CN103167718B - 一种单芯棒轮辐式超导加速腔及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种最优β范围为0.1～0.2的单芯棒轮辐式超导加速腔及其制造方法，包括一腔体，腔体由两个形状相同的半腔体焊接而成，腔体轮廓呈类椭球形；腔体的中心对称设置有一对束管孔，两束管孔内分别焊接有一束管，两束管的外侧分别焊接有一法兰；与两束管连线方向垂直，在腔体上对称设置了一对芯棒孔，与两芯棒孔间隔90°的腔体上对称设置有一对清洁孔；两芯棒孔内焊接有一由两半薄壁腔焊接而成的芯棒，芯棒的中间段呈直筒形，两端呈对称的漏斗形，两漏斗形的端口处分别焊接在相应的芯棒孔上；芯棒的中间段穿设并焊接有一中心束管，中心束管与两端束管位于同一轴线上；两清洁孔内分别焊接有一清洁管，两清洁管的外侧分别焊接有一与外接装置连接的法兰。本发明可以广泛应用于加速器驱动嬗变系统的注入器中。

Description

一种单芯棒轮辐式超导加速腔及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种强流质子加速腔，特别是关于一种针对最优β（相对论速度）范围为0.1～0.2，且能够抑制二次电子倍增效应的单芯棒轮辐式超导加速腔及其制造方法。

背景技术

近年来，核能的利用在我国得到迅速发展，核能利用的安全性及核废料处理等问题成为未来限制核能发展的主要问题。作为核能利用问题的解决方案之一的加速器驱动嬗变系统，主要由强流质子直线加速器以及高通量靶组成。单芯棒轮辐式超导腔是强流质子直线加速器的重要组成部分之一（如图5～图7所示），尤其针对中低能段进行加速。其主要优势在于分路阻抗高，在束流通过的路径上没有横向作用场，以及可以独立相位控制等，非常适合用于强流质子直线加速器的低能段加速。

从1989年首次提出单芯棒轮辐式超导腔的概念以来，经过20多年的发展，该类型超导腔的应用范畴、腔形优化设计方法、制造加工工艺技术水平、超导腔后处理工艺水平、以及超导腔的性能等各方面都得到了显著的提高。目前，由美国费米实验室最新设计制造的单芯棒轮辐式超导腔，最大加速梯度可以达到23MV/m，远超过该能量段加速器的运行梯度要求。

但是，单芯棒轮辐式超导腔仍存在较严重的问题。在2MV/m到十几MV/m的较宽加速梯度范围内，存在严重的二次电子倍增效应。而该类型超导腔的运行梯度一般选取7～10MV/m。二次电子倍增效应会大量损耗微波能量，增大超导腔的负载，产生强烈的X射线辐射，造成加速器运行的不稳定。该问题将会限制单芯棒轮辐式超导腔的应用前景。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种针对最优β（相对论速度）范围为0.1～0.2，且适用于加速器驱动嬗变系统注入器的单芯棒轮辐式超导加速腔及其制造方法。

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：它包括一腔体，所述腔体由两个形状相同的半腔体焊接而成，所述腔体中心内凹、外端鼓起，轮廓呈椭球形；所述腔体的中心内凹处对称设置有一对束管孔，两所述束管孔内分别焊接有一束管，两所述束管的外侧分别焊接有一与外接装置连接的法兰；与两所述束管连线方向垂直，在所述腔体上对称设置了一对芯棒孔，与两所述芯棒孔间隔90°的所述腔体上对称设置有一对清洁孔；两所述芯棒孔内焊接有一由两半薄壁腔焊接而成的芯棒，所述芯棒的中间段呈直筒形，两端呈对称的漏斗形，两所述漏斗形的端口处分别焊接在相应的芯棒孔上；所述芯棒的中间段穿设并焊接有一中心束管，所述中心束管与两端所述束管位于同一轴线上；两清洁孔内分别焊接有一清洁管，两所述清洁管的外侧分别焊接有一与外接装置连接的法兰。

所述腔体、束管、芯棒、中心束管和清洁管均采用高纯铌材料制作而成。

所述束管和清洁管连接的各所述法兰均采用铌钛合金制作而成。

一种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，通过冲压模具制作出两个半腔体和两个半芯棒；2）用车床加工出两个束管、一个中心束管、两个清洁管、以及连接所述束管和清洁管的法兰；3）用超声清洗装置，对经步骤1）和步骤2）完成的零件进行超声清洗，清洗时间不少于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18MΩ·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；7）制造完成。

所述步骤6）中，焊接包括以下步骤：①将两束管分别对应焊接在两半腔体内凹处束管孔上；②将两个半腔体焊接成完整的腔体；③将两个半芯棒焊接成芯棒，并将中心束管穿入芯棒，且焊接成一体；④将焊接完成的芯棒通过芯棒孔穿入焊接完成的腔体，并焊接成一体；⑤将两清洁管分别对应焊接在腔体两侧的清洁孔上；⑥将对应的法兰分别焊接在两清洁管和两束管上。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于对腔体的形状进行了改变，腔体外周由圆柱形改为类椭球形，将腔体外围表面电场极小值区域向腔体与芯棒连接处压缩，由于二次电子倍增的稳定振荡轨道发生在电场强度极小值区域，腔体外围产生的二次电子向芯棒方向移动，与发生在腔体外围的二阶及高阶二次电子倍增效应的二次电子向弱场区（清洁孔处）移动的特征行为相反，破坏了二阶及高阶二次电子倍增效应的场强度谐振条件，从而抑制了二阶及高阶二次电子倍增效应。2、本发明由于在芯棒的漏斗形的端部没有设置导角，缩短了二次电子振荡的轨道长度，破坏了一阶二次电子倍增的相位谐振条件，从而抑制了在运行梯度范围附近的一阶二次电子倍增效应，使二次电子倍增效应在较低的加速梯度下发生，避开了加速器运行的梯度范围，从而降低了二次电子倍增的强度，降低了超导腔高功率锻炼的难度。3、本发明由于减少了加工零件的数量，简化了制造加工的复杂程度和电子束焊接的次数，因此缩短制造工期并降低其造价，为加速器建造所需的大量超导腔批量生产打下基础。

附图说明

图1是本发明立体结构示意图

图2是图1的剖视侧视示意图

图3是本发明结构分解示意图

图4是本发明与已有技术在二次电子倍增效应的原理性结果比较图，横坐标为加速梯度（MV/m），纵坐标为二次电子增长率（每次碰撞），“……”表示高价MP_目前已有的，“---”表示高价MP_本发明的，表示一阶MP_目前已有的，表示一阶MP_本发明的

图5是已有技术立体结构示意图

图6是图5的剖视侧视示意图

图7是已有技术分解示意图

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3所示，本发明装置包括一腔体1，腔体1由两个形状完全相同的半腔体1焊接而成，腔体1中心内凹、外端鼓起，轮廓为类椭球形。腔体1的中心内凹处对称设置有一对束管孔2，两束管孔2内分别焊接有一束管3，两束管3的外侧分别焊接有一法兰（图中未示出），通过法兰可以与外接装置连接。与两束管3的连线方向垂直的腔体上对称设置了一对芯棒孔4，与两芯棒孔4间隔90°的腔体1上对称设置有一对清洁孔5。在两芯棒孔4内焊接有一由两半薄壁腔焊接而成的芯棒6，芯棒6的中间段呈直筒形61，两端呈对称的漏斗形62，两漏斗形62的端口处没有设置导角，且分别对应焊接在芯棒孔4上，使腔体1与芯棒6之间形成一加速腔。芯棒6的中间段穿设并焊接有一中心束管7，中心束管7与两端束管3位于同一轴线上。两清洁孔5内分别焊接有一清洁管8，两清洁管8的外侧分别焊接有一法兰（图中未示出），通过法兰可以与外接装置连接。

上述实施例中，腔体1、束管3、芯棒6、中心束管7和清洁管8均采用高纯铌材料制作而成，考虑到密封性和对材料的硬度和韧性的要求，与束管3和清洁管8连接的各个法兰采用铌钛合金制作而成。

本发明内部结构复杂，并且采用薄壁结构，尽管本发明与现有技术相比零件的数量有所减少，但是整个腔体仍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。如图3所示，本发明的制造方法包括以下步骤：

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半腔体1和两个半芯棒6；

2）用车床加工出两个束管3、一个中心束管7、两个清洁管8、以及连接束管3和清洁管8的法兰；

3）用超声清洗装置，对经步骤1）和步骤2）完成的零件进行超声清洗，清洗时间不少于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18MΩ·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将两束管3分别对应焊接在两半腔体1内凹处束管孔2上；

②将两个半腔体1焊接成完整的腔体1；

③将两个半芯棒6焊接成芯棒6，并将中心束管7穿入芯棒6，且焊接成一体；

④将焊接完成的芯棒6通过芯棒孔4穿入焊接完成的腔体1，并焊接成一体；

⑤将两清洁管8分别对应焊接在腔体1两侧的清洁孔5上；

⑥将对应的法兰分别焊接在两清洁管8和两束管3上；

7）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。

如图4所示，采用本发明方法制作的本发明装置在实际使用中，与已有技术（如图5～7）相比具有特别突出的效果，本发明不仅降低一阶及更高价的二次电子增长率，而且减少它们二次电子倍增效应所发生的加速梯度范围。

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 (5)

1.一种单芯棒轮辐式超导加速腔，其特征在于：它包括一腔体，所述腔体由两个形状相同的半腔体焊接而成，所述腔体中心内凹、外端鼓起，轮廓呈椭球形；所述腔体的中心内凹处对称设置有一对束管孔，两所述束管孔内分别焊接有一束管，两所述束管的外侧分别焊接有一与外接装置连接的法兰；与两所述束管连线方向垂直，在所述腔体上对称设置了一对芯棒孔，与两所述芯棒孔间隔90°的所述腔体上对称设置有一对清洁孔；两所述芯棒孔内焊接有一由两半薄壁腔焊接而成的芯棒，所述芯棒的中间段呈直筒形，两端呈对称的漏斗形，两所述漏斗形的端口处分别焊接在相应的芯棒孔上；所述芯棒的中间段穿设并焊接有一中心束管，所述中心束管与两端所述束管位于同一轴线上；两清洁孔内分别焊接有一清洁管，两所述清洁管的外侧分别焊接有一与外接装置连接的法兰。

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：所述腔体、束管、芯棒、中心束管和清洁管均采用高纯铌材料制作而成。

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：所述束管和清洁管连接的各所述法兰均采用铌钛合金制作而成。

4.一种如权利要求1或2或3所述的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，通过冲压模具制作出两个半腔体和两个半芯棒；

2）用车床加工出两个束管、一个中心束管、两个清洁管、以及连接所述束管和清洁管的法兰；

3）用超声清洗装置，对经步骤1）和步骤2）完成的零件进行超声清洗，清洗时间不少于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18MΩ·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；

7）制造完成。

5.如权利要求4所述的一种单芯棒轮辐式超导加速腔的制造方法，其特征在于：所述步骤6）中，焊接包括以下步骤：

①将两束管分别对应焊接在两半腔体内凹处束管孔上；

②将两个半腔体焊接成完整的腔体；

③将两个半芯棒焊接成芯棒，并将中心束管穿入芯棒，且焊接成一体；

④将焊接完成的芯棒通过芯棒孔穿入焊接完成的腔体，并焊接成一体；

⑤将两清洁管分别对应焊接在腔体两侧的清洁孔上；

⑥将对应的法兰分别焊接在两清洁管和两束管上。