CN106211538B - 一种回旋加速器谐振腔的自动调谐装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种回旋加速器谐振腔的自动调谐装置和方法，该装置包括端与端相对设置的两组DEE板；每组DEE板上、下两侧分别垂直连接一个内杆，每个内杆上均设有移动调谐环；每个调谐环由环形短路板与移动杆构成，所述环形短路板嵌在内杆上，其内侧与内杆电接触，外侧与谐振腔腔壁电接触；所述移动杆一端连接在环形短路板上；与所述内杆相对的腔体上分别连接有反馈探头。该方法包括使用矢量网络分析仪调谐谐振频率，测量反射系数S₁₁最小值对应的频率点f₁，并移动调谐环，当f₁＝f₀时，达到谐振频率点要求。本发明实现了自动调谐腔体频率的目的，通过自动控制调谐环上下移动，改变加速器腔体的长度，使谐振腔在固定谐振频率处工作，避免因失谐造成的损坏。

Description

一种回旋加速器谐振腔的自动调谐装置和方法

技术领域

本发明属于回旋加速器技术领域，涉及一种回旋加速器谐振腔的自动调谐装置和方法。

背景技术

回旋加速器广泛地运用于重离子生物效应、重离子治癌、材料科学和航天器件的单粒子效应等研究领域，尤其是再放射性药物制药、肿瘤治疗等领域做出巨大的贡献。建造拥有自主知识产权的医用回旋加速器，并使其顺利投入运行势在必行。合肥离子医学中心已开展了质子治疗等相关生物医学的研究，并对研制超导回旋加速器做了大量的调研和试验工作。

高频系统作为回旋加速器的重要组成部分，在粒子加速的过程中起着重要的作用，该系统主要包括高功率射频源和谐振腔，而谐振腔的设计是回旋加速器高频系统设计的关键部分。它的固有振荡频率不仅影响到与高频发射机的整机匹配，也决定了加速电场的变化频率，必须与离子的旋转频率同步。

而在实际运行当中，腔体损耗发热引起物理形变导致谐振腔的谐振频率的变化，虽然为了防止腔体热变形而对其进行水冷，但冷却水循坏会引起腔体机械震动，加上其他各种设备引起的腔体机械震动，这些因素都会造成腔体失谐。轻度失谐会引起高频电压的降低和高频信号相位的漂移，对加速器的离子束流造成损失，失谐过大会造成高频发射机与高频腔体之间的不匹配，使高频反射功率过大，高频功率无法全部传输到谐振腔，而向其他薄弱环节反射，造成高频功率源自激振荡，严重时造成高频功率源的损坏，或者造成高频馈线内部的击穿放电，甚至烧毁部分高频馈线。因此必须对腔体进行频率调谐，使腔体的失谐保持在允许的最小范围内。

发明内容

本发明的目的在于提供一种回旋加速器谐振腔的自动调谐装置和方法，用于自动调谐谐振腔频率，使高频腔工作在谐振状态；在加速器结构紧凑的情况下，调谐装置没有占用额外空间，而是利用环形可滑动短路板嵌在内杆上，通过驱动移动杆控制调谐环移动来实现谐振腔频率的调谐。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种回旋加速器谐振腔的自动调谐装置，该调谐装置包括端与端相对设置的两组DEE板；每组DEE板上、下两侧分别垂直连接一个内杆，每个所述内杆上均设有移动调谐环；

每个所述调谐环由环形短路板与移动杆构成，所述环形短路板嵌在内杆上，其内侧与内杆电接触，外侧与谐振腔腔壁电接触；所述移动杆一端连接在环形短路板上；与所述内杆相对的腔体上分别连接有反馈探头。

该自动调谐装置的左、右两侧采用对称的结构，所述内杆、环形短路板、移动杆位于谐振腔一单腔体内。

所述移动杆另一端连接有驱动电机，所述反馈探头与腔体相连，检测腔体内射频信号，用于反馈给控制系统来控制驱动电机调谐移动杆上下移动。

所述反馈探头分布在左、右单腔体的上、下四个位置，通过反馈信号来调谐左、右腔体调谐环的位置达到完全对称。

所述调谐环由六根均布的移动杆与环形短路板相连构成，移动杆一端为电机驱动端口，根据位置信号以及控制信号驱动调谐。

所述单腔体内的环形短路板采用上、下对称结构，环形短路板通过移动杆上、下移动，通过改变腔体的长度来调谐腔体频率。

一种回旋加速器谐振腔的自动调谐方法，该调谐方法包括下述步骤：

1)根据谐振腔物理设计分析，计算出环形短路板的安装位置、内外径尺寸和移动杆尺寸；

2)将环形短路板内侧嵌在内杆上，外侧与腔壁电接触，移动杆的底端与环形短路板连接，顶端与驱动电机相连；

3)使用矢量网络分析仪调谐谐振频率，矢量网络分析仪一端接在馈线输入端，测量反射系数S₁₁，观察S₁₁最小值对应的频率点f₁，将f₁与谐振频率f₀对比，若f₁>f₀，缓慢向上移动环形短路板，反之，则向下移动环形短路板，同时观察S₁₁最小值对应频率点的变化；当f₁＝f₀时，停止移动环形短路板，达到谐振腔工作的频率点。

本发明的有益效果：

1)本发明通过自动控制调谐环的上下移动来调谐频率，避免加速器腔体失谐，且解决了手动调谐靠操作人员的经验调整，调谐时间较长的缺点，实现了自动调谐的功能；

2)本发明采用上下移动结构来调谐频率，没有占用横向空间，结构紧凑，实现了调谐环与腔体的良好电接触，阻抗的平滑过度。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明一种回旋加速器谐振腔的自动调谐装置结构示意图；

图中：1-移动杆；2-顶端环形短路板；3-DEE板；4-顶部探针；5-底部探针；6-移动杆；7-底部探针；8-顶部探针；9-底端环形短路板；10-电连接；11-内杆。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种回旋加速器谐振腔的自动调谐装置，该自动调谐装置的左、右两边采用完全对称的结构，参见图1，包括端与端相对设置的两组DEE板3，两组DEE板3之间为电连接10设置；每组DEE板3上、下两侧分别垂直连接一个内杆11，每个内杆11上均设有移动调谐环；

其中，DEE板3、内杆11与调谐环均设置于谐振腔一单腔体内，该谐振腔的截面呈左、右对称的两个十字型形状；

该调谐环由环形短路板与移动杆构成，具体包括顶端环形短路板2、底端环形短路板9以及顶端移动杆1、低端移动杆6；其中，移动杆一端连接在环形短路板上，环形短路板中部嵌在内杆11上，其内侧与内杆电接触良好，外侧与单腔体腔壁良好的电接触，每个环形短路板上均布有六根移动杆；

上述移动杆的另一端与驱动机构相连，该驱动机构为电机；内杆11端部相对的腔体上分别连接有反馈探头4、5、7、8，反馈探头检测腔体内射频信号，用于反馈给控制系统来驱动电机自动调谐移动杆上下移动，用于调谐腔体的有效长度，改变频率，使得加速腔达到谐振状态；

在单腔体中，内杆11，环形短路板2、9，反馈探头4、5、7、8，移动杆1、6，均采用上下对称结构设置，环形短路板在内杆11上移动，同时确保调谐环与腔壁保持良好电接触，以此来调谐腔体的长度，达到调谐的目的；

参见图1，一种回旋加速器谐振腔的自动调谐方法，该方法包括：将环形短路板2和9的内侧与加速器谐振腔的内杆11相结合，环形短路板2和9的外侧与腔壁相连；一端与环形短路板相连的移动杆1和6的另一端与驱动机构相连；调谐装置采用上下移动结构，用于调谐腔体的有效长度，改变频率，使得加速腔达到谐振状态；反馈探头4、5、7、8与腔体相连，检测腔体内射频信号，用于反馈给控制系统来驱动电机自动调谐移动杆上下移动。

当腔体因为热效应产生形变时，用腔体微扰分析。由电磁场理论可得以下关系：

上式中，ω为微扰后的谐振频率，ω₀为微扰前的谐振频率，是平均电场能量密度和平均磁场能量密度；Δν为体积变化，为微扰后谐振腔内总的平均电磁能量。

环形短路板在内杆上上下移动的同时会改变腔体的磁场分布，从而改变腔体的频率。二分之一波长同轴谐振腔是由两端短路的同轴线构成，谐振频率由谐振腔的长度决定，谐振频率f和谐振腔长度L的关系如下：

式中，p表示谐振模式，c为光速。

通过改变谐振腔长度来补偿由于热效应引起的频率偏移，使加速腔一直处于谐振状态。

本发明的实施方法和步骤主要如下：

1)根据谐振腔物理设计分析，计算出滑动短路板的安装位置、内外径尺寸和移动杆尺寸；

2)将环形可滑动短路板内侧嵌在内杆上，外侧与腔壁接触，保证良好的电接触，调谐环移动杆的最顶端与驱动电机相连；

3)使用矢量网络分析仪调谐谐振频率，矢量网络分析仪一端接在馈线输入端，测量反射系数S₁₁，观察S₁₁最小值对应的频率点f₁，将f₁与谐振频率f₀对比，若f₁>f₀，缓慢向上移动调谐环，反之，则向下移动调谐环，同时观察S₁₁最小值对应频率点的变化；当f₁＝f₀时，停止移动调谐环，这时达到谐振频率点要求。

4)通过反馈控制自动调谐调谐环，避免由于热效应引起的腔内频率变化导致腔体失谐的现象。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (2)

1.一种回旋加速器谐振腔的自动调谐装置，其特征在于，该调谐装置包括端与端相对设置的两组DEE板；每组DEE板上、下两侧分别垂直连接一个内杆，每个所述内杆上均设有移动调谐环；

每个所述调谐环由环形短路板与移动杆构成，所述环形短路板嵌在内杆上，其内侧与内杆电接触，外侧与谐振腔腔壁电接触；所述移动杆一端连接在环形短路板上；与所述内杆相对的腔体上分别连接有反馈探头；

该自动调谐装置的左、右两侧采用对称的结构，所述内杆、环形短路板、移动杆位于谐振腔一单腔体内；

所述移动杆另一端连接有驱动电机，所述反馈探头与腔体相连，检测腔体内射频信号，用于反馈给控制系统来控制驱动电机调谐移动杆上下移动；

所述反馈探头分布在左、右单腔体的上、下四个位置，通过反馈信号来调谐左、右腔体调谐环的位置达到完全对称；

所述调谐环由六根均布的移动杆与环形短路板相连构成，移动杆一端为电机驱动端口，根据位置信号以及控制信号驱动调谐；

所述单腔体内的环形短路板采用上、下对称结构，环形短路板通过移动杆上、下移动，通过改变腔体的长度来调谐腔体频率。

2.根据权利要求1所述的一种回旋加速器谐振腔的自动调谐装置，其特征在于，该自动调谐装置的调谐方法包括：

1)根据谐振腔物理设计分析，计算出环形短路板的安装位置、内外径尺寸和移动杆尺寸；

2)将环形短路板内侧嵌在内杆上，外侧与腔壁电接触，移动杆的底端与环形短路板连接，顶端与驱动电机相连；

3)使用矢量网络分析仪调谐谐振频率，矢量网络分析仪一端接在馈线输入端，测量反射系数S₁₁，观察S₁₁最小值对应的频率点f₁，将f₁与谐振频率f₀对比，若f₁>f₀，缓慢向上移动环形短路板，反之，则向下移动环形短路板，同时观察S₁₁最小值对应频率点的变化；当f₁＝f₀时，停止移动环形短路板，达到谐振腔工作的频率点。