CN102811546B - 提升高频谐振腔体q值的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于紧凑型回旋加速器的研究领域，具体涉及一种提升紧凑型回旋加速器高频谐振腔体Q值的方法。该方法首先通过有限元积分模拟得到高频谐振腔体的表面电流方向及腔体表面电流密度；然后依照模拟得到的结果对高频腔体内表面进行抛光，抛光的方向按照电流方向进行，并对腔体表面大电流密度区域进行精细处理；最后用无水乙醇清洁抛光后的腔体内表面。本发明通过合理选择高频腔体内表面抛光处理的方向和材质，改善了加工后高频腔体内表面状况，避免了无氧铜腔体内表面附着其他物质，最终使高频腔体Q值得到有效的提升。本发明无需设置复杂的冷却结构，明显降低了系统的复杂性、造价及运行费用。
Description
技术领域
本发明属于紧凑型回旋加速器的研究领域，具体涉及一种提升紧凑型回旋加速器高频谐振腔体Q值的方法。
背景技术
紧凑型回旋加速器高频腔体为带电粒子加速提供高频能量，对于同一结构的高频腔体，Q值的高低与高频谐振腔体的功率损耗密切相关，Q值越高，腔体在提供相同加速电压的条件下自身的功率损耗越小。提高谐振腔体的Q值可以减少系统的功率损耗，降低水冷系统的压力。目前国际上解决谐振腔体低Q值的方法是采用复杂的冷却结构，以减少腔体自身功率损耗引起的发热及不稳定性，复杂的冷却结构增大了冷却系统的压力及造价，同时低Q值造成的腔体自身功率高损耗，也相应的提高了为腔体提供能量的高频功率源的功率输出要求。与其相比，依据数值计算的结果采用的特殊的抛光方法来提升腔体Q值，可降低系统的复杂性、造价及运行费用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供了一种简单、高效的提升高频谐振腔体Q值的新方法。
本发明的技术方案如下：一种提升高频谐振腔体Q值的方法，该方法首先通过有限元积分模拟得到高频谐振腔体的表面电流方向及腔体表面电流密度；然后依照模拟得到的结果对高频腔体内表面进行抛光，抛光的方向按照电流方向进行，并对腔体表面大电流密度区域进行精细处理；最后用无水乙醇清洁抛光后的腔体内表面。
进一步，如上所述的提升高频谐振腔体Q值的方法，其中，所述的抛光过程是使用金相砂纸手工研磨，金相砂纸的行进方向是沿着电流方向操作。
更进一步，如上所述的提升高频谐振腔体Q值的方法，其中，所述的金相砂纸的目数不少于1200目。
进一步，如上所述的提升高频谐振腔体Q值的方法，其中，所述腔体表面大电流密度区域是指腔体表面电流密度大于1000A/m的区域。
更进一步，如上所述的提升高频谐振腔体Q值的方法，其中，对于腔体表面大电流密度区域的精细处理的标准为该区域表面粗糙度优于0.8；其他区域的表面粗糙度优于1.6。
本发明的有益效果如下：本发明通过合理选择高频腔体内表面抛光处理的方向和材质，改善了加工后高频腔体内表面状况，避免了无氧铜腔体内表面附着其他物质，最终使高频腔体Q值得到有效的提升。本发明无需设置复杂的冷却结构，明显降低了系统的复杂性、造价及运行费用。
附图说明
图1为回旋加速器高频腔体内导体表面电流方向示意图；
图2为图1的俯视图。
图中，1.前内杆 2.后内杆 3.D板，箭头→表示电流方向。
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。
本发明所提供的提升高频谐振腔体Q值的方法首先通过有限元积分模拟得到高频谐振腔体的表面电流方向及腔体表面电流密度，依照数值模拟得到的结果对高频腔体内表面进行抛光，抛光方向严格按照高频电流方向，并对腔体表面大电流密度区域（腔体表面电流密度大于1000A/m的区域）精细处理，在抛光过程中使用金相砂纸手工研磨，代替传统的研磨膏，并在完成抛光后用无水乙醇（乙醇的质量分数大于等于99.7%）清洁腔体内表面，避免无氧铜腔体内表面附着其他物质。通过这种抛光方式改善加工后高频腔体内表面状况，最终使高频腔体Q值得到有效的提升。金相砂纸可采用熊猫牌金相砂纸，目数不少于1200目。
上述有限元积分模拟得到腔体表面电流方向和电流密度的方法是公知技术，可通过现有的软件（如CST）直接得到，首先模拟计算紧凑型回旋加速器高频腔体任意位置处的磁场强度H，通过积分得到腔体内表面各个位置处的电流密度大小，腔体表面的高频电流方向同样由数值模拟得到。抛光过程是使用金相砂纸手工研磨，金相砂纸的行进方向是沿着模拟计算得到的电流方向操作。在高频领域电流与低频或直流不同，只沿着导体表面流动，其深度被定义为趋肤深度，腔体的品质因数与腔体的功率损耗相关，所以导体表面状况对腔体的品质因数有直接影响，砂纸的行进方向是沿着电流方向操作，在微观上可以减小电流流过的路径长度。如果是相反的极端情况，砂纸的行进方向与电流方向垂直操作，那么电流流过的路径将形成“翻山越岭”的效果，路径变长，增大损耗。因此，本发明采用了严格按照电流方向进行抛光的技术方案，以减小电流流过的路径长度。
通过有限元模拟可以得到腔体表面的电流方向及强度，不同电流强度计算机显示不同颜色，颜色越深，表示该区域的电流密度越大，由于腔体的表面积较大，全部按照电流方向抛光工程量太大，而且电流密度小的区域对腔体损耗影响不大，没有必要特别关注，只对颜色最深的地方处理即可，抛光时砂纸的行进方向是沿着电流方向操作，最终大电流密度区域表面粗糙度要优于0.8，其他区域优于1.6即可。
实施例
在100MeV强流质子回旋加速器高频腔体的表面处理过程中，首先模拟计算紧凑型回旋加速器高频腔体任意位置处的磁场强度H，通过积分得到腔体内表面各个位置处的电流密度大小，腔体表面的高频电流方向同样由数值模拟得到。如图1、2所示，按照数值模拟得到的电流方向（即图中的箭头方向），采用金相砂纸手工研磨抛光的方法对前内杆1、后内杆2、D板3进行抛光操作，并对大电流密度位置（如D板边缘、前后内杆的所有表面）进行精细处理，使表面粗糙度优于0.8，并在完成抛光后用无水乙醇清洁腔体内表面，避免无氧铜腔体内表面附着其他物质。通过这种抛光方法与抛光方向，改善加工后高频腔体内表面状况，最终使高频腔体Q值得到有效的提升。通过1：1金属试验腔体的高频试验测量验证了这种腔体Q值提升方法的结果。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (3)
1.一种提升高频谐振腔体Q值的方法，其特征在于：该方法首先通过有限元积分模拟得到高频谐振腔体的表面电流方向及腔体表面电流密度；然后依照模拟得到的结果对高频腔体内表面进行抛光，抛光的方向按照电流方向进行，并对腔体表面大电流密度区域进行精细处理，所述腔体表面大电流密度区域是指腔体表面电流密度大于1000A/m的区域，精细处理的标准为该区域表面粗糙度优于0.8，其他区域的表面粗糙度优于1.6；最后用无水乙醇清洁抛光后的腔体内表面。
2.如权利要求1所述的提升高频谐振腔体Q值的方法，其特征在于：所述的抛光过程是使用金相砂纸手工研磨，金相砂纸的行进方向是沿着电流方向操作。
3.如权利要求2所述的提升高频谐振腔体Q值的方法，其特征在于：所述的金相砂纸的目数不少于1200目。
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