CN102026469A - 一种单芯棒轮辐式超导加速腔及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单芯棒轮辐式超导加速腔及其制造方法，其特征在于：它包括圆柱形腔筒，腔筒由四个弧形板冲压焊接而成，其中一相对的弧形板上分别设置有一芯棒孔，另一相对的弧形板上分别穿设有一清洁管，两清洁管位于腔筒外侧的一端分别连接一法兰；腔筒的两端分别设置有一端盖；两端盖的表面中部内凹，且分别穿设一端盖束管，两端盖束管分别连接一法兰；腔筒内的两芯棒孔之间设置有一芯棒，芯棒为一薄壁腔，其中间段呈直筒形，两端呈对称的漏斗形，两漏斗形的端口分别对应设置在两芯棒孔内；芯棒的中间段穿设一中心束管，中心束管与两端盖束管位于同一轴线上。本发明采用横电磁波模式进行加速，可满足高梯度、高效率、高接受度、高稳定性等需求，可以用来加速全能量段的质子。

Description

一种单芯棒轮辐式超导加速腔及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种超导加速腔及其制造方法，特别是关于一种用于对强流质子进行加速的单芯棒轮辐式超导加速腔(超导Spoke腔)及其制造方法。

背景技术

随着加速器技术的发展，加速器在科研、医疗、环境保护、能源、以及国防安全等领域的应用将越来越广泛。根据各种不同应用领域的需求，对加速器提出了各种不同的技术要求。在加速器驱动次临界反应堆(ADS)的研究需求推动下，强流质子直线加速技术成为目前正需要快速发展的一类加速器技术。这主要因为它在核原料利用、核废料处理、核电站安全等问题上具有不可替代的优势，使得这种加速技术的需求变的迫切。而且强流质子直线加速在科学研究以及国家安全等方面，有着广阔的应用空间。

目前的质子直线加速装置仍采用常温的加速器技术。由于常温加速技术的自身特点和限制，加速器的热损耗很大，尤其是采取驻波加速结构的漂浮管直线加速器(DTL)，功率利用效率低；而且由于常温加速器性能的限制因素，在一定加速梯度要求下，常温加速器能加速的脉冲长度和重复频率有限，这限制了常温加速器能加速的束流平均流强。

由于常温加速器在上述方面的限制因素，强流质子直线加速需要向射频超导加速技术寻求解决办法。射频超导加速技术以其低腔壁电阻、低功率损耗；大束流孔径、高耦合度、低尾场效应；以及可以在长宏脉冲、甚至连续波模式下工作等优势，可以帮助解决强流加速的关键问题。由于质子加速时，加速粒子的β值(粒子的速度比光速的值)小于1，而且会随着加速的过程变化，因此加速结构中每个加速间隙的长度，需要根据所用加速度段粒子的β值而确定，以满足加速所需要的相位要求。由中国科学院高能物理研究所设计的扁椭球腔就是一类超导质子加速结构，如图4所示。该扁椭球腔是根据用于超导电子加速的β＝1的椭球腔，通过压缩加速间隙长度而设计得来的。由于这种结构会造成腔内电磁场储能空间狭小，腔壁上峰值表面电磁场很强，因此，会限制超导腔的加速梯度和实际运行时的稳定性。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于对强流质子进行加速的单芯棒轮辐式超导加速腔(超导Spoke腔)及其制造方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种单芯棒轮辐式超导加速腔，其特征在于：它包括圆柱形腔筒，所述腔筒的筒壁上对称设置有两个芯棒孔，间隔所述两个芯棒孔对称穿设有两清洁管，两所述清洁管位于所述腔筒外侧的一端分别连接一法兰；所述腔筒的两端分别设置有一端盖；两所述端盖的表面中部内凹，中心部位分别穿设一端盖束管，两所述端盖束管穿出两所述端盖连接一法兰；所述腔筒内的两所述芯棒孔之间设置有一芯棒，所述芯棒为一薄壁腔，其中间段呈直筒形，两端呈对称的漏斗形，两所述漏斗形的端口分别对应设置在两所述芯棒孔内；所述芯棒的中间段穿设一中心束管，所述中心束管与两所述端盖束管位于同一轴线上。

所述腔筒包括两对称设置的弧形马鞍过渡面和两对称设置的弧形侧面，两所述芯棒孔分别设置在两所述马鞍过渡面上，两所述清洁管分别设置在两所述侧面上；两马鞍过渡面和两侧面之间分别设置有一腔筒加强筋，

两所述端盖外侧的所述端盖束管上，间隔设置有若干端盖加强筋。

一种如权利要求1～3任一项所述单芯棒轮辐式超导加速腔的制造方法，其包括以下步骤：1)采用RRR值大于300的高纯铌材料材料，通过冲压模具制作出两个端盖，腔筒的两个弧形马鞍过渡面和两弧形侧面，以及组成芯棒的两个薄壁腔片；2)用车床加工出两个清洁管、一中心束管、两个端盖束管、四个法兰；线切割完成若干腔筒加强筋和端盖加强筋；3)用超声清洗装置，对经步骤1)和2)完成的零件进行超声清洗，清洗时间不小于40分钟；4)采用氢氟酸、硝酸、磷酸按1∶1∶2体积比组成的混合酸，对步骤3)中完成的零件进行化学清洗；化学清洗的酸液温度控制在20℃以内，清洗时间为10～40分钟；5)用电阻率不小于16MΩ·cm的超纯水清洗步骤4)中完成的零件，并在优于1000级的超净室中晾干；6)利用真空电子束焊机对经步骤5)得到的零件进行焊接，真空电子束焊机的工作电压为60KV，工作电流为5～50mA；焊接包括以下步骤：(1)将两端盖束管分别对应焊接在两端盖上；(2)将两个薄壁腔片焊接成芯棒，同时将中心束管与芯棒焊接；(3)将芯棒的两端对应焊接在腔筒两个马鞍过渡面的芯棒孔处；(4)将带芯棒的两个马鞍过渡面与两侧面焊接，完成腔筒；(5)将两端盖分别焊接在腔筒的两端，组成腔体；(6)将两清洁管分别对应焊接在腔筒的两侧面上；(7)将腔筒加强筋分别焊接在两个马鞍过渡面与两侧面的焊接处；将端盖加强筋分别焊接在两端盖以及两端盖束管上；(8)将法兰分别焊接在两清洁管和两端盖束管上；7)制造完成。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明将腔筒分成四件，分别冲压，并焊接成完整的外筒，而并非传统的整体卷制腔筒后进行翻口和焊接，这样做的优势在于：1、减少磁场峰值区的焊缝数量，减少本发明在运行时发生热磁失超的可能性。2、对于芯棒与马鞍过渡面之间的焊接，可以通过在腔的内表面进行，因为电子束焊接的正面成形比背面成形相对容易控制，可以改善这部分腔壁内表面的形貌。3、减少了清洁口两处翻口的加工工序，可以通过冲压一次完成，降低造价。本发明通过采用横电磁波模式(TEM Mode)进行加速，可以满足强流质子直线加速的高梯度、高效率、高接受度、高稳定性等需求，可以用来加速从β约等于0.1到β＝1、能量从2.5MeV到GeV量级的几乎全能量段的质子。

附图说明

图1是本发明立体结构示意图

图2是图1的纵剖剖视示意图

图3是本发明各加工件拆分示意图

图4是现有技术中扁椭球腔沿轴线的剖面示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1、图2所示，本发明包括一圆柱形腔筒1，腔筒1由两个对称设置的马鞍过渡面和两个对称设置的侧面组成。两对称设置的马鞍过渡面上分别设置有一芯棒孔2，两对称设置的侧面上分别设置有一清洁孔，两清洁孔分别连接一清洁管3，两清洁管3位于腔筒1外侧的一端分别连接一法兰4。腔筒1的两端分别设置有一端盖5，与腔筒1形成一腔体。两端盖5的表面中部内凹，中心部位分别设置有一个束管孔。两束管孔内分别连接一个端盖束管6，两个端盖束管6分别对应穿出两端盖5上的束管孔后，连接一法兰7，通过法兰7可以与外界装置连接。腔筒1内的两个芯棒孔2之间设置有一芯棒8，芯棒8为一薄壁腔，其中间段呈直筒形结构，两端呈对称的漏斗形结构，两漏斗形结构的端口分别对应设置在腔筒1的两芯棒孔2内，腔体和芯棒8之间形成加速腔9。芯棒8的中间段穿设并固定有一中心束管10(如图3所示)，中心束管10与两端盖束管6位于同一轴线上。

如图3所示，上述实施例中，腔筒1的两马鞍过渡面和两侧面均为弧形板11；腔筒1外、相邻两个弧形板11之间设置有一腔筒加强筋12(如图1所示)，腔筒加强筋12用于增强腔体的机械强度和稳定性。

如图1所示，上述实施例中，端盖5外侧的两端盖束管6上，间隔设置有若干用于增强腔体的机械强度和稳定性的呈直角梯形的端盖加强筋13，各端盖加强筋13以端盖束管6为中心，呈发散状分布，其直角边固定在端盖束管6上，斜边固定在端盖5上。

上述实施例中，腔筒1和其两端的端盖5，以及芯棒2，端盖束管6，清洁管3，中心束管10采用高纯铌材料制成，加强筋12和13采用一般铌材料制成，而各个法兰考虑到密封性和对材料的硬度和韧性的要求，采用铌钛合金制造。

本发明通过采用横电磁波模式(TEM Mode)进行加速，可以优化得到较好的加速腔物理参数，从而满足强流质子直线加速的高梯度、高效率、高接受度、高稳定性等需求。而且根据设计的不同，可以用来加速从β约等于0.1到β＝1、能量从2.5MeV到GeV量级的几乎全能量段的质子。

本发明内部结构复杂，并且采用薄壁结构，整个腔体需要拆解为多个零件，进行单独加工，再通过焊接组装配合在一起形成完整的加速结构。本发明采用超导材料，为了不影响超导材料的物性，以致影响超导腔的最终性能，需要对各部分的加工零件进行超声清洗和化学处理等操作。本发明完整的制造过程工序繁多，加工和焊接的难度大，清洗和运输的要求高，因此，需要对制造加工过程进行严格的控制。

如图3所示，本发明采用以下制造方法。

1)采用RRR(剩余电阻率比值，表征材料的纯度，对于制造超导腔的铌材，一般铌材的RRR值约为40，高纯铌材的要求为RRR＞300)值大于300的高纯铌材料，通过冲压模具制作出两个端盖5，腔筒1的两个弧形马鞍过渡面和两弧形侧面，以及组成芯棒8的两个薄壁腔片；

2)用车床加工出两个清洁管3、一中心束管10、两个端盖束管6、两个法兰4和两个法兰7；若干腔筒加强筋12和端盖加强筋13由线切割完成；

3)用超声清洗装置，对经步骤1)和2)完成的零件进行超声清洗，清洗时间不小于40分钟；

4)采用氢氟酸、硝酸、磷酸按1∶1∶2体积比组成的混合酸，对步骤3)中完成的零件进行化学清洗；化学清洗的酸液温度控制在20℃以内，清洗时间为10～40分钟；

5)用电阻率不小于16MΩ·cm的超纯水清洗步骤4)中完成的零件，并在优于1000级的超净室中晾干；

6)利用真空电子束焊机对经步骤5)得到的零件进行焊接，真空电子束焊机的工作电压为60KV，工作电流为5～50mA；焊接包括以下步骤：

(1)将两端盖束管6分别对应焊接在两端盖5上；

(2)将两个薄壁腔片焊接成芯棒8，同时将中心束管10与芯棒8焊接；

(3)将芯棒8的两端对应焊接在腔筒1两个马鞍过渡面的芯棒孔2处；

(4)将带芯棒8的两个马鞍过渡面与两侧面焊接，完成腔筒1，并通过整形模具对腔筒1进行整形；

(5)将两端盖5分别焊接在腔筒1的两端，组成腔体；本发明的腔体需要采用真空电子束焊接的背成形技术完成；

(6)将两清洁管3分别对应焊接在腔筒1的两侧面上；

(7)将腔筒加强筋12分别焊接在两个马鞍过渡面与两侧面的焊接处；将端盖加强筋13分别焊接在两端盖5以及两端盖束管6上；

(8)将法兰4和法兰7分别焊接在两清洁管3和两端盖束管6上；

7)本发明制造完成。

上述制造方法涉及机械加工、冲压成形、真空电子束焊接、超声清洗、化学处理等工艺，并且需要配合加工零件的微波性能测量进行加工件质量控制。

本发明的突出特点为，将腔筒1分成四件，分别冲压，并焊接成完整的外筒，而并非传统的整体卷制腔筒后进行翻口和焊接。这样做的优势在于：

1)减少磁场峰值区的焊缝数量，减少本发明在运行时发生热磁失超的可能性。

2)对于芯棒与马鞍过渡面之间的焊接，可以通过在腔的内表面进行，因为电子束焊接的正面成形比背面成形相对容易控制，可以改善这部分腔壁内表面的形貌。

3)另外，减少了清洁口两处翻口的加工工序，可以通过冲压一次完成，降低造价。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (4)

1.一种单芯棒轮辐式超导加速腔，其特征在于：它包括圆柱形腔筒，所述腔筒的筒壁上对称设置有两个芯棒孔，间隔所述两个芯棒孔对称穿设有两清洁管，两所述清洁管位于所述腔筒外侧的一端分别连接一法兰；所述腔筒的两端分别设置有一端盖；两所述端盖的表面中部内凹，中心部位分别穿设一端盖束管，两所述端盖束管穿出两所述端盖连接一法兰；所述腔筒内的两所述芯棒孔之间设置有一芯棒，所述芯棒为一薄壁腔，其中间段呈直筒形，两端呈对称的漏斗形，两所述漏斗形的端口分别对应设置在两所述芯棒孔内；所述芯棒的中间段穿设一中心束管，所述中心束管与两所述端盖束管位于同一轴线上。

2.如权利要求1所述的一种单芯棒轮辐式超导加速腔，其特征在于：所述腔筒包括两对称设置的弧形马鞍过渡面和两对称设置的弧形侧面，两所述芯棒孔分别设置在两所述马鞍过渡面上，两所述清洁管分别设置在两所述侧面上；两马鞍过渡面和两侧面之间分别设置有一腔筒加强筋。

3.如权利要求1或2所述的一种单芯棒轮辐式超导加速腔，其特征在于：两所述端盖外侧的所述端盖束管上，间隔设置有若干端盖加强筋。

4.如权利要求1～3任一项所述单芯棒轮辐式超导加速腔的制造方法，其包括以下步骤：

1)采用RRR值大于300的高纯铌材料材料，通过冲压模具制作出两个端盖，腔筒的两个弧形马鞍过渡面和两弧形侧面，以及组成芯棒的两个薄壁腔片；

2)用车床加工出两个清洁管、一中心束管、两个端盖束管、四个法兰；线切割完成若干腔筒加强筋和端盖加强筋；

3)用超声清洗装置，对经步骤1)和2)完成的零件进行超声清洗，清洗时间不小于40分钟；

4)采用氢氟酸、硝酸、磷酸按1∶1∶2体积比组成的混合酸，对步骤3)中完成的零件进行化学清洗；化学清洗的酸液温度控制在20℃以内，清洗时间为10～40分钟；

5)用电阻率不小于16MΩ·cm的超纯水清洗步骤4)中完成的零件，并在优于1000级的超净室中晾干；

6)利用真空电子束焊机对经步骤5)得到的零件进行焊接，真空电子束焊机的工作电压为60KV，工作电流为5～50mA；焊接包括以下步骤：

(1)将两端盖束管分别对应焊接在两端盖上；

(2)将两个薄壁腔片焊接成芯棒，同时将中心束管与芯棒焊接；

(3)将芯棒的两端对应焊接在腔筒两个马鞍过渡面的芯棒孔处；

(4)将带芯棒的两个马鞍过渡面与两侧面焊接，完成腔筒；

(5)将两端盖分别焊接在腔筒的两端，组成腔体； 

(6)将两清洁管分别对应焊接在腔筒的两侧面上；

(7)将腔筒加强筋分别焊接在两个马鞍过渡面与两侧面的焊接处；将端盖加强筋分别焊接在两端盖以及两端盖束管上；

(8)将法兰分别焊接在两清洁管和两端盖束管上；

7)制造完成。 

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