CN103179775A

CN103179775A - 超导加速器、用于超导加速器的超导腔及其制备方法

Info

Publication number: CN103179775A
Application number: CN2013100626947A
Authority: CN
Inventors: 刘振超
Original assignee: Institute of High Energy Physics of CAS
Current assignee: Institute of High Energy Physics of CAS
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2013-06-26

Abstract

本申请涉及超导加速器、用于超导加速器的超导腔及其制备方法，该超导腔的外表面设有散热结构，该超导腔的制备方法其中包括以下步骤：在超导腔的外表面进行刻槽或打孔以使其形成所述散热结构或在超导腔的外表面焊接散热结构。本发明能够有效抑制超导腔的失超现象发生。

Description

超导加速器、用于超导加速器的超导腔及其制备方法

技术领域

本申请涉及加速器领域，尤其涉及超导加速器、用于超导加速器的超导腔及其制备方法。

背景技术

超导加速器是目前加速器领域研发及应用的首选部件。超导腔是超导加速器中的核心部件，其位于超导加速器低温恒温器中，用于加速带电粒子束。在超导腔稳定运行时，其腔内存在着很强的交变电磁场（驻波），其电场强度可用加速梯度表示。对于现在应用的超导腔，随着加速梯度的提高，往往会出现失超现象（quench），即由于超导腔内表面局部缺陷（可以是杂质、裂纹、晶格缺陷等等）在高强电磁场下产生大量热量，而这些热量又不能迅速转移到冷却系统的液氦中，导致缺陷位置温度升高，同时使缺陷周围的超导状态的腔壁转变为非超导状态，周围非超导状态的腔壁又会在高强电磁场下产生大量热量，使这一过程持续恶性循环，最后造成整个超导腔瞬间从超导状态转变为非超导状态。失超会造成液氦的大量蒸发，超导腔梯度不能升高等问题。

发明内容

在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

本发明的一个主要目的在于提供一种能够有效抑制失超现象发生的超导加速器、用于超导加速器的超导腔及其制备方法。

根据本发明的一个方面，一种用于超导加速器的超导腔，该超导腔的外表面设有散热结构。

根据本发明的另一方面，一种制备所述超导腔的方法，其包括步骤：在超导腔的外表面进行刻槽或打孔以使其形成所述散热结构或在超导腔的外表面焊接散热结构。

根据本发明的另一方面，一种超导加速器，其包括上述超导腔。

本发明在超导腔外部设置散热结构，能够增加超导腔散热表面阿基，使得超导腔内部热量能够有效传递至冷却系统，因此能够有效抑制超导腔的失超现象发生。

附图说明

参照下面结合附图对本发明实施例的说明，会更加容易地理解本发明的以上和其它目的、特点和优点。附图中的部件只是为了示出本发明的原理。在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。

图1为根据本发明用于超导加速器的超导腔的一种实施方式的结构示意图；

图2为根据本发明用于超导加速器的超导腔的另一种实施方式的剖面示意图。

具体实施方式

下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

用于超导加速器的超导腔的结构

第一实施方式

申请人发现，对于现在应用的超导腔，随着加速梯度的提高，往往会出现失超现象（quench），即由于超导腔内表面局部缺陷（可以是杂质、裂纹、晶格缺陷等等）在高强电磁场下产生大量热量，而这些热量又不能迅速转移到冷却系统的液氦中，导致缺陷位置温度升高，同时使缺陷周围的超导状态的腔壁转变为非超导状态，周围非超导状态的腔壁又会在高强电磁场下产生大量热量，使这一过程持续恶性循环，最后造成整个超导腔瞬间从超导状态转变为非超导状态。失超会造成液氦的大量蒸发，超导腔梯度不能升高等问题。而对于如何使超导腔内部大量的热能快速转移到冷却系统的液氦中，即对超导腔进行有效散热的问题就变得非常关键。

进一步，申请人发明了一种新的超导腔结构，可以使超导腔内部大量的热能快速转移到冷却系统的液氦中，即可以实现超导腔内部有效散热的问题。下面详述该超导腔的具体结构及其工作原理。

申请人研究发现，导致超导腔失超的一个根本原因是超导腔内表面缺陷产生的热量不能及时有效地传播出去，从而造成雪崩式的连锁反应导致超导腔失超面积迅速从一点（直径约几十微米）扩大到整腔。为了抑制失超，其原理是可以通过有效提高导热效率，使缺陷产生的热量迅速耗散掉。在超导腔内表面存在着高强电磁场，在其外表面是冷却液——液氦，液氦负责超导腔的保温与降温，使超导腔始终保持在超导状态。目前超导腔外表面均是光滑表面，本发明的超导腔结构是在其外表面有效增加其散热表面积来达到高效快速散热的目的。

如图1所示，本发明的超导腔1包括外表面10，该外表面为非光滑表面，即超导腔1的外表面10设置有散热结构。在本实施例中，散热结构为沟槽12，该沟槽12可以有效增加超导腔1外表面10的散热表面积。可以理解的，该沟槽12也可以设置为凹槽、凹凸不平的表面等等，即是说，只要保证超导腔1的外表面10的表面是粗糙表面，有效增加其散热表面积，具体的结构形式不限于本实施例中所举的例子。例如，该沟槽12也可以设置为坑洼不平的若干凹陷部等。

本实施例中，由于在超导腔1外表面10设有沟槽12，有效增加其散热表面积，从而保证超导腔1内表面产生的大量热能通过沟槽12快速传至位于超导腔1外表面的冷却液——液氦，液氦负责超导腔的保温与降温，使超导腔1始终保持在超导状态。从而，超导腔1达到有效抑制失超现象的发生。

下面详述为何增加超导腔的外表面的散热表面积就能实现对超导腔进行散热的工作原理。通常情况下，在超导腔运行状态时，超导腔内存在高频电磁场，超导腔外表面全部浸在液氦中（现在超导腔所用液氦温度一般在2K或1.8K，即超流氦，此时液氦热通量非常大）。超导腔腔壁材料铌的超导转变临界磁场会随着温度的升高而降低，如在2K时，其临界磁场约为240mT，在8.2K时，其临界磁场只有约50mT。而在超导腔内表面，存在着的各种缺陷及杂质会在高强电磁场作用下产生热量，当这些热量不能及时耗散掉时，就会导致腔内壁局部或大部温度升高，其结果就是温度升高部位的所能承受的最大临界磁场阈值变小了，腔内电磁场超过这个阈值则会发生失超。通过有效降低内表面温度，则会提高腔的最大临界磁场阈值，避免失超。而在腔壁至液氦的传热过程中，热在铌中及液氦中的热通量都比较大，热在铌-液氦界面处热通量却非常小，只有其他部分的十分之一或更小。因此，增大铌与液氦接触表面面积能够有效解决热传播的瓶颈问题，从而降低超导腔内壁温度，避免失超发生。

第二实施方式

如图2所示，本实施例中，本发明的超导腔2包括外表面20，该外表面为非光滑表面，即超导腔2的外表面20设置有散热结构。本实施例中，该散热结构为散热装置22，该散热装置22直接贴设于该超导腔2的外表面20。该散热装置22是由散热性能好的材料制成，如铌、铝、铜或是铌、铝与铜混合等等。该散热装置22包括若干散热片220，通过上述散热片可以有效增加该超导腔2外表面20的散热表面积。该散热装置22可以有效增加超导腔2外表面20的散热表面积。由此可以保证将超导腔2外表面20的大量热量通过散热装置22散发出去。

可以理解的，只要保证超导腔2外表面20设有散热片220，能有效增加其散热表面积，散热片具体的结构形式不限于本实施例中所举的例子。

增加超导腔的外表面的散热表面积就能实现对超导腔进行散热的工作原理已经在上述第一实施例中详细介绍，此处原理同上。

本实施例中，由于在超导腔2外表面20设有散热装置22，有效增加其散热表面积，从而保证超导腔2内表面产生的大量热能通过散热装置20快速传至位于超导腔2外表面的冷却液——液氦，液氦负责超导腔的保温与降温，使超导腔2始终保持在超导状态。从而，超导腔2达到有效抑制失超现象的发生。

用于超导加速器的超导腔的制备方法

第三实施方式

上述第一实施例中超导腔1的制备方法与传统的超导腔的制备方法的区别在于超导腔1外表面的加工步骤，即本发明超导腔1的制备方法与传统的超导腔制备方法的区别在，其包括步骤：在超导腔1的外表面10进行刻槽或打孔处理以使其形成沟槽12或是凹陷部。

该超导腔1外表面10加工的具体工艺步骤：一、在半腔焊接前对半腔外表面进行刻槽或打孔处理；二、加工完成后，即可按常规超导腔制作流程进行焊接。具体讲，在第一步骤中，由于铌腔是薄壳结构，最好在半腔焊接前对半腔外表面进行刻槽或打孔处理。其具体步骤是将半腔内侧放置冲压模具的阳模，外侧小孔部位挤压固定，整个装置可放置在铣床上加工出矩形、梯形等沟槽；也可将此半腔放在加工中心，进行外表面打孔（不是通孔）或刻槽加工。完成上述步骤后，即可按常规超导腔制作流程进行焊接。可以理解的，该沟槽12的密度越大，其超导腔1外表面10的散热表面积越大，其超导腔1自身的散热效率就越高。

本实施例中，超导腔1的制备方法中，实现了在超导腔1外表面10形成沟槽12，有效增加其散热表面积，从而保证超导腔1内表面产生的大量热能通过沟槽12快速传至位于超导腔1外表面的冷却液——液氦，液氦负责超导腔的保温与降温，使超导腔1始终保持在超导状态。因此，由该方法制备的超导腔1的结构具有良好的散热效果，进而该超导腔1可以达到有效抑制失超现象的发生。

第四实施方式

上述第二实施例中超导腔2的制备方法与传统的超导腔的制备方法的区别在于，包括步骤：在超导腔2外表面20焊接散热装置22。如焊接散热片、条、带、块等。上述步骤具体包括：在超导腔2外表面焊接散热装置20时，可在超导腔2的半腔上进行焊接，也可在超导腔2的整腔焊接过程中或整腔焊接完成后再在外表面焊接。上述步骤中的焊接指的是散热装置20上的散热片、条、带、块等需与超导腔2腔外表面20形状贴合并全部焊实，只有焊实才能切实提高热从腔壁到散热片的传热效率，同时要保证散热结构的焊接不能造成腔内表面的形貌改变。

本实施例中，超导腔2的制备方法实现了在超导腔2外表面20形成散热装置22，有效增加其散热表面积，从而保证超导腔2内表面产生的大量热能通过散热装置22快速传至位于超导腔2外表面20的冷却液——液氦，液氦负责超导腔的保温与降温，使超导腔2始终保持在超导状态。因此，由该方法制备的超导腔2的结构具有良好的散热效果，进而该超导腔2可以达到有效抑制失超现象的发生。

普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims

1.一种用于超导加速器的超导腔，其特征在于：该超导腔的外表面设有散热结构。

2.如权利要求1所述的用于超导加速器的超导腔，其特征在于：所述散热结构包括设于所述超导腔外表面的沟槽。

3.如权利要求2所述的用于超导加速器的超导腔，其特征在于：所述沟槽的横截面为矩形或梯形其中之一。

4.如权利要求1所述的用于超导加速器的超导腔，其特征在于：所述散热结构包括设于所述超导腔外表面的若干凹陷部。

5.如权利要求1所述的用于超导加速器的超导腔，其特征在于：所述散热结构包括贴合于所述超导腔外表面的散热装置。

6.如权利要求5所述的用于超导加速器的超导腔，其特征在于：所述散热装置包括若干贴合于所述超导腔外表面的散热片。

7.一种超导加速器，其特征在于：包括如权利要求1-6任一项所述的超导腔。

8.一种制备所述权利要求2中超导腔的方法，其特征在于：包括步骤：在超导腔的外表面进行刻槽或打孔形成所述沟槽。

9.如权利要求8所述的制备超导腔的方法，其特征在于：该步骤具体包括在半腔焊接前对半腔外表面进行刻槽或打孔处理。

10.如权利要求9所述的制备超导腔的方法，其特征在于：该步骤具体包括将半腔内侧放置冲压模具的阳模，外侧小孔部位挤压固定，半腔放置在铣床上加工出所述沟槽。

11.如权利要求9所述的制备超导腔的方法，其特征在于：该步骤具体包括将半腔放在加工中心，进行外表面打孔或刻槽加工形成所述沟槽，所述孔不是通孔。

12.一种制备所述权利要求5中超导腔的方法，其特征在于：包括在超导腔外表面焊接散热装置。

13.如权利要求12所述的制备超导腔的方法，其特征在于：该步骤具体包括在超导腔的半腔的外表面进行焊接形成散热装置。

14.如权利要求12所述的制备超导腔的方法，其特征在于：该步骤具体包括在超导腔的整腔焊接过程中或整腔焊接完成后再在外表面焊接散热装置。

15.如权利要求13或14所述的制备超导腔的方法，其特征在于：该步骤中的焊接指的是散热装置上的散热片需与超导腔的外表面形状贴合并全部焊实。