CN106385758B - 超导回旋加速器谐振腔容性耦合匹配方法 - Google Patents

超导回旋加速器谐振腔容性耦合匹配方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超导回旋加速器谐振腔容性耦合匹配方法，该匹配方法包括：根据谐振腔物理设计分析，确定容性耦合装置的安装位置；将耦合装置中同轴波导外导体与谐振腔连接，将同轴波导内导体与电容盘连接；在同轴波导内导体中布置液冷管道；在谐振腔下端开孔伸出容性耦合装置，通过垂直调节耦合装置电容盘与DEE板的距离，改变容性耦合量，完成高阻装置阻抗变换至标准传输***，实现馈线与腔体的阻抗匹配，避免失配，引起大功率反射，损坏传输波导；耦合装置内部设计液冷管道，控制容性耦合装置的温度，避免温度过高，引起耦合装置热变形影响腔体耦合匹配。本发明实现了馈送能量进入腔体的目的。

Description

超导回旋加速器谐振腔容性耦合匹配方法
技术领域
本发明属于超导回旋加速器技术领域，涉及一种超导回旋加速器谐振腔容性耦合匹配方法。
背景技术
回旋加速器在核医学领域有着广泛的应用，尤其是在放射性药物制药，肿瘤治疗等领域做出了巨大的贡献。而超导加速器具有体积小、成本低的特点。利用超导磁场，加速腔可以在很小的微波功率下产生很强的加速电场；利用超导磁体则可以在很小的激励功率下产生强大的约束磁场，二者都可以大大缩减加速器的尺寸、降低加速器的功率消耗，使加速器在经济上和技术上有巨大的优越性。
超导回旋加速器高频***设计的关键部分是谐振腔的设计，主要设计参数包括：谐振频率、品质因素Q、电压分布、调谐、耦合。它的固有谐振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。品质因素Q值反映腔体储能与损耗比值，即有效能量利用率的一种度量。腔体电压的高低和稳定性与调束及束流品质、强度有着密切的关系。调谐保证腔体谐振频率保持在定值，避免谐振频率震荡。耦合目的是保证腔体能有效馈入能量。
超导回旋加速器由高频发射机激励，它的作用是在腔体电极与地之间约4°的缝隙中形成高频电场。每当离子束团通过缝隙时,便受到电场力的谐波加速。加速后获得的能量增益ΔW与腔体的电压成正比。
耦合装置作为连接加速器高频***两大子***——高频发射机和谐振腔的关键设备，它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。而为了保证高频发射机输出功率有效馈入腔体，耦合***还担负着阻抗变换的作用：高频发射机输出功率通过传输线输送到谐振腔，传输线为标准传输线(低频段特性阻抗为50欧姆)，而腔体是高阻装置，因此必须对腔体进行阻抗变换，使其阻抗变换为50欧姆，以便和传输线匹配，从而得到最大功率传输条件。
在回旋加速器中常用的耦合方式主要有两种：感性耦合和容性耦合。电感耦合：采用电流环的形式，将其放置到磁场最强的区域并让环平面与磁场线正交。容性耦合：把激励用的电极(一般是电容)放置到电场最强的区域来激励谐振腔内产生所需要的场。
发明内容
本发明的目的在于提供的一种超导回旋加速器谐振腔容性耦合匹配方法，该方法实现了馈送能量进入腔体的目的。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
超导回旋加速器谐振腔容性耦合匹配方法，该匹配方法包括下述步骤：
1)根据谐振腔物理设计分析，计算出耦合装置电容盘的有效尺寸、位置；
2)在谐振腔下端开孔伸出耦合装置电容盘；
3)将耦合装置中同轴波导外导体与谐振腔连接，将同轴波导内导体与电容盘连接；
4)在同轴波导内导体中布置液冷管道；
5)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。
所述耦合装置由同轴波导、电容盘、液冷管道、陶瓷环组成。
所述同轴波导由内导体和外导体构成，内导体与电容盘连接，外导体与腔体连接。
所述耦合装置中同轴波导外导体与谐振腔连接，将同轴波导内导体与电容盘连接，实现同轴波导与电容盘良好电接触，阻抗平滑过度，反射系数小。
所述液冷管道布置在同轴波导内导体中，具***置为沿内导体中轴线贯穿内导体，主要作用是控制容性耦合装置的温度，避免温度过高引起耦合装置热变形影响腔体耦合匹配。
所述陶瓷环位于同轴波导内，主要作用是对谐振腔进行真空隔离，防止空气经过同轴波导进入谐振腔。
所述电容盘与同轴波导内导体连接，位于同轴波导顶端；使电容盘上下移动，改变电容盘与谐振腔DEE板的距离，从而达到耦合调节的作用。同时确保电容盘上端与同轴波导内导体电接触良好，同轴波导外导体与腔体电接触良好。
所述耦合装置包括贯穿谐振腔的同轴波导与电容盘。谐振腔内部，同轴波导内导体连接的电容盘放置到电场最强的区域来激励谐振腔内产生所需要的场，电容盘在电场强区与谐振腔形成能量耦合。
所述耦合装置采用垂直移动结构，调节馈线与谐振腔的耦合匹配。
所述耦合装置垂直移动，调节电容盘与谐振腔DEE板板距离，从而改变耦合量使得腔体与同轴波导50欧阻抗匹配。
所述DEE板与内杆垂直连接，内杆竖直贯穿谐振腔；位于内杆左侧的谐振腔内放置有探针，谐振腔通过探针耦合反馈信号给控制***；谐振腔与DEE板一端面之间设有调谐电容板，水平移动调谐电容板，改变谐振腔的谐振频率；所述谐振腔底部伸入有同轴波导内导体，谐振腔连接同轴波导外导体；所述电容盘与同轴波导内导体连接，位于同轴波导顶端。
本发明的有益效果：本发明在谐振腔下端开孔伸出容性耦合装置，通过垂直调节耦合装置电容盘与DEE板的距离，改变容性耦合量，完成高阻装置(谐振腔)阻抗变换至标准传输***(50欧姆同轴波导)，实现馈线与腔体的阻抗匹配，避免失配，引起大功率反射，损坏传输波导；耦合装置内部设计液冷管道控制容性耦合装置的温度，避免温度过高，引起耦合装置热变形影响腔体耦合匹配；本发明结构简单，体积小，耦合调节易于操作，能有效保证能量馈入腔体。
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为本发明容性耦合谐振腔总体结构图；
图2为本发明谐振腔容性耦合等效电路图；
图1中：1-探针；2-谐振腔；3-内杆；4-DEE板；5-电容调谐板；6-电容盘；7-液冷管道；8-同轴波导内导体；9-同轴波导外导体；10-陶瓷环。
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2的内杆3，该内杆3左侧放置探针1，谐振腔2耦合反馈信号给控制***；DEE板4与内杆3连接；调谐电容板5在谐振腔2与DEE板4的之间，水平移动调谐电容板5，可以改变谐振腔的谐振频率；同轴波导内导体8经谐振腔2底部伸入谐振腔，同轴波导外导体9与谐振腔2连接；电容盘6与同轴波导内导体8连接，位于同轴波导顶端；液冷管道7布置在同轴波导内导体8中，具***置为沿内导体中轴线贯穿内导体；陶瓷环10位于同轴波导内导体8与外导体9之间，真空隔离，防止空气经过同轴波导进入谐振腔。
参见图1，超导回旋加速器谐振腔耦合容性耦合匹配方法，该方法包括：同轴波导内导体8连接的电容盘6放置到电场最强的区域来激励谐振腔2内产生所需要的场，电容盘6在电场强区与谐振腔2形成能量耦合，垂直移动电容盘6与谐振腔内DEE板4距离，改变耦合量使得腔体与同轴波导50欧阻抗匹配，达到最大功率馈入谐振腔。液冷管道7布置在同轴波导内导体8中，具***置为沿内导体中轴线贯穿内导体，主要作用是控制容性耦合装置的温度，避免温度过高引起耦合装置热变形影响腔体耦合匹配；陶瓷环10位于同轴波导内，主要作用是对谐振腔进行真空隔离，防止空气经过同轴波导进入谐振腔。
对于谐振腔体，高频源通过传输线后再通过电容耦合到D盒上，考虑耦合电容，其等效电路如图2所示。图中Cc为耦合电容。
其输入阻抗为：
其中ω为工作角频率。
Zin＝R(ω)+jX(ω) (2)
R(ω)和X(ω)分别为：
为达到最佳耦合，即理想匹配条件为：
R(ω)＝Zc (5)
X(ω)＝0 (6)
由式(3)及(5)可见，为了达到理想匹配，腔体的工作频率应偏离其谐振频率，偏移量由腔体的空载品质因数Q0、腔体并联阻抗R以及传输线的特性阻抗Zc来决定。为了使式(6)得到满足，耦合电容的大小必须使式(4)为零，也就是说腔体和耦合电容必须同时调谐，这一点是很难达到的，实际工作中只是令其近似地得到满足。
将式(3)代入式(5)，可以得到腔体工作频率与腔体谐振频率的比值：
将式(3)代入式(5)，可以得到所需要的耦合电容与腔体等效电容的比值
在耦合电容相对于腔体等效电容很小的情况下(对高频腔体，此条件几乎全部满足)，由于耦合电容的引入，腔体谐振频率的相对变化(Δf)和耦合电容与腔体等效电容的变化满足
从频率的变化量就可以得到耦合电容的大小。
本发明的实施方法和步骤主要如下：
1)根据谐振腔物理设计分析，计算出耦合装置电容盘的有效尺寸、位置；
2)在谐振腔下端开孔伸出耦合装置电容盘；
3)将耦合装置中同轴波导外导体与谐振腔连接，将同轴波导内导体与电容盘连接，确保电容盘上端与同轴波导内导体电接触良好，同轴波导外导体与腔体电接触良好；
4)同轴波导内导体中布置液冷管道；
5)陶瓷环安装在同轴波导内导体与外导体之间，确保空气不能经过同轴波导进入谐振腔；
6)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同轴波导馈线输入端，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 (6)

1.超导回旋加速器谐振腔容性耦合匹配方法，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，计算出耦合装置的电容盘有效尺寸和位置；所述耦合装置由同轴波导、电容盘、液冷管道、陶瓷环组成；
2)在谐振腔下端开孔伸出耦合装置的电容盘；
3)将耦合装置中同轴波导外导体与谐振腔连接，将同轴波导内导体与电容盘连接；
4)在同轴波导内导体中布置液冷管道；
5)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；
所述耦合装置采用垂直移动结构，通过馈线调节与谐振腔的耦合匹配；
垂直移动所述电容盘，调节电容盘相对于与谐振腔内DEE板的垂直距离，从而改变耦合量使得腔体与同轴波导50欧阻抗匹配；
所述DEE板与内杆垂直连接，内杆竖直贯穿谐振腔；位于内杆左侧的谐振腔内放置有探针，谐振腔通过探针耦合反馈信号给控制***；谐振腔与DEE板一端面之间设有调谐电容板，水平移动调谐电容板，改变谐振腔的谐振频率；所述谐振腔底部伸入有同轴波导内导体，谐振腔连接同轴波导外导体；所述电容盘与同轴波导内导体连接，位于同轴波导顶端。
2.根据权利要求1所述的超导回旋加速器谐振腔容性耦合匹配方法，其特征在于，所述同轴波导由内导体和外导体构成，内导体与电容盘连接，外导体与谐振腔腔体连接。
3.根据权利要求1所述的超导回旋加速器谐振腔容性耦合匹配方法，其特征在于，所述液冷管道布置在同轴波导内导体中，具***置为沿内导体中轴线贯穿内导体。
4.根据权利要求1所述的超导回旋加速器谐振腔容性耦合匹配方法，其特征在于，所述陶瓷环位于同轴波导内。
5.根据权利要求1所述的超导回旋加速器谐振腔容性耦合匹配方法，其特征在于，所述电容盘与同轴波导内导体连接，且位于同轴波导顶端；所述电容盘与同轴波导内导体电接触良好，同轴波导外导体与腔体电接触良好。
6.根据权利要求1所述的超导回旋加速器谐振腔容性耦合匹配方法，其特征在于，谐振腔内部，所述同轴波导内导体连接的电容盘放置到电场最强的区域来激励谐振腔内产生所需要的场，电容盘在电场强区与谐振腔形成能量耦合。
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