CN103068143A - 连续波射频四级加速器水冷系统及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种连续波射频四级加速器水冷系统，翼片内设有水冷管路，翼片为分片结构，水冷管路呈盘盒蛇形开设于翼片的分片的对接面上，水冷管路周围开设焊料槽；同时公开了这种水冷系统的制造方法。本发明的优点是蛇形水冷管路相比于通透直线水冷管路体积增加，水冷透彻、效率高，解决了射频四级加速器在连续波运行下的散热问题，散热性得到大幅提升，能够更加精准地控制射频四级加速器的频率，保证束流稳定性，从而使加速性能得到有效的稳定和提高。制造过程中电子束焊保证焊后翼片内部水冷管路长时间运行的密封性和无氧铜材料的高纯度，钎焊进一步加强了分片翼片的整体性和坚固性以及连续波射频四级加速器的结构可靠和工作稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种水冷系统及其制造方法，特别是一种连续波射频四级加速器水冷系统及其制造方法。
背景技术
射频四极场（Radio Frequency Quadrupole,RFQ）加速器是一种能同时用其射频电场的径向分量进行聚焦和纵向分量进行加速、适用于从质子到铀离子等各种低速带电粒子的高效直线加速结构。它集匹配、成形、聚束和加速等多种功能于一身，可直接接受从离子源引出的低速强流连续束流，并以极高的俘获效率和较低的发射度增长把粒子加速到每核子几个MeV的能量。另外，由于体积小巧和使用方便等优点，RFQ加速器不管作为大型加速器的注入装置还是作为独立使用的设备都极具研究和实用价值。
近年来，国内外对于散裂中子源、加速器驱动洁净核能源和其它高功率质子束所呈现的广泛兴趣，以及由此引起的对强流、高功率质子加速器的迫切要求，更对用作它们前级加速结构的射频四级加速器提出了种种新的要求，特别是对射频四级加速器能在高占空比、甚至在连续波工作状态下加速强流质子束，对其运行的稳定性和可靠性提出了空前严格的要求。
射频四级加速器在运行过程中产生的大量热会引起加速器的频率漂移，因此冷却结构是保证它稳定运行的前提，目前的常温射频四级加速器都采用水冷的方式，水冷具有两方面作用，首先它可以把射频场发热带走，维持射频四级加速器腔的热稳定性且限制了腔体形变幅度；其次，当射频四级加速器失谐时，它还可以用来进行调谐而不影响射频场分布。附图1是脉冲射频四级加速器其翼片剖视图，显示了水冷系统，常温射频四级加速器的水冷系统一般由翼片上的一根或数根通透直线水冷管路组成，该结构会导致以下两个问题：1、翼片散热不均匀，靠近水冷管路的地方最先得到冷却；2、在连续波状态下，翼片和整个射频四级加速器的温度不能有效精确控制，结果面临的应用困难是其冷却问题和由于温度变化引起的频率飘逸。
为了解决这两个问题，国内外的研究机构把精力集中于多开几根通透直线水冷管路且在开通位置上进行优化。1980年，Los Alamos国家实验室在其射频四级加速器系统的铜腔上，每个电极开了一个水冷管路。随后，他们建议的ADS系统工作于连续波状态下，为了检验系统的可行性，他们制成了一台低能示范加速器，在低能示范加速器系统中，为了使射频四级加速器腔的电极得到良好的冷却，每节腔的四翼电极上都有6个水冷管路，腔的调谐通过控制冷却水的水温来实现。韩国原子能研究院PEFP研究项目组研制的射频四级加速器工作于脉冲模式下，内部开了一个水冷管路。中国科学院高能物理研究所通过ANSYS程序设计了用于中国散裂中子源射频四级加速器的水冷管路的位置、尺寸、流量等基本参数，最后确定了用5个水冷管路来保证高功率运行下腔体的热变形得以有效控制，该射频四级加速器工作于脉冲模式；运行在连续波状态下的射频四级加速器，产生的热量明显增加，中国洁净核能源用射频四级加速器工作于连续波模式，仍然采用5个水冷管路来保证电极翼片的热稳定性。
连续波射频四级加速器运行过程中产生的热量远高于脉冲射频四级加速器，而散热性的好坏会直接影响射频四级加速器的工作稳定性。如果单靠增加水冷管路的数目来保证散热性，可能不能满足冷却要求，而且可能带来加工困难和随之而来有可能产生的系统漏水问题，且使得外围配套设备复杂化。
发明内容
发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种解决连续波射频四级加速器散热问题的水冷系统；本发明的另一目的是提供这种水冷系统的制造方法。
技术方案：一种连续波射频四级加速器水冷系统，翼片内设有水冷管路，所述翼片为分片结构，所述水冷管路呈盘盒蛇形开设于所述翼片的分片的对接面上，所述水冷管路周围开设焊料槽。
所述水冷管路沿所述翼片长度方向分段开设，每段的进口和出口分别引出。
所述水冷管路在所述分片的对接面上开设的位置、形状相对应。
上述一种连续波射频四级加速器水冷系统的制造方法，包括以下步骤：
（1）将整体翼片线切割成两个分片；
（2）在切割面上开设水冷管路；
（3）在切割面上水冷管路周围开设焊料槽，在焊接槽中放入焊料；
（4）将两个分片的翼片从切割面对合，对合的接缝用电子束焊接合成；
（5）用数控机床对合成翼片按照PARMTEQM输出结果进行加工；
（6）用电子束焊接或者钎焊焊接四片射频四级加速器翼片。
所述切割面偏移于所述整体翼片的中分面。
所述焊接槽中放入钎焊焊料。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是蛇形水冷管路相比于通透直线水冷管路体积增加，水冷透彻、效率高，解决了射频四级加速器在连续波运行下的散热问题，散热性得到大幅提升，能够更加精准地控制射频四级加速器的频率，保证束流稳定性，从而使加速性能得到有效的稳定和提高。制造过程中电子束焊保证焊后翼片内部水冷管路长时间运行的密封性和无氧铜材料的高纯度，钎焊进一步加强了分片翼片的整体性和坚固性，保证了水冷系统的水流通畅，同时也保证了连续波射频四级加速器的结构可靠和工作稳定性。
附图说明
图1为脉冲射频四级加速器其翼片剖视图；
图2为本发明翼片的分片立体结构示意图；
图3为本发明中对整体翼片线切割成两片的切割位置示意图；
图4为本发明翼片外部结构示意图；
图5为本发明翼片的主视透视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如附图2、4、5所示，一种连续波射频四级加速器水冷系统，作为电极的翼片内设有水冷管路1，该翼片为分片结构，水冷管路1开设于翼片的分片2的对接面3上。水冷管路1在对接面3上呈盘盒蛇形开设，且沿翼片长度方向分设多段，每段的进口5和出口6分别引出，该分设段数和每段蛇形管中冷却水流动的方向在具体应用中按相关的优化设计方法确定，附图中所示为3段。水冷管路1可以在一片分片上开设，也可以在两片分片上均开设，在两片分片上均开设时，注意开设的位置、形状相对应，保证两片分片对合时形成一致的水冷管路。水冷管路1周围开设焊料槽4。
下表所列为直管和蛇形管冷却流量的对比关系：
| π | 管径r | 单管长度L/mm | 管数 | 管道体积/mm3 |
| 3.14 | 5 | 1000 | 3 | 235500 |
| 3.14 | 5 | 1020（5） | 3 | 240210 |
| 3.14 | 5 | 1547（7） | 3 | 364318.5 |
表中“（5）”、“（7）”指单管蛇形管的纵向折回程数；
由此可见，本发明的蛇形水冷管路比原来的直管水冷管路体积增大了：364318.5/235500=1.547倍。
上述的连续波射频四级加速器水冷系统的制造方法，根据用户需要确定所需射频四级加速器的结构形式，对各翼片的水冷管路进行最优化设计。制造包括以下具体步骤：
（1）如附图3所述，将整体翼片线切割成两个分片，切割面偏移于整体翼片的中分面；
（2）用高精度数控机床，在切割面上开设多段呈盘盒蛇形的水冷管路；
（3）用高精度数控机床，在切割面上水冷管路周围开设焊料槽，在焊接槽中放入钎焊焊料；
（4）将两个分片的翼片从切割面对合，对合的接缝用电子束焊接合成，目的是保证射频四极加速器材质的一致性和翼片的长久密封性；
（5）用数控机床对合成翼片按照PARMTEQM输出结果进行加工；
（6）进行频率测试，用电子束焊接或者钎焊焊接四片射频四级加速器翼片。
射频四极加速器整体焊接完成后，进行后续的组装、真空和漏水检查；安装功率耦合器，对加速腔进行低功率测量和微调；完成整个射频四级加速器的组装，进行调试、运行。
射频四级加速器系统工作在真空状态下。功率源通过功率耦合器馈入到射频四极加速器并在其内部建立场强，场强的纵向分量把能量传递给粒子束，粒子束得到加速。粒子束加速的前提是射频四极加速器腔体频率是与输入粒子束频率的倍频，这依靠调谐器来调节。随着工作时间的延长，如果射频四级加速器腔体内部积聚了热量，则温度的升高会导致腔体体积变化，从而导致其谐振频率的漂移，使得粒子速度达不到预定的加速值，因此水冷系统对于保证整个系统的稳定性和优良性能十分关键。此外，还需要用一套完整的计算机控制系统来检测和控制整个加速系统及其冷却装置。
Claims (6)
1.一种连续波射频四级加速器水冷系统，翼片内设有水冷管路（1），其特征在于：所述翼片为分片结构，所述水冷管路（1）呈盘盒蛇形开设于所述翼片的分片（2）的对接面（3）上，所述水冷管路（1）周围开设焊料槽（4）。
2.根据权利要求1所述的连续波射频四级加速器水冷系统，其特征在于：所述水冷管路（1）沿所述翼片长度方向分段开设，每段的进口（5）和出口（6）分别引出。
3.根据权利要求1所述的连续波射频四级加速器水冷系统，其特征在于：所述水冷管路（1）在所述分片（2）的对接面（3）上开设的位置、形状相对应。
4.一种权利要求1所述的连续波射频四级加速器水冷系统的制造方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将整体翼片线切割成两个分片；
（2）在切割面上开设水冷管路；
（3）在切割面上水冷管路周围开设焊料槽，在焊接槽中放入焊料；
（4）将两个分片的翼片从切割面对合，对合的接缝用电子束焊接合成；
（5）用数控机床对合成翼片按照PARMTEQM输出结果进行加工；
（6）用电子束焊接或者钎焊焊接四片射频四级加速器翼片。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于：所述切割面偏移于所述整体翼片的中分面。
6.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于：所述焊接槽中放入钎焊焊料。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20130424 |