CN106231774A - 一种带有补偿电容的高频腔体及其工作频率调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于回旋加速器技术领域，具体涉及一种带有补偿电容的高频腔体及其工作频率调节方法。带有补偿电容的高频腔体包括设置在高频腔体外壳内部的高频腔体加速电极板，设置在高频腔体外壳内部的尾部中间位置的微调电容，高频腔体加速电极板、微调电容问的距离可调整，其中，还包括设置在高频腔体外壳内部的尾部、位于微调电容两侧的一对补偿电容，补偿电容用于为高频腔体提供对工作频率的调整。该高频腔体结构简单、拆装方便、工作频率调整简便快捷、造价低，能够满足运行中的高频腔体的工作频率的调节精度。

Description

一种带有补偿电容的高频腔体及其工作频率调节方法

技术领域

本发明属于回旋加速器技术领域，具体涉及一种带有补偿电容的高频腔体及其工作频率调节方法。

背景技术

回旋加速器是利用磁场和电场共同使带电粒子作回旋运动，在运动中经高频电场反复加速的装置，是高能物理中的重要仪器，其中超导回旋加速器是目前医用质子治疗加速器的核心设备。医用质子治疗加速器能够实现用微观世界中的质子、重离子射线治疗肿瘤，是当今世界最尖端的放射治疗技术，仅有个别发达国家掌握并应用该技术。

医用质子治疗加速器的建设过程中必须要考虑建造时间，以便节省成本。(质子治疗加速器的使用需要配备必备的硬件设施，包括超导回旋加速器在内的各种设备部件的建造调试，还包括土建、内外装饰、消防、给排水、配电照明、空调通风等，工程难度大、专业技术要求高、新建工艺复杂，投资巨大，成本昂贵)。

其中，超导回旋加速器的高频腔体用于为带电粒子加速提供加速能量，高频腔体的工作频率为点频，该工作频率(也称作“谐振频率”)由回旋加速器中主磁铁的最终的磁场测量结果确定。为了节省超导回旋加速器的建造时间，高频腔体的建造和加工往往与主磁铁的加工同步完成。

在回旋加速器设计建造时，主磁铁的磁场可预先通过ANSYS等电磁场仿真软件仿真得到，通过仿真估算的主磁铁的BH曲线与最终加工完成后的主磁铁的实际BH曲线有一定的偏差。这就造成只有在加工完成主磁铁并对主磁铁测磁完成后，才能确定高频腔体准确的工作频率(谐振频率)。由于高频腔体的建造和加工往往与主磁铁的加工同步完成。这就造成高频腔体预先设计的工作频率只能以仿真估算的主磁铁磁场数据为参考，其频率调整范围一般不超过2MHz，待主磁铁的磁场测量完成后再根据主磁铁的实际磁场数据调整高频腔体的结构，使高频腔体的实际工作频率与根据主磁铁的实际磁场数据所得到的工作频率相一致，满足带电粒子加速的要求。高频腔体内设置的微调电容对工作频率的调节范围一般为0.4MHz，只需补偿发热变形引起的腔体频率变化即可，但其调整范围远远低于预先设计的工作频率的2MHz的调整范围，因此无法单独依靠微调电容对高频腔体的工作频率进行调整。

为解决上述矛盾，目前国际上采取的方法一般有两种。一种方法是在高频腔体的设计时有意减小高频腔体加速电极板与高频腔体外壳之间的距离，增加高频腔体的分布电容，使高频腔体的工作频率与频率调整要求的下限保持一致，在此基础上完成高频腔体的初步加工。待主磁铁完成磁场测量给出确定的工作频率后，再对高频加速电极板的边缘进行加工休整，减小分布电容，使高频腔体最终的工作频率达到物理要求。由于高频加速电极边缘结构复杂，需要对边缘进行多次加工才能达到最终要求，往往耗时较长。另一种方法是增加微调电容的面积至原有面积的5倍左右，使微调电容对高频腔体的工作频率的调节能力由0.4MHz提升至2MHz，这种方法虽可快速的完成高频腔体的频率调整过程，但是在高频腔体运行过程中，由于微调电容对应单位距离的频率调节量过大，使得微调电容对发热引起的形变补偿过于粗糙，引起难以进行精确控制的问题。

发明内容

针对现有的上述两种方法的弊端，本发明的目的是设计一种高频腔体，在保持微调电容的调节能力不变的情况下，采取在高频腔体外壳尾部选取对应高频腔体加速电极板的位置安装固定的频率调节的补偿电容的方式，既可降低高频腔体的工作频率调整过程的复杂性、降低造价、节约高频腔体工作频率调整所需时间，又不会降低运行中的高频腔体的频率调节精度。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种带有补偿电容的高频腔体，包括设置在高频腔体外壳内部的高频腔体加速电极板，设置在所述高频腔体外壳内部的尾部中间位置的微调电容，所述高频腔体加速电极板、微调电容间的距离可调整，其中，还包括设置在所述高频腔体外壳内部的尾部、位于所述微调电容两侧的一对补偿电容，所述补偿电容用于为所述高频腔体提供对工作频率的调整。

进一步，所述补偿电容为实心结构，采用无氧铜制作，通过调整所述补偿电容顶部的补偿电容顶面与所述高频腔体加速电极板之间的距离来实现对所述高频腔体的工作频率的调整。

更进一步，通过对所述补偿电容顶面进行打磨切削来实现所述补偿电容顶面与所述高频腔体加速电极板之间的距离的调整。

进一步，所述补偿电容顶部的补偿电容顶面边缘设有倒角，所述倒角用于防止所述高频腔体加速电极板、补偿电容之间发生放电打火。

更进一步，所述倒角的圆弧半径不小于5mm。

进一步，所述补偿电容底部的补偿电容底面与所述高频腔体外壳相接触的边缘设有刀口结构，所述刀口结构用于实现所述补偿电容与所述高频腔体外壳的全面的线接触，防止局部点接触造成的接触电阻过大问题。

更进一步，所述补偿电容底面与所述刀口结构的表面的高度差不小于1mm，所述刀口结构的表面的宽度为0.5mm。

进一步，所述补偿电容底面设有紧固螺丝孔，所述紧固螺丝孔用于通过螺钉将所述补偿电容设置在所述高频腔体外壳内。

进一步，在所述高频腔体外壳上的设置所述补偿电容的位置设有多个真空通气孔，所述真空通气孔用于避免真空状态下所述补偿电容的所述补偿电容底面与所述高频腔体外壳之间存在气体。

为达到以上目的，本发明还公开了一种采用以上所述的带有补偿电容的高频腔体的工作频率调节方法，所述高频腔体的工作频率由主磁铁的磁场决定，所述高频腔体和所述主磁铁同时建造，所述高频腔体的设计工作频率通过对所述主磁铁的磁场的模拟计算数值得到，所述高频腔体的最终工作频率通过建造完成后的所述主磁铁的最终磁场测量数值得到，所述设计工作频率与所述最终工作频率之间存在偏差；所述工作频率的调接方法，包括如下步骤：

步骤(S1)，根据对所述主磁铁的磁场的所述模拟计算数值得到的所述设计工作频率，建造所述高频腔体及所述补偿电容；所述设计工作频率包括一定的频率范围，增加所述补偿电容时，所述高频腔体的工作频率满足所述设计频率的下限；减小所述补偿电容时，所述高频腔体的工作频率满足所述设计频率的上限；

步骤(S2)，通过所述主磁体的所述最终磁场测量数值得到所述高频腔体的所述最终工作频率；

步骤(S3)，调整所述补偿电容顶面至所述高频腔体加速电极板之间的距离、测量所述高频腔体的实际工作频率，并与步骤(S2)中得到的所述最终工作频率进行对比；

步骤(S4)，重复步骤(S3)，直到所述高频腔体的实际工作频率等于步骤(S2)中得到的所述最终工作频率。

本发明的有益效果在于：本发明通过在高频腔体外壳尾部选取对应高频腔体加速电极板的位置设置补偿电容，只需要调整补偿电容顶面与高频腔体加速电极板之间的距离即可完成高频腔体的工作频率的调整，简化了之前高频腔体的工作频率调整过程中需要多次拆装、加工高频腔体加速电极板的复杂过程。本发明中补偿电容的结构简单、拆装方便，既可降低高频腔体的工作频率调整过程的复杂性、造价，节约高频腔体的工作频率调整时间，又不会降低运行中的高频腔体的工作频率的调节精度。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中所述带有补偿电容的高频腔体的俯视图；

图2是本发明具体实施方式中所述带有补偿电容的高频腔体的侧视示意图；

图3是本发明具体实施方式中所述补偿电容的底面视图；

图4是本发明具体实施方式中所述补偿电容的顶面视图；

图5是本发明具体实施方式中所述补偿电容的所述刀口结构的示意图；

图中：1-高频腔体加速电极板，2-高频腔体外壳，3-补偿电容，4-夹板，5-微调电容，6-补偿电容顶面，7-补偿电容底面，8-刀口结构，9-紧固螺丝孔，10-高频腔体内杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

如图1、2所示，本发明提供的一种带有补偿电容的高频腔体，包括设置在高频腔体外壳2内部的高频腔体加速电极板1(高频腔体加速电极板1通过高频腔体内杆10设置在高频腔体外壳2内，高频腔体内杆10在机械上起支撑作用，在电回路上主要起电感的作用，同高频腔体加速电极板1与高频腔体外壳2之间形成的电容合起来才能谐振，材料与高频腔体加速电极板1、高频腔体外壳2等结构均为无氧铜材料)，设置在高频腔体外壳2内部的尾部中间位置的微调电容5(超导回旋加速器的高频腔体一般对于中心区说“头部”，后面设置微调电容的位置称为“尾部”)，微调电容5能够在图中X2的距离范围内做位置调整，通过调整微调电容5与高频腔体加速电极板1之间的距离X2实现对高频腔体的工作频率的调整(微调电容5对工作频率的调整范围在0-0.4MHz之间)。高频腔体的工作频率为点频，在本实施例中，高频腔体的工作频率的调整范围小于等于2MHz。其中，还包括设置在高频腔体外壳2内部的尾部、位于微调电容5两侧的一对补偿电容3(两个)，补偿电容3用于为高频腔体提供对工作频率的调整，在本实施例中，补偿电容3提供的工作频率调整的幅度小于等于2MHz。

补偿电容3为实心结构，采用无氧铜制作，通过调整补偿电容3顶部的补偿电容顶面6与高频腔体加速电极板1之间的距离来实现高频腔体的腔体谐振频率调整。通过对补偿电容顶面6进行打磨切削来实现补偿电容顶面6与高频腔体加速电极板1之间的距离的调整。调整距离时对两个补偿电容3都进行打磨切削，两个补偿电容3的厚度保持一致。

如图4所示，补偿电容3顶部的补偿电容顶面6边缘设有倒角，倒角是用于防止高频腔体加速电极板1与补偿电容3之间发生放电打火。倒角的圆弧半径不小于5mm。

如图5所示，补偿电容3底部的补偿电容底面7与高频腔体外壳2相接触的边缘设有刀口结构8。补偿电容底面7与刀口结构8的表面的高度差不小于1mm(即图5中的距离B不小于1mm)，刀口结构8的表面的宽度为0.5mm(即图5中的距离A为0.5mm)。刀口结构8用于实现补偿电容3与高频腔体外壳2的全面的线接触，防止局部点接触造成的接触电阻过大问题。由于补偿电容3与高频腔体外壳2之间需要良好的电接触，如果没有刀口结构8，补偿电容3的底部就是一个平板，然而现实中补偿电容3的底部与高频腔体外壳2之间不会是面接触，只可能是多点接触，也就是说突出的位置接触上之后，其他的位置就会虚接，造成补偿电容3位置局部的接触电阻过大，从而影响高频腔体的高频性能，增大功率损耗，通过刀口结构8能够实现补偿电容3与高频腔体外壳2之间的良好的电接触。

如图3所示，补偿电容底面7设有紧固螺丝孔9，通过螺钉将补偿电容3设置在高频腔体外壳2内。

在高频腔体外壳2上的设置补偿电容3的位置设有多个真空通气孔，真空通气孔用于避免真空状态下补偿电容3的补偿电容底面7与高频腔体外壳2之间存在气体。

本发明还提供了一种带有补偿电容的高频腔体的工作频率调节方法。高频腔体的工作频率由主磁铁的磁场决定，高频腔体和主磁铁同时建造，高频腔体的设计工作频率通过对主磁铁的磁场的模拟计算数值得到，高频腔体的最终工作频率通过建造完成后的主磁铁的最终磁场测量数值得到，高频腔体的设计工作频率与最终工作频率之间存在偏差(在本实施例中，这个偏差小于等于2MHz)；高频腔体的工作频率调节方法包括如下步骤：

步骤S1，根据对主磁铁的磁场的模拟计算数值得到的设计工作频率，建造高频腔体及补偿电容3；设计工作频率包括一定的频率范围，在增加补偿电容3时(也就是在高频腔体内安装补偿电容3)，高频腔体的工作频率满足设计频率的频率范围的下限；在减小甚至不增加补偿电容3时，高频腔体的工作频率满足设计频率的频率范围的上限(补偿电容3减小，高频腔体的工作频率升高)；其中，所述的“减小”补偿电容3是指减小补偿电容3的外表面面积(也就是减小补偿电容3的体积)。

步骤S2，通过主磁体的最终磁场测量数值得到高频腔体的最终工作频率；

步骤S3，调整补偿电容顶面6至高频腔体加速电极板1之间的距离(通过对两个补偿电容3顶部的补偿电容顶面6进行切削打磨，减少补偿电容3的厚度)、测量高频腔体的实际工作频率，并与步骤S2中得到的最终工作频率进行对比；此步骤就是通过减少补偿电容3的外表面面积来实现对高频腔体的实际工作频率的调整，还包括其他的减少补偿电容3的外表面面积的方式，因为“对补偿电容顶面6进行切削打磨”的方式相对容易操作、便于达到调整效果，所以在本实施例中采用这样的方式。

步骤S4，重复步骤S3，直到高频腔体的实际工作频率等于步骤S2中得到的最终工作频率。

最后举例说明本发明所提供的一种带有补偿电容的高频腔体及其工作频率调节方法的具体应用。

在某质子回旋加速器高频腔体设计时，由于没有最终的磁场测量结果，要求高频腔体的最终的工作频率(即设计频率)可在43MHz-45MHz调整。在设计时，选取高频腔体外壳尾部对应高频腔体加速电极板1的位置设置了2个补偿电容3，通过有限积分软件模拟得到带有调节电容3的高频腔体的工作频率为43MHz，去掉调节电容3的高频腔体频率为45MHz。为节约工期，高频腔体的加工与回旋加速器主磁铁的加工同步完成。最终，根据完工后的主磁铁的磁场测量的结果推算出高频腔体的工作频率为44.8125MHz，此时安装调节电容3后高频腔体的工作频率为43MHz，通过机加工的方式(切削打磨)减少两个补偿电容3的厚度，增大补偿电容顶面6与高频腔体加速电极板1的距离X1，经过数次调整后，高频腔体的工作频率达到44.8125MHz，完成高频腔体投入运行之前的工作频率的调整工作。

本发明所提供的带有补偿电容的高频腔体及其工作频率调节方法能够用于其他类型的等时性回旋加速器(等时性回旋加速器是回旋加速器的一个分支)。

本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (10)

1.一种带有补偿电容的高频腔体，包括设置在高频腔体外壳(2)内部的高频腔体加速电极板(1)，设置在所述高频腔体外壳(2)内部的尾部中间位置的微调电容(5)，所述高频腔体加速电极板(1)、微调电容(5)间的距离可调整，其特征是：还包括设置在所述高频腔体外壳(2)内部的尾部、位于所述微调电容(5)两侧的一对补偿电容(3)，所述补偿电容(3)用于为所述高频腔体提供对工作频率的调整。

2.如权利要求1所述的高频腔体，其特征是：所述补偿电容(3)为实心结构，采用无氧铜制作，通过调整所述补偿电容(3)顶部的补偿电容顶面(6)与所述高频腔体加速电极板(1)之间的距离来实现对所述高频腔体的工作频率的调整。

3.如权利要求2所述的高频腔体，其特征是：通过对所述补偿电容顶面(6)进行打磨切削来实现所述补偿电容顶面(6)与所述高频腔体加速电极板(1)之间的距离的调整。

4.如权利要求2所述的高频腔体，其特征是：所述补偿电容(3)顶部的补偿电容顶面(6)边缘设有倒角，所述倒角用于防止所述高频腔体加速电极板(1)、补偿电容(3)之间发生放电打火。

5.如权利要求4所述的高频腔体，其特征是：所述倒角的圆弧半径不小于5mm。

6.如权利要求1所述的高频腔体，其特征是：所述补偿电容(3)尾部的补偿电容底面(7)与所述高频腔体外壳(2)相接触的边缘设有刀口结构(8)，所述刀口结构(8)用于实现所述补偿电容(3)与所述高频腔体外壳(2)的全面的线接触，防止局部点接触造成的接触电阻过大问题。

7.如权利要求6所述的高频腔体，其特征是：所述补偿电容底面(7)与所述刀口结构(8)的表面的高度差不小于1mm，所述刀口结构(8)的表面的宽度为0.5mm。

8.如权利要求6所述的高频腔体，其特征是：所述补偿电容底面(7)设有紧固螺丝孔(9)，所述紧固螺丝孔(9)用于通过螺钉将所述补偿电容(3)设置在所述高频腔体外壳(2)内。

9.如权利要求6所述的高频腔体，其特征是：在所述高频腔体外壳(2)上的设置所述补偿电容(3)的位置设有多个真空通气孔，所述真空通气孔用于避免真空状态下所述补偿电容(3)的所述补偿电容底面(7)与所述高频腔体外壳(2)之间存在气体。

10.一种权利要求1至9任一项所述的带有补偿电容的高频腔体的工作频率调节方法，所述高频腔体的工作频率由主磁铁的磁场决定，所述高频腔体和所述主磁铁同时建造，所述高频腔体的设计工作频率通过对所述主磁铁的磁场的模拟计算数值得到，所述高频腔体的最终工作频率通过建造完成后的所述主磁铁的最终磁场测量数值得到，所述设计工作频率与所述最终工作频率之间存在偏差；其特征在于：所述工作频率的调接方法包括如下步骤：

步骤(s1)，根据对所述主磁铁的磁场的所述模拟计算数值得到的所述设计工作频率，建造所述高频腔体及所述补偿电容；所述设计工作频率包括一定的频率范围，增加所述补偿电容时，所述高频腔体的工作频率满足所述设计频率的下限；减小所述补偿电容时，所述高频腔体的工作频率满足所述设计频率的上限；

步骤(S2)，通过所述主磁体的所述最终磁场测量数值得到所述高频腔体的所述最终工作频率；

步骤(S3)，调整所述补偿电容顶面至所述高频腔体加速电极板之间的距离、测量所述高频腔体的实际工作频率，并与步骤(S2)中得到的所述最终工作频率进行对比；

步骤(S4)，重复步骤(S3)，直到所述高频腔体的实际工作频率等于步骤(S2)中得到的所述最终工作频率。