CN105246242A - 一种Spoke超导腔调谐器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Spoke超导腔调谐器。本发明的Spoke超导腔调谐器包括位于恒温器内部的调谐臂、压电陶瓷固定座、力矩转向装置、压电陶瓷以及位于该恒温器外部的步进电机；其中，所述压电陶瓷安装于所述压电陶瓷固定座上，所述力矩转向装置一端通过一调谐器主轴与所述步进电机连接，另一端与所述压电陶瓷连接，所述力矩转向装置用于将步进电机的旋转力矩转变设定角度后传动到所述压电陶瓷，所述压电陶瓷固定座与所述调谐臂连接。与现有技术相比，本发明大大改善了调谐器的机械调谐范围，且便于维护。

Description

一种Spoke超导腔调谐器

技术领域

本发明涉及一种Spoke超导腔调谐器，属于粒子加速器、超导低温技术领域。

背景技术

Spoke超导腔调谐器是重离子直线加速器超导高频系统的重要组成部分，是一套机电混合系统。其主体执行机构工作在2K(或4K)低温、高真空、辐射的恶劣环境中，用来控制Spoke超导腔的工作频率：补偿或阻尼超导腔运行时由于洛伦兹力、束流负载效应、麦克风效应等影响造成的超导腔频率变化，以及改变静态失谐频率。

为了更有效、安全地解决核废料问题，核物理学家们提出了加速器驱动次临界系统(ADS)。该系统被科学界公认为是解决大量放射性废物、降低深埋储藏风险的最具潜力的技术途径。2011年，中国科学院启动战略性先导科技专项——未来先进核裂变能——ADS嬗变系统项目，大大推进了ADS相关的研究工作。强流质子超导直线加速器是ADS装置的重要组成部分，对此项目和技术的成败起着决定性的作用。目前强流质子加速器前端注入段和主加速段拟采用Spoke超导腔来加速束流。为了提高Spoke超导腔的加速效率，稳定超导腔的频率，提高束流质量，减小反射功率等，需要频率调谐器对超导腔的频率进行控制。

国际上美国费米实验室研制的Spoke超导腔调谐器结构及工作原理示意图如图1所示：

此调谐器由机械调谐器和压电陶瓷构成。其中机械调谐器由主臂、副臂、弹性臂和低温电机构成。弹性臂固定在超导腔液氦槽的一侧，主臂中间的凸起部分顶住超导腔的端盖。当低温电机转动时，副臂向下运行，并通过压电陶瓷将力作用在主臂上，带动主臂向下运动，从而压缩超导腔使其在轴向产生形变，进而改变腔的频率。此调谐器主臂减速比为2:1，副臂减速比为3:1，因此调谐臂整体的减速比为6:1，即调谐器副臂端施加的作用力与腔轴向受力比为1:6。

此方案存在以下缺点和不足：

(1)机械调谐范围小，约135kHz：由于采用双杠杆结构，虽然增大了调谐的减速比，但由于压电陶瓷不能承受过大的横向剪切力，因此限制了副臂向下运行的位移量，导致调谐范围小。由于超导腔加工制造以及焊接、组装等过程中影响其频率变化的因素很多，因此当腔的频率超出135kHz的范围后，会导致超导腔无法在预先设计的工作频率上运行。

(2)此调谐器采用低温电机，成本高，维修困难：恒温器内部调谐器部分的工作温度约为5K，如此低的温度需要采用运行可靠的电机，目前基本上采用进口的德国步进电机，一套电机约十几万，成本较高；并且工作在低温、辐射、真空的环境中，当电机出现问题后需要将整个恒温器进行复温，然后才能打开恒温器对电机进行更换维修，增大了故障的风险和维修难度，并且维修周期长。

(3)此种调谐器自身没有运行监测和保护设备：调谐器的执行机构工作在真空密闭的低温环境中，如果自身没有监测和保护设备，无法实时监测调谐器的运行状态，容易导致误操作，造成设备损坏。

(4)此调谐器主臂作用到超导腔端盖上的力集中在两个点上，受力不均，易造成局部应力过大、形变大。

以上四点在一定程度上降低了费米实验室调谐器的性能，不利于加速器的调试和稳定运行。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种Spoke超导腔调谐器。本发明具有以下特点：

(1)增大调谐器的机械调谐范围：将调谐臂的双杠杆结构改为单杠杆结构，调谐臂和下拉臂之间通过转动轴连接，并将压电陶瓷固定在U型架内，通过直线导轨保证陶瓷两端压板没有横向位移，由压电陶瓷带动下拉臂向下运动，从而带动调谐臂压缩超导腔，避免了由于二级杠杆(副臂)运动幅度过大导致调谐臂与下拉臂间局部应力变形过大(费米设计方案中主臂和下拉臂间采用的是固定连接)，以及陶瓷受横向剪切力损坏的问题，增大了调谐范围，为超导腔频率调谐留有足够余量，减小了超导腔加工制造、焊接及组装过程的技术难度，并且使设备在满足工作要求的情况下更加简化。

(2)采用常温步进电机：设计合理的机械传动机构将电机从真空低温密闭容器引至常温大气环境中，并充分考虑调谐器的热损，以及与恒温器之间的真空密封问题；

(3)增加调谐器的监测和保护设备：通过增加监测传感器和保护设备，可以实时掌握调谐器的运行状态，保证设备的稳定运行，又能够防止电机误动作造成设备损坏；

(4)增大调谐器力臂与超导腔端盖的受力面积，使作用力尽量均匀。

本发明的技术方案为：

一种Spoke超导腔调谐器，其特征在于，包括位于恒温器内部的调谐臂、压电陶瓷固定座、力矩转向装置、压电陶瓷以及位于该恒温器外部的步进电机；其中，所述压电陶瓷安装于所述压电陶瓷固定座上，所述力矩转向装置一端通过一调谐器主轴与所述步进电机连接，另一端与所述压电陶瓷连接，所述力矩转向装置用于将步进电机的旋转力矩转变设定角度后传动到所述压电陶瓷，所述压电陶瓷固定座与所述调谐臂连接。

进一步的，所述压电陶瓷固定座包括一顶杆、一通过横梁连接的两下拉臂、一U型支架，该两下拉臂另一端与所述调谐臂连接；该U型支架的顶部开口端与一支架连接梁连接，该顶杆一端与该横梁连接，另一端穿过该U型支架底部与一下端陶瓷压板连接，一对导轨一端穿过该上端陶瓷压板，另一端与一下端陶瓷压板固定连接，该上端陶瓷压板能够沿该对导轨上下移动，压电陶瓷安装在该U型支架内的上端陶瓷压板与下端陶瓷压板之间；所述力矩转向装置的一端穿过该支架连接梁与该上端陶瓷压板连接。

进一步的，所述力矩转向装置包括两匹配的锥形齿轮和一丝杠；其中，第一锥形齿轮经一转动轴与所述调谐器主轴连接，第二锥形齿轮经一转动轴与该丝杠一端连接；该丝杠通过一转动轴承与所述支架连接梁连接，该丝杠另一端与该上端陶瓷压板连接。

进一步的，该第一锥形齿轮与该第二锥形齿轮咬合接触，角度相差90°、齿数比为1:3。

进一步的，两所述调谐臂两端设有固定连接杆、中间设有加强臂；与所述调谐臂固定的顶柱末端安装有压力传感器，压力传感器的信号线与该恒温器外部的显示仪表连接；其中，顶柱末端为与超导腔端盖接触的一端。

进一步的，所述顶柱末端分别与同一加强环连接。

进一步的，所述压电陶瓷固定座还包括一用于夹紧压电陶瓷的挡板。

进一步的，所述调谐器主轴包括一隔热节和一柔性铰链联轴器；隔热节内部为中空结构，位于恒温器外筒内侧，一端采用法兰结构与所述力矩转向装置连接，另一端通过法兰结构与该柔性铰链联轴器；该柔性铰链联轴器另一端通过法兰连接结构与一波纹管联轴器连接，该波纹管联轴器另一端与所述步进电机连接。

进一步的，一所述下拉臂上设有限位开关，所述上端陶瓷压板上连接一移动挡块，该移动挡块的一端该限位开关内，与该限位开关相连接的信号线与该恒温器外部的继电保护装置连接；另一所述下拉臂上设有位移传感器，该位移传感器的位移尺末端与该移动挡块的另一端固定连接，该位移传感器的信号传输线与该恒温器外部的位移显示表连接。

与现有技术相比，本发明具有下列有益效果：

调谐器的调谐臂采用一级杠杆结构，简化了调谐臂的复杂度；设计了压电陶瓷座，当调谐臂端部位移过大时，压电陶瓷不会受到横向的剪切力作用，同时丝杠的长度和运动空间也进行了增大调整，大大改善了调谐器的机械调谐范围，使其由现有调谐器的135kHz增大到1MHz，提高了调谐器的工作能力，减小了超导腔制造和组装过程中频率控制的技术难度，并且此种设计结构可以通过接口的适当调整应用到其它的低温机械传动装置上；采用大推力的压电陶瓷，进一步增大了快调谐的范围由1kHz增大至2kHz；通过锥形齿轮转向将调谐器电机安装在恒温器外部，降低了调谐器的制造成本和维修难度，提高了运行的鲁棒性；添加了位移传感器、微型限位开关、低温压力传感器等监测和保护设备，实时监测调谐器的工作状态，保证设备的运行安全。

附图说明

图1为费米调谐器结构及工作原理；

图2为调谐器概念设计示意图；

图3为Spoke超导腔调谐器示意图；

图4为调谐器机械臂结构图；

图5为陶瓷固定座及力矩转向装置图；

图6为调谐器主轴结构图；

图7为保护传感器安装示意图；

图8为Spoke腔调谐器工作原理图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的详细描述。

如图2所示为调谐器的概念设计示意图，Spoke超导腔调谐器的机械执行机构放在恒温器内部，与液氦槽直接连接。为了减小调谐器的故障率，降低超导腔系统的故障维修时间，将调谐器的电机放置在恒温器外部。此设计需要电机主轴穿过80K氮屏和300K恒温器外筒，电机通过外部支架固定在恒温器外筒上。调谐器机械执行机构部分的工作温度约为5K至10K，高真空1×10^-6Pa，辐射的环境中，电机部分温度300K。

(1)如图3所示为本申请的Spoke超导腔调谐器设计方案的示意图。

本方案中设计的Spoke超导腔调谐器主要由：机械调谐臂、压电陶瓷固定座、力矩转向装置、主轴隔热节，压电陶瓷以及常温步进电机等构成。

①弹性臂：与超导腔恒温器相连的根部采用了弹性臂的结构，既便于变形调节，又使调谐器始终处于受力状态，减小空程。

②调谐器的两个主臂两端设有固定连接杆，中间设有加强臂，增强了调谐臂的整体性能和刚性度，如图4所示。

③陶瓷固定座及力矩转向装置。

如图5左侧部分所示为压电陶瓷的固定座，压电陶瓷安装在U型支架内的两个陶瓷压板之间，并通过挡板夹紧陶瓷，防止脱落。两个陶瓷压板通过两根导轨连接，陶瓷上端压板可以沿着导轨滑动，可以防止压电陶瓷受横向剪切力。陶瓷下端板与顶杆固定连接，顶杆中间凸起顶在下拉臂横梁上，末端用螺母锁紧。

如图5右侧部分所示为力矩转向装置，大锥形齿轮与一根丝杠用螺钉固定连接，然后通过转动轴承固定到齿轮固定架上，小锥形齿轮根部与一根转动轴连接，转动轴通过轴承连接到齿轮固定架上，两者之间齿轮咬合接触，角度相差90°，从而将力矩方向进行了90°转向。大锥形齿轮与小齿轮的齿轮数之比为3:1(大齿轮有36齿，小齿轮有12齿)，从而通过齿轮数不同，实现3:1的变速比，增大传递到大齿轮端的力矩。

压电陶瓷固定座与力矩转向装置通过支架连接梁固定在一起，大锥形齿轮根部的丝杠与支架连接梁可以相对转动。用波纹管联轴器将步进电机转动主轴与小锥形齿轮的转动轴连接在一起，当电机转动时，通过转动轴将电机的力矩传递给小锥形齿轮，小锥形齿轮带动大锥形齿轮转动，大锥形齿转旋转使与其固定连接的丝杠旋转，进而带动压电陶瓷上端压板向下运动(也可以向上运动)给压电陶瓷施加向下的作用力，压电陶瓷将作用力传递到陶瓷下端板上，并通过顶杆将力作用到下拉臂横梁上，使下拉臂向下运动，由于下拉臂与调谐臂之间通过转动轴连接，从而带动调谐臂向下运动。

④如图6所示调谐器的主轴主要由图中左侧的隔热节和右侧的柔性铰链联轴器两部分组成。隔热节一般选用低温下导热系数较小的G10隔热材料加工而成，隔热节内部为中空结构，减小热传导面积，进一步降低5K低温至300K常温的热损；隔热节两端采用法兰结构，增大连接强度；柔性铰链联轴器两端也做成法兰连接结构与隔热节接口匹配。

⑤由于调谐器机械结构在恒温器内部，常温步进电机安装在恒温器的外部，在调谐器与恒温器设备组装及降温运行过程中会造成调谐器主轴在空间位置上的偏移，此处通过柔性铰链联轴器来补偿主轴在纵向的收缩和径向的偏移，使调谐器能够更好的工作，如图6所示。

⑥如图7所示与调谐臂固定的两个顶柱末端安装压力传感器，传感器另一侧直接与液氦槽带波纹管一侧的超导腔端板接触，来实时测量调谐器作用到腔上的力大小，压力传感器的信号线通过恒温器上的feedthrough接口连接至外部显示仪表；两个微动限位开关固定在一块固定板上，固定板直接连接到调谐器的左侧下拉臂上，移动挡块与陶瓷的上端压板固定连接，移动挡块的左端在两个限位开关之间，当锥形齿轮转动带动陶瓷上端压板向下或向上运动时，则移动挡块也会一起运动，当移动挡块碰触到对应的限位开关触点时，则与限位开关相连接的信号线会将保护信号送出至恒温器外部的继电保护装置，进行保护连锁；位移传感器的主体部分直接固定到调谐器右侧下拉臂上，位移尺末端与移动挡块的右侧固定连接，当移动挡块运动时，会带动位移传感器的位移尺滑动，位移传感器的电信号通过信号传输线经由恒温器上的feedthrough接口与外界的位移显示表连接，可以直接监测调谐臂一端的位移变化，当调谐器的位移量超过设置的保护限后会输出保护信号给步进电机控制器使其停止动作。

⑦如图4所示，调谐臂的中间部分增加了两个加强臂，并添加了加强环，增大与超导腔端盖的作用面积，使调谐力更加均匀。

(2)工作原理

如图8所示，常温步进电机通过固定支架固定到恒温器外壁上，当电机转动时，电机旋转力矩通过主轴传动到锥形齿轮上，锥形齿轮将力矩90°转向，并经过减速比3:1变比(大齿轮36齿，小齿轮12齿)，带动丝杠旋转(丝杠顶端与大锥形齿轮固定，下端与支架连接梁通过转动轴承固定)，丝杠的中间部分没有螺纹，与支架连接梁之间通过轴承连接，可以自由转动，丝杠与压电陶瓷上端压板可以通过螺纹相对运动(陶瓷上端压板带螺纹孔)，从而丝杠通过压电陶瓷压板将力作用到压电陶瓷上，陶瓷压板向下运动通过顶杆再将力作用到下拉臂上，下拉臂带动调谐器臂向下运动(调谐臂与下拉臂之由通过连接杆兼转动轴连接)，进而调谐臂中间顶柱部分将力作用到增强环和压力传感器上，压缩超导腔的端盖，使超导腔在轴向产生位移(调谐臂前端与中间位移比为2:1)，从而改变腔的频率。图8中的直线导轨起到保护压电陶瓷免受横向剪切力的作用。

当只有压电陶瓷工作时，电机锁定，陶瓷的作用力通过顶杆作用到下拉臂上，使下拉臂带动调谐臂向下运动，改变超导腔的轴向位移。

制作调谐器的材料要求机械强度大、无磁。调谐器的机械部件可以采用316L不锈钢(加工后需要进行去磁处理)，或是钛合金(TA4)。隔热节采用G10隔热材料，可以用一根较长的隔热节，也可以分为两段短的隔热节，如果在隔热节中间添加低温热锚，会进一步降低低温漏热。螺杆和轴套不要用同种材料，螺杆可以用钛合金、不锈钢，轴套可以用黄铜，防止同种材料卡死。可以用柔性铰链联轴器抵消电机主轴纵向和径向的偏差，也可以用花键型铰链联轴器进行替代。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种Spoke超导腔调谐器，其特征在于，包括位于恒温器内部的调谐臂、压电陶瓷固定座、力矩转向装置、压电陶瓷以及位于该恒温器外部的步进电机；其中，所述压电陶瓷安装于所述压电陶瓷固定座上，所述力矩转向装置一端通过一调谐器主轴与所述步进电机连接，另一端与所述压电陶瓷连接，所述力矩转向装置用于将步进电机的旋转力矩转变设定角度后传动到所述压电陶瓷，所述压电陶瓷固定座与所述调谐臂连接。

2.如权利要器1所述的poke超导腔调谐器，其特征在于，所述压电陶瓷固定座包括一顶杆、一通过横梁连接的两下拉臂、一U型支架，该两下拉臂另一端与所述调谐臂连接；该U型支架的顶部开口端与一支架连接梁连接，该顶杆一端与该横梁连接，另一端穿过该U型支架底部与一下端陶瓷压板连接，一对导轨一端穿过该上端陶瓷压板，另一端与一下端陶瓷压板固定连接，该上端陶瓷压板能够沿该对导轨上下移动，压电陶瓷安装在该U型支架内的上端陶瓷压板与下端陶瓷压板之间；所述力矩转向装置的一端穿过该支架连接梁与该上端陶瓷压板连接。

3.如权利要求2所述的poke超导腔调谐器，其特征在于，所述力矩转向装置包括两匹配的锥形齿轮和一丝杠；其中，第一锥形齿轮经一转动轴与所述调谐器主轴连接，第二锥形齿轮经一转动轴与该丝杠一端连接；该丝杠通过一转动轴承与所述支架连接梁连接，该丝杠另一端与该上端陶瓷压板连接。

4.如权利要求3所述的poke超导腔调谐器，其特征在于，该第一锥形齿轮与该第二锥形齿轮咬合接触，角度相差90°、齿数比为1:3。

5.如权利要求1或2或3所述的poke超导腔调谐器，其特征在于，两所述调谐臂两端设有固定连接杆、中间设有加强臂；与所述调谐臂固定的顶柱末端安装有压力传感器，压力传感器的信号线与该恒温器外部的显示仪表连接；其中，顶柱末端为与超导腔端盖接触的一端。

6.如权利要求5所述的poke超导腔调谐器，其特征在于，所述顶柱末端分别与同一加强环连接。

7.如权利要求1或2或3所述的poke超导腔调谐器，其特征在于，所述压电陶瓷固定座还包括一用于夹紧压电陶瓷的挡板。

8.如权利要求1或2或3所述的poke超导腔调谐器，其特征在于，所述调谐器主轴包括一隔热节和一柔性铰链联轴器；隔热节内部为中空结构，位于恒温器外筒内侧，一端采用法兰结构与所述力矩转向装置连接，另一端通过法兰结构与该柔性铰链联轴器；该柔性铰链联轴器另一端通过法兰连接结构与一波纹管联轴器连接，该波纹管联轴器另一端与所述步进电机连接。

9.如权利要求1或2或3所述的poke超导腔调谐器，其特征在于，一所述下拉臂上设有限位开关，所述上端陶瓷压板上连接一移动挡块，该移动挡块的一端该限位开关内，与该限位开关相连接的信号线与该恒温器外部的继电保护装置连接；另一所述下拉臂上设有位移传感器，该位移传感器的位移尺末端与该移动挡块的另一端固定连接，该位移传感器的信号传输线与该恒温器外部的位移显示表连接。