐振腔可调电感耦合匹配装置，其特征在于，所述耦合环水平移动调节耦合环突出内杆的面积，改变耦合量使得腔体与同轴波导50欧阻抗匹配。

8.根据权利要求4所述的一种回旋加速器谐振腔可调电感耦合匹配装置，其特征在于，所述的耦合环伸出在谐振腔强磁场区，位于内杆顶端位置，所述耦合环环平面与磁场线正交，耦合环在强磁场区与谐振腔耦合。

9.根据权利要求3所述的一种回旋加速器谐振腔可调电感耦合匹配装置，其特征在于，所述变径结构为圆台型，圆台前端采用阶梯型嵌在U型耦合环内。