CN116456567B - 用于超导ecr离子源的冷却结构及水冷弧腔组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于超导ECR离子源的冷却结构及水冷弧腔组件，用于超导ECR离子源的冷却结构包括：弧腔外筒及弧腔内筒，弧腔外筒包括薄壁外筒结构及位于薄壁外筒结构轴向一端外侧的外侧法兰，外侧法兰沿周向间隔地设有多个通水孔；弧腔内筒包括供薄壁外筒结构套设的薄壁内筒结构、及位于薄壁内筒结构远离外侧法兰的端部的内侧法兰，内侧法兰中间开设有设置等离子体引出电极的安装位且内部围绕安装位设置有相独立的多个折弯管路；并且，薄壁外筒结构与薄壁内筒结构相配合形成有与通水孔分别连通的多个独立孔道，一个折弯管路与其中至少两个独立孔道连通以能够形成进水管路和出水管路。本发明能够充分冷却超导ECR离子源弧腔及等离子体电极。

Description

用于超导ECR离子源的冷却结构及水冷弧腔组件

技术领域

本发明涉及超导ECR离子源约束装置技术领域，尤其涉及一种用于超导ECR离子源的冷却结构及水冷弧腔组件。

背景技术

在常温线圈或全永磁ECR离子源中，通常使用较低微波功率(小于2KW)，较低频率(小于18GHz)。这种离子源弧腔水冷设计采用的是直筒单路进出，且对等离子体电极未进行冷却，在较低磁场、较低微波频率、较低微波功率的工况下是能满足要求的。

由于物理用户需求高电荷态、重的离子束比如Bi³¹⁺，需要研制高电荷态超导ECR离子源，微波工作功率为5KW。而该离子源弧腔长度与体积都远远大于常规离子源的设计，因此原来的弧腔设计已经不能满足更高要求的离子源。因此需要提供一种能够充分冷却超导ECR离子源弧腔及等离子体电极的冷却结构。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于超导ECR离子源的冷却结构及水冷弧腔组件，旨在能够充分冷却超导ECR离子源弧腔及等离子体电极的冷却结构。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

根据本发明第一方面实施例的一种用于超导ECR离子源的冷却结构，包括：弧腔外筒，包括薄壁外筒结构及位于所述薄壁外筒结构轴向一端外侧的外侧法兰，所述外侧法兰沿周向间隔地设有多个通水孔；弧腔内筒，包括供所述薄壁外筒结构套设的薄壁内筒结构、及位于所述薄壁内筒结构远离所述外侧法兰的端部的内侧法兰，所述内侧法兰中间开设有设置等离子体引出电极的安装位且内部围绕所述安装位设置有相独立的多个折弯管路；并且，所述薄壁外筒结构与所述薄壁内筒结构相配合形成有与多个所述通水孔分别连通的多个独立孔道，一个所述折弯管路与其中至少两个所述独立孔道连通以能够形成进水管路和出水管路。

根据本发明的一些实施例，所述通水孔及所述独立孔道沿周向均匀地设置为六个，所述折弯管路沿周向均匀地设置为三个，每两个所述独立孔道与同一个所述折弯管路连通。

根据本发明的一些实施例，所述内侧法兰包括：位于外周向的外周壁体；位于中间的中间壁体，所述中间壁体的中间位置开设所述安装位，所述中间壁体具有凸出端用以与所述外周壁体连接而形成所述折弯管路，所述折弯管路相远离的两端分别形成进水口以连通所述进水管路、及出水口以连通所述出水管路；及挡水柱，所述挡水柱的一端设于所述进水口与所述出水口之间的所述外周壁体、另一端朝所述折弯管路内部延伸且与中间壁体形成过水口。

根据本发明的一些实施例，所述挡水柱与所述外周壁体适于可拆卸连接。

根据本发明的一些实施例，位于所述进水口与所述出水口正中间的所述外周壁体上钻设固定圆孔，所述挡水柱设置为圆柱状而适于插接于所述固定圆孔；所述薄壁外筒结构覆盖至所述挡水柱的外侧以抵接所述挡水柱。

根据本发明的一些实施例，所述薄壁内筒结构的外周壁面与所述薄壁外筒结构的内壁面相贴合，且其中的一者开设六个沿周向均布的通水槽，另一者适于盖合所述通水槽的部分开口而形成所述独立孔道，所述通水槽两端的开口分别与所述通水孔和所述内侧法兰设置的进水口及出水口对应。

根据本发明的一些实施例，所述薄壁内筒结构与所述薄壁外筒结构通过紧密的滑动配合实现装配。

根据本发明第二方面实施例的一种水冷弧腔组件，用于离子源约束等离子体，所述水冷弧腔组件包括：上述任一项所述的用于超导ECR离子源的冷却结构；及等离子体引出电极，所述安装位设置为安装过孔，所述等离子体引出电极可拆卸设于所述安装过孔且中间开设有通孔，所述等离子体引出电极靠近所述薄壁内筒结构内部空间的一侧为平面，相背离的另一侧设置为符合离子引出所需电场的锥面。

根据本发明的一些实施例，所述等离子体引出电极包括柱形本体及设于所述柱形本体一端外周沿的凸环，所述柱形本体中间设置所述通孔；所述安装位设置为阶梯孔，所述阶梯孔包括靠近所述薄壁内筒结构内部空间的第一孔段、及背离所述薄壁内筒结构内部空间的第二孔段，所述第一孔段适于设置所述柱形本体，所述第二孔段适于设置所述凸环。

根据本发明的一些实施例，所述柱形本体的外周面与所述第一孔段的孔壁紧密接触。

根据本发明的一些实施例，所述凸环通过螺钉锁附于所述第二孔段。

本发明由于采取以上技术方案，其具有至少以下优点：

一、自外侧法兰上所设置的一些通水孔输入冷却水，该冷却水依次流经与该通水孔连通的独立孔道、与该独立孔道连通的折弯管路、与该折弯管路连通的另外的独立孔道、以及与该另外的独立孔道连通的通水孔，从而能够兼具对薄壁内筒结构及内侧法兰进行冷却的效果；

二、冷却水的持续流动能够进行有效冷却；

三、流经折弯管路的冷却水能够对安装位上的等离子体引出电极进行吸热而进行冷却；

四、多个独立孔道之间被隔开从而避免进水管路与出水管路之间形成水路短路，且多个折弯管路围绕安装位相独立设置，避免彼此之间的冷却水发生混流；

五、根据离子源磁场特性，将多个独立孔道设置为经过弱场分布位置，能够对这些弱场位置进行充分冷却。

附图说明

图1是本发明一些实施例的水冷弧腔组件的剖面示意图；

图2是本发明一些实施例的水冷弧腔组件的另一剖面示意图；

图3是本发明一些实施例的水冷弧腔组件的再一剖面示意图；

图4是本发明一些实施例的水冷弧腔组件中的弧腔内筒的结构示意图；

图5是本发明一些实施例的水冷弧腔组件中的弧腔外筒的结构示意图；

图6是本发明一些实施例的水冷弧腔组件中的等离子体引出电极的结构示意图；

图7是图6所示的等离子体引出电极的另一视角的结构示意图。

附图中标记：

100、弧腔外筒；

110、薄壁外筒结构；

120、外侧法兰；

130、通水孔；

140、独立孔道；

200、弧腔内筒；

210、薄壁内筒结构；

220、内侧法兰；

221、安装位；

230、折弯管路；

240、中间壁体；

300、挡水柱；

400、等离子体引出电极；

410、柱形本体；

420、凸环；

430、通孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明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，本领域普通技术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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的***或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“装配”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供一种用于超导ECR离子源的冷却结构及水冷弧腔组件，旨在解决超导ECR离子源的充分冷却问题，并能够有效提高超导ECR离子源的产额以及优化离子源性能。基于本发明的实施例和有益效果，离子源在5KW微波功率下能可靠工作，其能够提供诸如Bi³¹⁺强流高电荷态离子束流，在国际上可达到领先水平，在中科院近代物理研究所的大科学装置HIRFL上起到不可替代的作用。

下面，结合附图对本发明实施例提供的用于超导ECR离子源的冷却结构及水冷弧腔组件进行详细的说明。

实施例1:

参照图1至图5所示，根据本发明第一方面实施例的用于超导ECR离子源的冷却结构包括：弧腔外筒100及弧腔内筒200；弧腔外筒100包括薄壁外筒结构110及位于薄壁外筒结构110轴向一端外侧的外侧法兰120，外侧法兰120沿周向间隔地设有多个通水孔130；弧腔内筒200包括供薄壁外筒结构110套设的薄壁内筒结构210、及位于薄壁内筒结构210远离外侧法兰120的端部的内侧法兰220，内侧法兰220中间开设有设置等离子体引出电极400的安装位221且内部围绕安装位221设置有相独立的多个折弯管路230；并且，薄壁外筒结构110与薄壁内筒结构210相配合形成有与多个通水孔130分别连通的多个独立孔道140，一个折弯管路230与其中至少两个独立孔道140连通以能够形成进水管路和出水管路。

在本实施例中，多个独立孔道140及通水孔130按照折弯分为多组，每组的独立孔道140及通水孔130均可以设置为至少两个，其中，至少一个独立孔道140及通水孔130用于进水，另有至少一个独立孔道140及通水孔130用于出水，也即每组独立孔道140及通水孔130与一个折弯管路230形成有至少一个进水管路和至少一个出水管路。可以理解地，每组独立孔道140及通水孔130与一个折弯管路230为一个独立的冷却单元，可选地，根据实际需要设置不同数量的冷却单元，和/或，设置冷却单元包括不同数量的独立孔道140及通水孔130。

具体地，自外侧法兰120上所设置的一些通水孔130输入冷却水，冷却水依次流经与该通水孔130连通的独立孔道140、与该独立孔道140连通的折弯管路230、与该折弯管路230连通的另外的独立孔道140、以及与该另外的独立孔道140连通的通水孔130，从而能够兼具对薄壁内筒结构210及内侧法兰220进行冷却的效果。需要说明的是，在冷却水流动时，其能够直接吸收弧腔内筒200的热量。

进一步地，冷却水被驱动能够持续流动，从而对所流经的位置进行有效冷却。考虑到等离子体引出电极400的降温需要，弯折管路紧密围绕安装位221设置，使得流经折弯管路230的冷却水能够对设于安装位221上的等离子体引出电极400进行吸热而进行有效冷却。

更进一步地，多个独立孔道140之间被隔开从而避免进水管路与出水管路之间形成水路短路，且多个折弯管路230围绕安装位221相独立设置，避免彼此之间的冷却水发生混流。

值得指出的是，本发明实施例的用于超导ECR离子源的冷却结构，根据离子源磁场特性计算出弱场分布位置，从而将多个独立孔道140设置为经过这些弱场分布位置，从而能够对该弱场处进行充分冷却。

可选地，参照图1至图4所示，在本实施例中，通水孔130及独立孔道140沿周向均匀地设置为六个，折弯管路230沿周向均匀地设置为三个，每两个独立孔道140与同一个折弯管路230连通。如此地，可以根据ECR离子源的磁场特性对六个弱场处进行充分冷却。

具体地，在本实施例中，独立孔道140在薄壁内筒结构210的周向上两两间隔60度布设，且独立孔道140设置为沿薄壁内筒结构210的轴向延伸。可选地，内侧法兰220在周向上划分等分的三个模块用以分别设置三个折弯管路230。

然本设计不限于此，在其他实施例中，通水孔130及独立孔道140沿周向均匀地设置为其他数量，例如12个，折弯管路230的设置方式以及与独立孔道140的连接方式作适应性调整，以保证冷却效果为准，不作具体限定。

可选地，参照图1至图4所示，在本实施例中，内侧法兰220包括：位于外周向的外周壁体；位于中间的中间壁体240，中间壁体240的中间位置开设安装位221，中间壁体240具有凸出端用以与外周壁体连接而形成折弯管路230，折弯管路230相远离的两端分别形成进水口以连通进水管路、及出水口以连通出水管路；及挡水柱300，挡水柱300的一端设于进水口与出水口之间的外周壁体、另一端朝折弯管路230内部延伸且与中间壁体240形成过水口。可以理解地，设置挡水柱300能够限定冷却水从靠近中间壁体240的过水口流过，也即能够使得每一路流动的冷却水都拐弯流经靠近等离子体引出电极400的区域，从而增大冷却效果。

可选地，中间壁体240的截面呈类似于三角形的形状，其具有的三个凸出端连接外周壁体，从而能够与外周壁体围合形成三个独立的折弯管路230区域。

不失一般性地，在本实施例中，挡水柱300与外周壁体适于可拆卸连接。如此地，通过可拆卸的连接方式能够简化加工工艺，无需一体加工，降低了加工成本，另外地，还能够便于挡水柱300的更换。需要指出的是，挡水柱300与外周壁体可拆卸连接理解为：在弧腔外筒100套设弧腔内筒200前，挡水柱300与外周壁体为互相可拆卸的连接结构。

然本设计不限于此，在其他实施例中，挡水柱300与外周壁体也可以通过一体成型的工艺连接。

进一步地，参照图1及图3所示，在本实施例中，位于进水口与出水口正中间的外周壁体上钻设固定圆孔，挡水柱300设置为圆柱状而适于插接于固定圆孔；薄壁外筒结构110覆盖至挡水柱300的外侧以抵接挡水柱300。如此地，可以作为实现挡水柱300与外周壁体可拆卸连接的可选方式。

具体地，在本实施例中，挡水柱300能够将折弯管路230均分为两部分，以分别用于进水和出水。挡水柱300的尺寸及形状与固定圆孔的尺寸及形状相适配，当挡水柱300***置于固定圆孔其外周面能够密封固定圆孔。挡水柱300可以通过设置限位阶梯面等方式与固定圆孔实现轴向上的限位，同时也可以通过薄壁外筒结构110的抵接作用实现限位固定及增强密封效果。

可选地，参照图1至图4所示，在本实施例中，薄壁内筒结构210的外周壁面与薄壁外筒结构110的内壁面相贴合，且其中的一者开设六个沿周向均布的通水槽，另一者适于盖合通水槽的部分开口而形成独立孔道140，通水槽两端的开口分别与通水孔130和内侧法兰220设置的进水口及出水口对应。如此地，可以作为设置独立孔道140的可选方式，在本实施例中，通水槽开设于结构表面，加工方式简便易行，例如可以通过铣槽的方式加工。

示例性地，在薄壁内筒结构210的外周壁面开设六个沿周向均布的通水槽，通水槽具有朝向外侧方向的开口，外侧法兰120上设置的通水孔130延伸至薄壁外筒结构110的内壁面并与通水槽的端部开口连通，薄壁外筒结构110的内壁面盖合通水孔130所连通的端部以外的开口，通水槽靠近内侧法兰220的端部槽底用以供进水口和出水口连通。

不失一般性地，在本实施例中，弧腔外筒100套设弧腔内筒200到位后，可以通过焊接工艺使两者牢固连接，且保证水路的密封性，防止漏水。

进一步地，在本实施例中，薄壁内筒结构210与薄壁外筒结构110通过紧密的滑动配合实现装配。可以理解地，在组装弧腔外筒100及弧腔内筒200时，通过薄壁内筒结构210与薄壁外筒结构110的相对滑动而实现装配，具有操作简便易行的优点，并且能够一并在实现形成独立孔道140。另外地，薄壁内筒结构210的外周壁面与薄壁外筒结构110的内壁面紧密相贴合，从而能够实现独立孔道140相独立。

实施例2:

参照图1至图7所示，根据本发明第二方面实施例的水冷弧腔组件，用于离子源约束等离子体且其包括：实施例1任一用于超导ECR离子源的冷却结构；及等离子体引出电极400，安装位221设置为安装过孔，等离子体引出电极400可拆卸设于安装过孔且中间开设有通孔430，等离子体引出电极400靠近薄壁内筒结构210内部空间的一侧为平面，相背离的另一侧设置为符合离子引出所需电场的锥面。其中，等离子体引出电极400上的锥面可选地被设置为具有特殊角度，以能够符合离子引出所需电场。

等离子体引出电极400可拆卸的设置方式能够便于拆装、更换等操作。

需要说明的是，上述对用于超导ECR离子源的冷却结构的实施例和有益效果的解释说明，也适用于本实施例的水冷弧腔组件，为避免冗余，在此不作详细展开。

进一步地，参照图6及图7所示，在本实施例中，等离子体引出电极400包括柱形本体410及设于柱形本体410一端外周沿的凸环420，柱形本体410中间设置通孔430；安装位221设置为阶梯孔，阶梯孔包括靠近薄壁内筒结构210内部空间的第一孔段、及背离薄壁内筒结构210内部空间的第二孔段，第一孔段适于设置柱形本体410，第二孔段适于设置凸环420。如此地，通过柱形本体410与阶梯孔的第一孔段的相适配可以保证冷却效果，凸环420一方面能够用于等离子体引出电极400的固定，另一方面也可以覆盖柱形本体410与阶梯孔的连接处以进一步保证冷却效果。

更进一步地，柱形本体410的外周面与第一孔段的孔壁紧密接触。

不失一般性地，在本实施例中，凸环420通过螺钉锁附于第二孔段，从而能够实现凸环420与内侧法兰220的可拆卸连接。具体地，第二孔段具有连接第一孔段的平面，该平面上设置多个相互间隔的螺纹孔，凸环420上间隔设置与螺纹孔相对应的多个孔用以供螺钉穿设而将凸环420锁附于第二孔段。螺钉锁附的方式具有拆装简便的优点，且能够方便地在弧腔外侧方向进行。

然本设计不限于此，在其他实施例中，凸环420也可以通过其他结构实现与第二孔段的可拆卸连接，例如通过旋扣的连接方式。

值得指出的是，在本发明实施例中，由于等离子体引出电极400与安装过孔设置为紧密配合的阶梯状，可以增大两者之间的热传导，从而提高对等离子体引出电极400的冷却效果。结合水冷结构的设置，本发明对于超导ECR离子源具有优秀的冷却效果。

需要说明的是，全文中的“和/或”包括三个方案，以“A和/或B”为例，包括A技术方案、B技术方案，以及A和B同时满足的技术方案。

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。

Claims (8)

1.一种用于超导ECR离子源的冷却结构，其特征在于，包括：

弧腔外筒，包括薄壁外筒结构及位于所述薄壁外筒结构轴向一端外侧的外侧法兰，所述外侧法兰沿周向间隔地设有多个通水孔；

弧腔内筒，包括供所述薄壁外筒结构套设的薄壁内筒结构、及位于所述薄壁内筒结构远离所述外侧法兰的端部的内侧法兰，所述内侧法兰中间开设有设置等离子体引出电极的安装位且内部围绕所述安装位设置有相独立的多个折弯管路；

并且，所述薄壁外筒结构与所述薄壁内筒结构相配合形成有与多个所述通水孔分别连通的多个独立孔道，一个所述折弯管路与其中至少两个所述独立孔道连通以能够形成进水管路和出水管路；

所述通水孔及所述独立孔道沿周向均匀地设置为六个，所述折弯管路沿周向均匀地设置为三个，每两个所述独立孔道与同一个所述折弯管路连通；

所述内侧法兰包括：

位于外周向的外周壁体；

位于中间的中间壁体，所述中间壁体的中间位置开设所述安装位，所述中间壁体具有凸出端用以与所述外周壁体连接而形成所述折弯管路，所述折弯管路相远离的两端分别形成进水口以连通所述进水管路、及出水口以连通所述出水管路；及

挡水柱，所述挡水柱的一端设于所述进水口与所述出水口之间的所述外周壁体、另一端朝所述折弯管路内部延伸且与中间壁体形成过水口。

2.根据权利要求1所述的用于超导ECR离子源的冷却结构，其特征在于，

所述挡水柱与所述外周壁体适于可拆卸连接。

3.根据权利要求2所述的用于超导ECR离子源的冷却结构，其特征在于，

位于所述进水口与所述出水口正中间的所述外周壁体上钻设固定圆孔，所述挡水柱设置为圆柱状而适于插接于所述固定圆孔；

所述薄壁外筒结构覆盖至所述挡水柱的外侧以抵接所述挡水柱。

4.根据权利要求1至3任一项所述的用于超导ECR离子源的冷却结构，其特征在于，

所述薄壁内筒结构的外周壁面与所述薄壁外筒结构的内壁面相贴合，且其中的一者开设六个沿周向均布的通水槽，另一者适于盖合所述通水槽的部分开口而形成所述独立孔道，所述通水槽两端的开口分别与所述通水孔和所述内侧法兰设置的进水口及出水口对应。

5.根据权利要求4所述的用于超导ECR离子源的冷却结构，其特征在于，

所述薄壁内筒结构与所述薄壁外筒结构通过紧密的滑动配合实现装配。

6.一种水冷弧腔组件，用于离子源约束等离子体，其特征在于，所述水冷弧腔组件包括：

根据权利要求1至5任一项所述的用于超导ECR离子源的冷却结构；及

等离子体引出电极，所述安装位设置为安装过孔，所述等离子体引出电极可拆卸设于所述安装过孔且中间开设有通孔，所述等离子体引出电极靠近所述薄壁内筒结构内部空间的一侧为平面，相背离的另一侧设置为符合离子引出所需电场的锥面。

7.根据权利要求6所述的水冷弧腔组件，其特征在于，

所述等离子体引出电极包括柱形本体及设于所述柱形本体一端外周沿的凸环，所述柱形本体中间设置所述通孔；

所述安装位设置为阶梯孔，所述阶梯孔包括靠近所述薄壁内筒结构内部空间的第一孔段、及背离所述薄壁内筒结构内部空间的第二孔段，所述第一孔段适于设置所述柱形本体，所述第二孔段适于设置所述凸环。

8.根据权利要求7所述的水冷弧腔组件，其特征在于，

所述柱形本体的外周面与所述第一孔段的孔壁紧密接触；和/或

所述凸环通过螺钉锁附于所述第二孔段。