CN102711357A

CN102711357A - 变频调谐腔

Info

Publication number: CN102711357A
Application number: CN2011104133954A
Authority: CN
Inventors: 许哲; 边志彬; 梅立荣; 金鹏
Original assignee: Institute of Modern Physics of CAS
Current assignee: Institute of Modern Physics of CAS
Priority date: 2011-12-10
Filing date: 2011-12-10
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2031-12-10
Also published as: CN102711357B

Abstract

本发明主要涉及在真空情况下形成高频高压电场，并在束流运动方向对重粒子束进行俘获、加速的铁氧体加载的宽频带高频高压同步加速器装置技术领域，尤其涉及一种大功率铁氧体加载变频调谐腔。一种变频调谐腔，包括一个同轴谐振腔，所述的同轴谐振腔包括有由同轴连接的谐振腔A和谐振腔B组成，谐振腔A和谐振腔B结构相同，通过法兰连接，其主要特点在于：在所述同轴谐振腔的粒子束流管道引入端一侧通过波纹管连接有加速缝，加速缝的另一端与粒子束流引入端相连；绝缘陶瓷设于加速缝上；在加速缝之间设置有腔体调谐用高压真空电容器和高频功率源的末级功放电子管，电子管阳极输出射频高压加载在加速缝间隙两端。

Description

变频调谐腔

技术领域

本发明主要涉及在真空情况下形成高频高压电场，并在束流运动方向对重粒子束进行俘获、加速的铁氧体加载的宽频带高频高压同步加速器装置技术领域，尤其涉及一种大功率铁氧体加载变频调谐腔。

背景技术

在此以前，国内只有一台同步加速器用铁氧体加载变频调谐同轴谐振腔体，用于兰州重粒子加速器冷却储存环（CSR）主环，对束流进行俘获，加速。该腔体由于结构简单，所能氶受的最高平均高频功率不超过2KW，而且只能工作在占空比小于1/2的扫频脉冲模式，工作频率范围0.25MHz～0.25MHz。之后，由中国科学院近代物理研究所设计并由近物所与陕西数字广播通讯设备有限公司联合研制成我国第一台同步加速器用大功率铁氧体加载变频调谐腔体，主要用于CSR实验环对束流进行累积和减速。CSR主环腔体由俩个加有铁氧体磁环的腔体组成，每个腔体的内外导体之间填装有铁氧体磁环，环内径与内导体之间有平行于主轴线的铜线作为偏磁线圈的环内部分，线圈的每圈在各腔的中间部位内外交叉；环内径与内导体间灌封有硅橡胶用于绝缘，每隔两个磁环夹一片铜板作为散热用，腔体的调谐电容为陶瓷电容。

该现有技术的缺陷在于：高频介质损耗较大，散热效果较差。另外，腔体只能工作在平均功率较小的扫频脉冲模式。在占空比较大，腔体电压较高时，或连续波工作情况下，铁氧体温度会过高，绝缘介质会发热，调谐电容容易烧毁。

发明内容

本发明的目的在于研制用于重离子治癌专用装置的大功率铁氧体加载变频调谐腔，实现重离子治疗环对束流进行的俘获和加速。

本发明的目的可以通过采用以下技术方案来实现：一种变频调谐腔，包括一个同轴谐振腔，所述的同轴谐振腔包括有由同轴连接的谐振腔A和谐振腔B组成，谐振腔A和谐振腔B结构相同，通过法兰连接，其主要特点在于：在所述同轴谐振腔的粒子束流管道引入端一侧通过波纹管连接有加速缝，加速缝的另一端与粒子束流引入端相连；绝缘陶瓷设于加速缝上；在加速缝之间设置有腔体调谐用高压真空电容器和高频功率源的末级功放电子管，电子管阳极输出射频高压加载在加速缝间隙两端。

所述的谐振腔A或谐振腔B包括有在其中心设有粒子束流管道，在粒子束流管道的外部设有内导体和外导体，在内导体和外导体之间设有多片铁氧体磁环；偏磁线圈设于多片铁氧体磁环的内、外环上，偏磁线圈在铁氧体磁环内径与内导体之间平行于主轴线，每一圈在谐振腔A和谐振腔B腔体之间交叉连通；在铁氧体磁环、偏磁线圈和内导体之间设有绝缘层。

所述的偏磁线圈由谐振腔B中的铁氧体磁环的外径通向谐振腔A的铁氧体磁环的内径，然后转向谐振腔A的铁氧体磁环的外径，再由谐振腔A的铁氧体磁环的外径连接谐振腔B中的铁氧体磁环的内径，由谐振腔B中的铁氧体磁环的内径连通谐振腔B中的铁氧体磁环的下方外径，由谐振腔B中的铁氧体磁环的下方外径连通谐振腔A的铁氧体磁环的下方内径，再次转向谐振腔A的铁氧体磁环的下方外径，由谐振腔A的铁氧体磁环的下方外径连通谐振腔B中的铁氧体磁环的内径，由谐振腔B中的铁氧体磁环的内径连接谐振腔B中的铁氧体磁环的下一个外径，依次循环。

所述的在铁氧体磁环、偏磁线圈和内导体之间设有的绝缘层为聚四氟乙烯；所述的铁氧体磁环、偏磁线圈和内导体由聚四氟乙烯包裹为一体。在安装铁氧体环之前，用模具将四氟挤压成型在同轴内导体上，并同时将偏磁线圈导体埋在四氟层中间，使四氟介质，铜导体条，同轴内导体成为紧密结合的一体并且可以精密加工。

所述的在多片铁氧体磁环之间夹有内，外径与铁氧体磁环相同的通水冷却盘；所述的通水冷却盘上设有进水管、出水管。

所述的同轴谐振腔的外部设有不锈钢外壳，同轴谐振腔的侧部设置有真空室两端支撑装置；铁氧体磁环和水冷却盘通过谐振腔体底部的支撑体安装在谐振腔体上。

所述的铁氧体环为24片，分别设于谐振腔A和谐振腔B腔体之中。

所述的粒子束流管道和内导体通过连接片相连。

所述的变频调谐腔，所述的偏磁线圈为8圈。

所述的变频调谐腔，所述的高压真空电容器为（CKT1000P/14kV/160A），为高耐压，高功率真空陶瓷电容；高压真空电容两端设置有腔体电压取样装置供检测用。

所述的高频功率源的末级功放电子管（22）为（Emac 4CW50000E）。

本发明的有益效果是：所述的大功率铁氧体加载变频调谐腔，采用在内导体与磁环之间填充的介质选用高频性能优良的聚四氟乙稀介质材料，并解决其成型加工；在铁氧体环两侧，环与环之间设置散热水冷盘，并解决水冷盘的制作工艺；腔体调谐电容选用高耐压，高功率陶瓷真空电容；偏磁线圈在两腔体的中间部位相交叉；腔体可以反复拆卸等设计和结构，在0.6MHz～3.9MHz频率范围内，腔体在扫频脉冲调制模式下工作，最高电压可以达到峰值10KV，满足了重离子治疗环高频系统的工作要求。加载铁氧体能承受数十千瓦高频功率而温度不超过40度，能够满足物理调束更高一步的要求。

1) 采用单端输入1/4波长同轴谐振结构，加速缝在腔体的一端，缩短了腔体长度

2）在内导体与磁环之间填充的介质选用高频性能优良的聚四氟乙稀介质材料，并解决其成型加工问题。

3）在铁氧环两侧，环与环之间设置散热水冷盘，并解决水冷盘的制作工艺。

4）腔体调谐电容选用高耐压，高功率陶瓷真空电容。

5）偏磁线圈在1/4波长同轴谐振腔体的中间部位相交叉。

6）腔体可以反复拆卸。

附图说明：

图1为本发明的腔体原理图：

图2为本发明的结构主视图；

图3为本发明的图1中的A-A剖面结构示意图；

图4为本发明的图1中的B-B剖面结构示意图；

图5为本发明的系统工作流程。

图中：1、谐振腔A, 2.谐振腔B，3. 粒子束流管道，4.绝缘陶瓷,5. 加速缝,6. 铁氧体磁环,7.通水冷却盘,8.绝缘层,9.偏磁线圈, 11. 谐振腔A与谐振腔B之间的连接空间,12.波纹管,13.真空室两端支撑装置,14.电容器,15.内导体,16.外导体,17.腔体侧支撑不锈钢板,18.连接片,19.铁氧体环和水冷盘支撑体,20.水冷盘进出水管接头,21.腔体不锈钢外壳,22.电子管，23.法兰。

具体实施方式：

以下结合附图所示之最佳实施例作进一步详述：

见图1、2、3、4，一种变频调谐腔，包括一个同轴谐振腔，所述的同轴谐振腔包括有由同轴连接的谐振腔A1和谐振腔B2组成，谐振腔A和谐振腔B结构相同，通过法兰23连接，在所述同轴谐振腔的粒子束流管道3引入端一侧通过波纹管12连接有加速缝5，加速缝5的另一端与粒子束流引入端相连；绝缘陶瓷4设于加速缝5上；在加速缝5之间设置有腔体调谐用高压真空电容器14和高频功率源的末级功放电子管22，电子管22阳极输出射频高压加载在加速缝5间隙两端。波纹管12用于减震和防止由于热胀冷缩导致的真空室尺寸变化。

所述的变频调谐腔，所述的谐振腔A1或谐振腔B2包括有在其中心设有粒子束流管道3，在粒子束流管道3的外部设有内导体15和外导体16，在内导体15和外导体16之间设有多片铁氧体磁环6；偏磁线圈9设于多片铁氧体磁环6的内、外环上，偏磁线圈9在铁氧体磁环6内径与内导体15之间平行于主轴线，每一圈在谐振腔A和谐振腔B腔体之间交叉连通；在铁氧体磁环6、偏磁线圈9和内导体15之间设有绝缘层8。

所述的偏磁线圈9由谐振腔B中的铁氧体磁环6-2的外径通向谐振腔A的铁氧体磁环6-1的内径，然后转向谐振腔A的铁氧体磁环6-1的外径，再由谐振腔A的铁氧体磁环6-1的外径连接谐振腔B中的铁氧体磁环6-2的内径，由谐振腔B中的铁氧体磁环6-2的内径连通谐振腔B中的铁氧体磁环6-2的下方外径，由谐振腔B中的铁氧体磁环6-2的下方外径连通谐振腔A的铁氧体磁环6-1的下方内径，再次转向谐振腔A的铁氧体磁环6-1的下方外径，由谐振腔A的铁氧体磁环6-1的下方外径连通谐振腔B中的铁氧体磁环6-2的内径，由谐振腔B中的铁氧体磁环6-2的内径连接谐振腔B中的铁氧体磁环6-2的下一个外径，依次循环。线圈在腔体中间交叉是为了抵消射频高压在两半腔体直流偏磁线圈上形成的射频电流，避免高频信号串入直流偏磁电源，确保直流偏磁线圈上无高频功率损耗。

所述的在铁氧体磁环6、偏磁线圈9和内导体15之间设有的绝缘层8为聚四氟乙烯；所述的铁氧体磁环6、偏磁线圈9和内导体15由聚四氟乙烯包裹为一体。在安装铁氧体环之前，用模具将四氟挤压成型在同轴内导体上，并同时将偏磁线圈导体埋在四氟层中间，使四氟介质，铜导体条，同轴内导体成为紧密结合的一体并且可以精密加工。

所述的变频调谐腔，所述的在多片铁氧体磁环6之间夹有内，外径与铁氧体磁环6相同的通水冷却盘7；所述的通水冷却盘7上设有进水管、出水管20。为了将铁氧体产生的热量带走，在每片铁氧体环的两侧及两相邻铁氧体环之间夹有内，外径与铁氧体环相同的通水冷却盘，水冷却盘7通过进出水管接头20与外部供水管相连，铁氧体产生的热量传导到水冷盘上，由盘中的水流带走。

所述的变频调谐腔，所述的同轴谐振腔的外部设有不锈钢外壳21，同轴谐振腔的侧部设置有真空室两端支撑装置13；铁氧体磁环6和水冷却盘7通过谐振腔体底部的支撑体19安装在谐振腔体上。

所述的变频调谐腔，所述的铁氧体环6为24片，分别设于谐振腔A和谐振腔B腔体之中。

所述的变频调谐腔，所述的粒子束流管道3和内导体15通过连接片18相连。

所述的变频调谐腔，所述的偏磁线圈9为8圈。

所述的变频调谐腔，所述的高压真空电容器14为（CKT1000P/14kV/160A），为高耐压，高功率真空陶瓷电容；高压真空电容两端设置有腔体电压取样装置供检测用。

实验例：所述的大功率铁氧体加载变频调谐腔，其同轴谐振腔的内导体15和外导体16之间填装有内径300mm，外径500mm，厚度25mm的专用铁氧体磁环6共24片，以此形成腔体谐振电感。所有的铁氧体磁环与水冷盘在腔体底部有支撑体19支撑，以保证内导体不受力。粒子束流管道3置于同轴内导体中，在加速缝隙处通过馈电连接导体加平衡高频功率，此电压就是粒子的加速电压。铁氧体的作用有二，一是缩短腔体长度，二是直流偏磁电流来改变铁氧体的导磁率，从而改变腔体的谐振频率。为此，在腔体内导体与磁环之间的介质中设置有偏流线圈9，线圈9为宽20mm，厚度10mm的铜板，线圈共8圈。对应0.6MHz～3.9MHz工作频率。线圈在腔体的中间部位用铜板交叉，目的是使腔体在线圈上感应的高频电流相互抵消，线圈上只有直流偏磁电流。

所述的大功率铁氧体加载变频调谐腔，腔体内的铁氧体和介质处于强高频电磁场中，由于磁损和介质损耗，要吸收高频能量而发热，吸收能量的大小，即损耗的大小与介质材料和铁氧体的性能相关。为了使腔体能够工作在高功率高电压下，本发明为了减少介质损耗，铁氧体环与内导体之间的绝缘介质采用高频损耗小的聚四氟乙烯，并解决其填充成型难题。在安装铁氧体环之前，用模具将四氟挤压成型在同轴内导体上，并同时将偏磁线圈导体埋在四氟层中间，使四氟介质，铜导体条，同轴内导体成为紧密结合的一体并且可以精密加工。这样，腔体就可以反复拆卸，方便维修和试验；为了将铁氧体产生的热量带走，在每片铁氧体环的两侧及两相邻铁氧体环之间夹有内，外径与铁氧体环相同，一定厚度的通水冷却盘，铁氧体产生的热量传导到水冷盘上，由盘中的水流带走；腔体调谐电容选用高耐压，高功率真空陶瓷电容，并用风机冷却。

采用以上设计和结构，在0.6MHz～3.9MHz频率范围内，腔体在扫频脉冲调制模式下工作，最高点压可以达到峰值10KV，满足了重离子治疗环高频系统的工作要求。

本发明的系统工作流程，见图5，

1. 直流偏磁电流随高频频率变化改变；

2. 铁氧体导磁率随偏磁电流改变而变化；

3. 腔体电感随铁氧体导磁率改变而改变；

4. 腔体电感与谐振电容形成频率变化的谐振电路（该谐振回路为电子管阳极电路）；

5. 电子管阳极输出射频高压加载在加速间隙两端。

Claims

1.一种变频调谐腔，包括一个同轴谐振腔，所述的同轴谐振腔包括有由同轴连接的谐振腔A（1）和谐振腔B（2）组成，谐振腔A（1）和谐振腔B（2）结构相同，通过法兰（23）连接，其特征在于：在所述同轴谐振腔的粒子束流管道（3）引入端一侧通过波纹管（12）连接有加速缝（5），加速缝（5）的另一端与粒子束流引入端相连；绝缘陶瓷（4）设于加速缝（5）上；在加速缝（5）之间设置有腔体调谐用高压真空电容器（14）和高频功率源的末级功放电子管（22），电子管（22）阳极输出射频高压加载在加速缝（5）间隙两端。

2.如权利要求1所述的变频调谐腔，其特征在于所述的谐振腔A（1）或谐振腔B（2）包括有在其中心设有粒子束流管道（3），在粒子束流管道（3）的外部设有内导体（15）和外导体（16），在内导体（15）和外导体（16）之间设有多片铁氧体磁环（6）；偏磁线圈（9）设于多片铁氧体磁环（6）的内、外环上，偏磁线圈（9）在铁氧体磁环（6）内径与内导体（15）之间平行于主轴线，每一圈在谐振腔A（1）和谐振腔B（2）腔体之间交叉连通；在铁氧体磁环（6）、偏磁线圈（9）和内导体（15）之间设有绝缘层（8）。

3.如权利要求2所述的变频调谐腔，其特征在于所述的偏磁线圈（9）由谐振腔B中的铁氧体磁环（6-2）的外径通向谐振腔A（1）的铁氧体磁环（6-1）的内径，然后转向谐振腔A（1）的铁氧体磁环（6-1）的外径，再由谐振腔A（1）的铁氧体磁环（6-1）的外径连接谐振腔B（2）中的铁氧体磁环（6-2）的内径，由谐振腔B（2）中的铁氧体磁环（6-2）的内径连通谐振腔B（2）中的铁氧体磁环（6-2）的下方外径，由谐振腔B（2）中的铁氧体磁环（6-2）的下方外径连通谐振腔A（1）的铁氧体磁环（6-1）的下方内径，再次转向谐振腔A（1）的铁氧体磁环（6-1）的下方外径，由谐振腔A（1）的铁氧体磁环（6-1）的下方外径连通谐振腔B（2）中的铁氧体磁环（6-2）的内径，由谐振腔B（2）中的铁氧体磁环（6-2）的内径连接谐振腔B（2）中的铁氧体磁环（6-2）的下一个外径，依次循环。

4.如权利要求2所述的变频调谐腔，其特征在于所述的在铁氧体磁环（6）、偏磁线圈（9）和内导体（15）之间设有的绝缘层（8）为聚四氟乙烯；所述的铁氧体磁环（6）、偏磁线圈（9）和内导体（15）由聚四氟乙烯包裹为一体。

5.如权利要求2所述的变频调谐腔，其特征在于所述的在多片铁氧体磁环（6）之间夹有内，外径与铁氧体磁环（6）相同的通水冷却盘（7）；所述的通水冷却盘（7）上设有进水管、出水管（20）。

6.如权利要求2所述的变频调谐腔，其特征在于所述的同轴谐振腔的外部设有不锈钢外壳（21），同轴谐振腔的侧部设置有不锈钢支撑架（13）；铁氧体磁环（6）和水冷却盘（7）通过谐振腔体底部的支撑体（19）安装在谐振腔体上。

7.如权利要求2所述的变频调谐腔，其特征在于：所述的铁氧体环（6）为24片，分别设于谐振腔A和谐振腔B腔体之中。

8.如权利要求2所述的变频调谐腔，其特征在于：所述的粒子束流管道（3）和内导体（15）通过连接片（18）相连。

9.如权利要求2所述的变频调谐腔，其特征在于：所述的偏磁线圈（9）为8圈。