CN110035597B - 一种变频非调谐腔结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变频非调谐腔结构，包括：至少两个基础同轴谐振腔单元；基础同轴谐振腔单元依次并列排布；每一个基础同轴谐振腔单元包括以同轴方式相连接的第一谐振腔和第二谐振腔，以及以同轴方式设置于第一谐振腔和第二谐振腔之间的加速间隙；第一谐振腔和第二谐振腔内均同轴的设置有束流管道，第一谐振腔内的束流管道与第二谐振腔内的束流管道在加速间隙内呈间隔设置，以形成基础同轴谐振腔单元内的加速缝，在加速缝的外部套置陶瓷绝缘套管，绝缘陶瓷套管的两端分别与对应侧的束流管道的端部连接；相邻两基础同轴谐振腔单元之间的束流管道相互连接；外部功率源通过传输线与所有基础同轴谐振腔单元内的加速缝连接。

Description

一种变频非调谐腔结构

技术领域

本发明涉及一种变频非调谐腔结构，特别涉及一种磁合金材料加载的变频非调谐腔结构，属于同步加速器高频加载腔技术领域。

背景技术

同步加速器是目前高能加速器领域应用最为广泛的一类加速器，在航天、生物、材料及粒子治疗等领域具有广泛的应用。高频腔作为同步加速器最重要的组成部分，是对重离子、质子等带电粒子进行俘获、加速、减速、旋转以及压缩等纵向与横向操作的最主要场所：高频腔能够接受来自功率源馈入的功率，并利用该功率在腔体内的加速间隙中形成所需的高频、高压电场，重离子、质子等带电粒子进入高频腔体后在加速间隙处与该电场发生相互作用从而得到所需要的重离子、质子等带电粒子束流。

同步加速器高频腔的现有技术主要分为铁氧体材料加载的变频调谐腔以及磁合金材料加载的变频非调谐腔。铁氧体材料加载的变频调谐腔属于同步加速器中发展较早、技术较为传统、应用较为广泛的一类高频腔，但其具有较为明显的缺陷，如***结构复杂、只能工作于调谐(谐振)状态、频带窄、加速梯度低等；磁合金材料加载的变频非调谐腔是目前同步加速器中较为先进的一种高频腔，与传统的铁氧体材料加载的变频调谐腔相比，其具有***简洁无需调谐、可以工作于失谐状态、频带宽、加速梯度高等优势。

国内对磁合金材料加载的变频非调谐腔实际工作开展较少，目前只有中科院近代物理研究所、上海与清华开展了研究工作，并已各自成功加工磁合金材料加载变频非调谐腔。国内目前已有的磁合金材料加载变频非调谐腔的结构原理图，如图1所示，这三台腔体均采用单加速间隙结构、强风冷却，工作电压最高不超过2kV，磁合金材料最大尺寸(外直径)均不超过φ460mm，加速梯度均不超过3kV/m。可以看出，国内现有的磁合金材料加载变频非调谐腔结构存在以下缺陷：①工作电压与加速梯度低的，无法从腔体电压与加速梯度方面体现出磁合金材料加载的变频非调谐腔相对于铁氧体材料加载的变频调谐腔所具有的优势。②随着所需工作电压的提高，如果继续采用国内目前的磁合金材料加载变频非调谐腔现有技术，则腔体所需加载的磁合金材料、腔体纵向长度等均会成倍增长，导致腔体电长度不断增加，从而令腔体短路端与开路端电压差距过大，加速梯度并不会有明显的提升。③随着所需工作电压的提高，腔体损耗功率会随着电压平方的关系迅速增加，使得强风不能满足磁合金材料的冷却要求，材料内部的温度会迅速接近其自身的居里温度，导致材料性能下降，从而会陷入腔体功率损耗进一步增大、材料高频损耗继续增大的恶性循环。④磁合金材料最大尺寸(外直径)不超过φ460mm，磁合金材料性能有限，无法从材料性能方面提升腔体加速梯度等指标。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种大功率宽频带高电压磁合金材料加载多加速间隙液冷变频非调谐腔结构，该结构能够有效的提高腔体所提供的工作电压与加速梯度、明显的降低磁合金材料的温度、在同等频率与电压下压缩腔体的安装长度与所加载磁合金材料的数量。将该结构应用于同步加速器高频加载腔，能够实现同步加速器输出更高能量的强流重离子、质子等带电粒子束流。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，一种变频非调谐腔结构，其特征在于，包括：

至少两个基础同轴谐振腔单元；所述基础同轴谐振腔单元依次并列排布；每一个所述基础同轴谐振腔单元包括以同轴方式相连接的第一谐振腔和第二谐振腔，以及以同轴方式设置于所述第一谐振腔和第二谐振腔之间的加速间隙；所述第一谐振腔和第二谐振腔内均同轴的设置有束流管道，所述第一谐振腔内的束流管道与所述第二谐振腔内的束流管道在所述加速间隙内呈间隔设置，以形成所述基础同轴谐振腔单元内的加速缝，在所述加速缝的外部套置陶瓷绝缘套管，所述绝缘陶瓷套管的两端分别与对应侧的所述束流管道的端部连接；相邻两所述基础同轴谐振腔单元之间的所述束流管道相互连接；

外部功率源通过传输线与所有所述基础同轴谐振腔单元内的加速缝连接，以使所述外部功率源末级输出的功率同时馈入所有所述基础同轴谐振腔单元内，并加载在每一所述基础同轴谐振腔单元内的加速缝的两端。

优选地，所述第一谐振腔和第二谐振腔的结构相同，均包括：

内导体，所述内导体内形成有圆柱形空腔；所述束流管道安装在所述内导体内的圆柱形空腔中；

外导体，设置于所述内导体的外部；

磁合金环，多个所述磁合金环设置在内导体和外导体之间并沿束流管道的轴向间隔分布；

所述内导体和外导体轴向的两端面封闭，以形成封闭式的第一谐振腔和第二谐振腔，所述第一谐振腔和第二谐振腔内均充满有冷却液。

优选地，在所述第一谐振腔和第二谐振腔的外导体上均设置冷却液入口和冷却液出口；在所述第一谐振腔和第二谐振腔的外导体上均设置漏液阀和出气阀。

优选地，所述第一谐振腔和第二谐振腔均采用四分之一波长同轴谐振腔，所述第一谐振腔和第二谐振腔的短路端均与其自身的内外导体之间形成高频接触；所述第一谐振腔和第二谐振腔的开路端呈相向设置，所述第一谐振腔和第二谐振腔的开路端均采用绝缘介质圆盘进行封闭，所述绝缘介质圆盘上开设供束流管道穿过的通孔；所述加速间隙位于第一谐振腔的开路端以及第二谐振腔的开路端之间，所述加速间隙的外导体与所述第一谐振腔、第二谐振腔的外导体之间均形成良好的高频接触；所述束流管道和与之对应的所述第一谐振腔以及第二谐振腔的短路端之间形成良好的高频接触。

优选地，所述第一谐振腔和第二谐振腔内的磁合金环的数量相同，多个所述磁合金环根据其性能从高到低的顺序在所述第一谐振腔或所述第二谐振腔内的开路端向短路端依次间隔分布。

优选地，在所述内导体和外导体之间的一端设置短路端板，形成所述第一谐振腔或第一谐振腔上的短路端，在与所述短路端同侧的所述外导体和内导体的端面上开设容置槽，所述容置槽内放置高频弹簧，所述短路端板压紧设置在与其同侧的所述内导体和外导体的端面上。

优选地，在与所述开路端接触的所述绝缘介质圆盘的端面上开设液体密封槽，所述液体密封槽内放置密封圈。

优选地，所述外部功率源的末级输出的两路反相信号通过两条大功率传输线与两条传输线直接相连，其中一条所述传输线分别与所有所述基本同轴谐振腔单元的加速缝的一端连接，另一条所述传输线分别与所有所述基本同轴谐振腔单元的加速缝的另一端连接。

或者，所述外部功率源通过一分二反相功率分配器分别与两条传输线相连，所述外部功率源的末级输出一路信号。

优选地，在所述绝缘陶瓷套管两侧的所述束流管道的外部分别设置金属圆盘，所述金属圆盘和所述束流管道或与之对应的所述第一或第二谐振腔的内导体之间形成良好的高频接触，所述金属圆盘和绝缘陶瓷套管固定连接。

优选地，还包括用于支撑所述变频非调谐腔结构的支架。

本发明采用以上技术方案，其具有如下优点：1、本发明提供的变频非调谐腔结构，包括并列排布的至少两基础同轴谐振腔单元，每一基础同轴谐振腔单元包括同轴连接的两谐振腔以及位于两谐振腔之间的加速间隙，相邻两基础同轴谐振腔单元之间的束流管道相连接，外部功率源通过传输线与所有同轴谐振腔单元内的加速缝连接，以使外部功率源输出的功率同时馈入所有基础同轴谐振腔单元内；从而形成大功率宽频带高电压磁合金材料加载多加速间隙的变频非调谐腔结构，能够有效的提高腔体所提供的工作电压与加速梯度。

2、本发明的谐振腔均为封闭式结构，谐振腔内设置磁合金环，在谐振腔内充满冷却液，通过直接冷却的方式对磁合金环进行冷却，在高电压、大功率状态下工作时，能够有效控制磁合金材料的温度上升，保证磁合金材料温度与性能的稳定；避免因功率损耗的提高而导致磁合金环的损坏，提高工作电压梯度。

3、本发明将外部功率源的功率均匀分配到所有基础同轴谐振腔单元的加速缝处，可以有效避免过大的工作电压带来的打火、击穿等现象；在相同频点与电压下，变频非调谐腔结构更紧凑、纵向长度更短，减少磁合金环加载数量。应用于同步加速器中能够有效节省同步加速器有限的纵向尺寸。

4、本发明应用于同步加速器内，能够实现同步加速器输出更高能量的强流重离子、质子等带电粒子束流或对带电粒子束流进行变能加速。

附图说明

图1是国内现有的磁合金材料加载变频非调谐腔的结构原理图；

图2是本发明变频非调谐腔结构的结构原理图；

图3是包含有三个基础同轴谐振腔单元的变频非调谐腔结构的示意图；

图4是图3中的A-A向剖面结构示意图；

图5是图3中的B-B向剖面结构示意图；

图6是图3的等轴侧结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

如图2～6所示，本发明提供一种变频非调谐腔结构，其包括：依次排列的至少两个基础同轴谐振腔单元1；每一基础同轴谐振腔单元1包括以同轴方式连接的谐振腔11和谐振腔12，以及以同轴方式设置于谐振腔11和谐振腔12之间的加速间隙13；谐振腔11和谐振腔12内均同轴设置有束流管道14，谐振腔11内的束流管道14和谐振腔12内的束流管道14在加速间隙13内呈间隔设置，从而形成基础同轴谐振腔1内的加速缝15，在加速缝15的外部套置陶瓷绝缘套管16，绝缘陶瓷套管16的两端分别与对应侧的束流管道14的端部连接；相邻两基础同轴谐振腔单元1之间的束流管道14之间相互连接；

外部功率源2通过传输线与所有同轴谐振腔单元1内的加速缝15连接，以使外部功率源2输出的功率同时馈入所有基础同轴谐振腔单元1内，并加载在每一基础同轴谐振腔单元1内的加速缝15的两端。

本发明在使用时，外部功率源2的输出功率通过传输线同时馈入所有基础同轴谐振腔单元1内，并加载在每一基础同轴谐振腔单元1内的加速缝15的两端，从而在每一加速缝15内均形成操作束流所需的射频电场，有效提高变频非调谐腔结构内的加速梯度和所能提供的最高工作电压。

进一步地，谐振腔11和谐振腔12的结构相同，均包括：

内导体102，内导体102内形成有圆柱形空腔，束流管道14安装在内导体102内的圆柱形空腔中；

外导体101，设置于内导体102的外部；

磁合金环103，多个磁合金环103设置在内导体102和外导体101之间并沿束流管道14的轴向间隔分布；

内导体102和外导体101轴向两端面封闭，从而形成封闭式的谐振腔11和谐振腔12，谐振腔11和谐振腔12内均充满有冷却液；

通过直接冷却的方式对磁合金环本体103进行冷却，能够及时有效地降低磁合金环103的温度，避免因为功率损耗的提高而导致磁合金环103的损坏，提高工作电压梯度；使得谐振腔可以在高电压梯度(＞20kV/m)、高功率密度(≥0.4W/cc)、宽频带(≥5倍频)状态下正常工作。

进一步地，在谐振腔11和谐振腔12的外导体101上均设置冷却液入口4和冷却液出口3，以方便向谐振腔11和谐振腔12内加入冷却液，并让冷却液充分流动。在谐振腔11和谐振腔12的外导体101上均设置漏液阀5和出气阀6。

进一步地，谐振腔11和谐振腔12的结构相同，均采用四分之一波长同轴谐振腔，谐振腔11和谐振腔12的短路端7均与其自身的内外导体之间形成良好的高频接触；谐振腔11的开路端和谐振腔12的开路端8呈相向设置，谐振腔11和谐振腔12的开路端均采用绝缘介质圆盘9进行封闭，绝缘介质圆盘9上开设供束流管道14穿过的通孔；加速间隙13位于谐振腔11的开路端8以及谐振腔12的开路端8之间，加速间隙13的外导体与谐振腔11、12的外导体101之间均形成良好的高频接触。

进一步地，谐振腔11和谐振腔12内的磁合金环103的数量相同，多个磁合金环103根据其性能从高到低按顺序在谐振腔11或谐振腔12内的开路端8向短路端7依次间隔分布，磁合金环103的尺寸数量与性能指标则需根据谐振腔具体的设计要求来决定。

进一步地，束流管道14安装在内导体102内的圆柱形空腔中，且其位置确定后要求与圆柱形空腔固定，具体固定方法根据具体情况而定；束流管道14和与之对应的谐振腔11与12的短路端之间形成良好的高频接触。

进一步地，高频接触可采用开槽添加高频弹簧的方式来实现。

进一步地，在内导体102和外导体101之间的一端设置短路端板10，从而形成谐振腔11和谐振腔12上的短路端7，在与短路端7同侧的外导体101和内导体102的端面上开设容置槽(图中未示出)，容置槽内放置高频弹簧，短路端板10压紧设置在与其同侧的内导体102和外导体101的端面上；由于高频弹簧受压回弹，使得短路端板10的端面和内导体102以及外导体101的端面始终保持良好接触，从而谐振腔11和谐振腔12的短路端7均与其自身的内外导体之间形成良好的高频接触；

进一步地，在与开路端8接触的绝缘介质圆盘9的端面上开设液体密封槽(图中未示出)，液体密封槽内放置密封圈，保证冷却液无渗漏。

进一步地，外部功率源2与变频非谐振腔结构的连接方式为直接耦合，具体为：外部功率源2输出的两路反相信号通过两条大功率传输线20与两条传输线21(BusBar)直接相连，其中一条传输线21分别与所有基本同轴谐振腔单元1的加速缝15的一端连接，另一条传输线21分别与所有基本同轴谐振腔单元1的加速缝15的另一端连接；这样，变频非谐振腔结构所需的功率可通过传输线21同时并联的馈入所有基本同轴谐振腔单元1内；所述大功率传输线的指标尺寸等需根据具体的设计要求来确定。

进一步地，外部功率源2通过一分二反相功率分配器分别与两条传输线21相连，外部功率源2的末级输出一路信号经过一分二反相功率分配器分为两路反相信号，并传入两条传输线21内。

进一步地，金属陶瓷焊接16的两端分别与对应侧的束流管道14的端部之间采用金属陶瓷焊接方式连接。

进一步地，在绝缘陶瓷套管16两侧的束流管道14的外部分别设置金属圆盘17，金属圆盘17和束流管道14或与之对应的谐振腔11或12的内导体102之间形成良好的高频接触，金属圆盘17和绝缘陶瓷套管16固定连接，以方便连接传输线(BusBar)以及其他电路结构。

进一步地，本发明还包括用于支撑变频非调谐腔结构的支架18。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的。在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进或等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种变频非调谐腔结构，其特征在于，包括：

至少两个基础同轴谐振腔单元（1）；所述基础同轴谐振腔单元（1）依次并列排布；每一个所述基础同轴谐振腔单元（1）包括以同轴方式相连接的第一谐振腔（11）和第二谐振腔（12），以及以同轴方式设置于所述第一谐振腔（11）和第二谐振腔（12）之间的加速间隙（13）；所述第一谐振腔（11）和第二谐振腔（12）内均同轴的设置有束流管道（14），所述第一谐振腔（11）内的束流管道（14）与所述第二谐振腔（12）内的束流管道（14）在所述加速间隙（13）内呈间隔设置，以形成所述基础同轴谐振腔单元（1）内的加速缝（15），在所述加速缝（15）的外部套置陶瓷绝缘套管（16），所述陶瓷绝缘套管（16）的两端分别与对应侧的所述束流管道（14）的端部连接；相邻两所述基础同轴谐振腔单元（1）之间的所述束流管道（14）相互连接；

外部功率源（2）通过传输线与所有所述基础同轴谐振腔单元（1）内的加速缝（15）连接，以使所述外部功率源（2）末级输出的功率同时馈入所有所述基础同轴谐振腔单元（1）内，并加载在每一所述基础同轴谐振腔单元（1）内的加速缝（15）的两端；

所述第一谐振腔（11）和第二谐振腔（12）的结构相同，均包括：

内导体（102），所述内导体（102）内形成有圆柱形空腔，所述束流管道（14）安装在所述内导体（102）内的圆柱形空腔中；

外导体（101），设置于所述内导体（102）的外部；

磁合金环（103），多个所述磁合金环（103）设置在内导体（102）和外导体（101）之间并沿所述束流管道（14）的轴向间隔分布；

所述内导体（102）和外导体（101）轴向的两端面封闭，以形成封闭式的第一谐振腔（11）和第二谐振腔（12），所述第一谐振腔（11）和第二谐振腔（12）内均充满有冷却液；

在所述内导体（102）和外导体（101）之间的一端设置短路端板（10），从而形成所述第一谐振腔（11）或第一谐振腔（12）上的短路端（7），在与所述短路端（7）同侧的所述外导体（101）和内导体（102）的端面上开设容置槽，所述容置槽内放置高频弹簧，所述短路端板（10）压紧设置在与其同侧的所述内导体（102）和外导体（101）的端面上；

所述第一谐振腔（11）和第二谐振腔（12）均采用四分之一波长同轴谐振腔，所述第一谐振腔（11）和第二谐振腔（12）的短路端（7）均与其自身的内外导体之间形成高频接触；所述第一谐振腔（11）和第二谐振腔（12）的开路端（8）呈相向设置，所述第一谐振腔（11）和第二谐振腔（12）的开路端均采用绝缘介质圆盘（9）进行封闭，所述绝缘介质圆盘（9）上开设供束流管道（14）穿过的通孔；所述加速间隙（13）位于第一谐振腔（11）的开路端（8）以及第二谐振腔（12）的开路端（8）之间，所述加速间隙（13）的外导体与所述第一谐振腔（11）、第二谐振腔（12）的外导体（101）之间均形成良好的高频接触；所述束流管道（14）和与之对应的所述第一谐振腔（11）以及第二谐振腔（12）的短路端之间形成良好的高频接触。

2.如权利要求1所述的一种变频非调谐腔结构，其特征在于：在所述第一谐振腔（11）和第二谐振腔（12）的外导体（101）上均设置冷却液入口（4）和冷却液出口（3）；在所述第一谐振腔（11）和第二谐振腔（12）的外导体（101）上均设置漏液阀（5）和出气阀（6）。

3.如权利要求1所述的一种变频非调谐腔结构，其特征在于：所述第一谐振腔（11）和第二谐振腔（12）内的磁合金环（103）的数量相同，多个所述磁合金环（103）根据其性能从高到低按顺序在所述第一谐振腔（11）或所述第二谐振腔（12）内的开路端（8）向短路端（7）依次间隔分布。

4.如权利要求1所述的一种变频非调谐腔结构，其特征在于：在与所述开路端（8）接触的所述绝缘介质圆盘（9）的端面上开设液体密封槽，所述液体密封槽内放置密封圈。

5.如权利要求1所述的一种变频非调谐腔结构，其特征在于：所述外部功率源（2）的末级输出的两路反相信号通过两条大功率传输线（20）与两条传输线（21）直接相连，其中一条所述传输线（21）分别与所有所述基础同轴谐振腔单元（1）的加速缝（15）的一端连接，另一条所述传输线（21）分别与所有所述基础同轴谐振腔单元（1）的加速缝（15）的另一端连接；

或者，所述外部功率源（2）通过一分二反相功率分配器分别与两条传输线（21）相连，所述外部功率源（2）的末级输出一路信号。

6.如权利要求1所述的一种变频非调谐腔结构，其特征在于：在所述陶瓷绝缘套管（16）两侧的所述束流管道（14）的外部分别设置金属圆盘（17），所述金属圆盘（17）和所述束流管道（14）或与之对应的所述第一谐振腔（11）或所述第二谐振腔（12）的内导体（102）之间形成良好的高频接触，所述金属圆盘（17）和陶瓷绝缘套管（16）固定连接。

7.如权利要求1至6任一项所述的一种变频非调谐腔结构，其特征在于：还包括用于支撑所述变频非调谐腔结构的支架（18）。

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