CN106329034A - 一种用于紧凑型超导回旋加速器高频谐振腔同轴波导的快捷接头 - Google Patents

一种用于紧凑型超导回旋加速器高频谐振腔同轴波导的快捷接头 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于紧凑型超导回旋加速器高频谐振腔同轴波导的快捷接头，包括内导体与绝缘支撑；所述内导体为圆柱形形状，其外侧壁具有中间段、以及位于中间段两侧的螺旋接头段；位于中间段与两侧螺旋接头段之间的内导体外侧壁上均设有两个抗流槽，在两个抗流槽之间设有环向突起部；所述中间段环侧壁上均布设有三个安装孔，每个安装孔内均设有一绝缘支撑，该绝缘支撑插入端螺纹连接一弹簧，弹簧固定连接在安装孔内，绝缘支撑外端为圆角处理；所述中间段的两端面分别开设有第一台阶；两个所述螺旋接头段的外端面分别开设有第二台阶。本发明结构简单，外形尺寸小，可以方便快捷的对同轴波导进行安装、维护和替换。

Description

一种用于紧凑型超导回旋加速器高频谐振腔同轴波导的快捷 接头
技术领域
本发明属于特殊环境下的快速连接技术，涉及一种用于高频谐振腔同轴波导快速连接的技术，具体是一种用于紧凑型超导回旋加速器高频谐振腔同轴波导的快捷接头，特别是接头材料选择、绝缘支撑设计及抗流槽的设计，可有效防止同轴线打火的事故。
背景技术
回旋加速器在核医学领域有着广泛的应用，尤其是在放射性药物制药，肿瘤治疗等领域做出了巨大的贡献。合肥离子束医学中心已开展了质子治疗等相关生物医学的研究工作，并对研制超导回旋加速器做了大量的调研和试验工作。质子回旋加速器的主机系统采用谐振腔的电场对离子加速，高功率微波采用同轴波导馈入射频谐振腔，从功率源到谐振腔，同轴波导不可避免的需要分段和弯曲，为了使系统的可用性和可维护性更好，同时也降低维护成本，需要一种便捷可靠的连接方式，考虑到回旋加速器的特殊的工作环境，我们需要进行一些特殊的处理，比如同轴波导和快速接头的连接方式，同轴波导传统的连接接头分为插接头和平接头，我们在馈入系统中主要采用插接头形式，采用螺纹连接。除了连接方式，我们还要考虑怎么减少支撑的因爬电现象造成的空气击穿，和内导体的中心定位，同时还要考虑系统内导体表面电流造成的接口处的因电接触造成的打火现象，并要保证系统可检测和可维护性。如此多的苛刻要求，给设计回旋加速器同轴波导的快捷连接的设计提出了一个难题。目前在市场上，应用与回旋加速器的快捷接头很少见。
固体绝缘材料的主要作用在于支撑隔离内导体。固体绝缘材料的电器性能通常用两极间沿绝缘材料内部的击穿电压和表面放电电压即闪络电压来衡量。固体绝缘材料和它所隔离的带电导体都在绝缘介质环境中，如果提高带电导体的电压，就会在绝缘材料和绝缘介质的交界面上出现放电现象，这种放电成为沿面放电。沿面放电发展成贯穿性的击穿现象称为闪络。在施加电压下会发生沿介质表面的闪络现象，导致系统绝缘失败，由于固体绝缘材料与真空界面的沿面电压比同一间隙距离下固体电介质本身的击穿电压低几倍到几十倍，是整个系统中绝缘最为薄弱的部分，因此真空中沿面闪络的制约各种真空电气设备耐压能力的重要因素。
真空沿面闪络一般分为以下三个阶段：初始电子形成阶段，电子倍增阶段和形成贯穿性导电通道阶段。本文采用占主导地位，较易为人们认可的二次电子发射崩假说(SEER理论)。基于SEER模型，介质表面电阻不均匀和介质表面粗糙都会畸变表面电场的分布，使闪络电压降低；而当绝缘子的表面电阻率适当降低使，会使表面附着电荷较快泄露，从而削弱表面电荷增强局部电场的作用，可提高闪络电压。在此基础上，很多学者探索改善闪络特性的方法，如改造电极结构，研磨材料表面，预放电处理，通过表面涂层减少电阻率及二次电子发射系数等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于紧凑型超导回旋加速器高频谐振腔同轴波导的快捷接头，此快速接头主要是解决了绝缘支撑、螺旋接头等问题，其具有结构简单、外形尺寸小、重量轻、可快速更换、可用性高等特点。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种用于紧凑型超导回旋加速器高频谐振腔同轴波导的快捷接头，包括内导体与绝缘支撑；所述内导体为圆柱形形状，其外侧壁具有中间段、以及位于中间段两侧的螺旋接头段；其中，位于中间段与两侧螺旋接头段之间的内导体外侧壁上均设有两个抗流槽，在两个抗流槽之间设有环向突起部；
所述中间段环侧壁上均布设有三个安装孔，每个安装孔内均设有一绝缘支撑，该绝缘支撑插入端螺纹连接一弹簧，弹簧固定连接在安装孔内，绝缘支撑外端为圆角处理；
所述中间段的两端面分别开设有第一台阶；两个所述螺旋接头段的外端面分别开设有第二台阶。
所述内导体两端内部为空腔设置，分别形成一内导体通道，两端的空腔之间设有间隔部，沿间隔部环向均布设有三个通道。
所述第一台阶、第二台阶与安装孔的边缘处均为圆角处理；以所述中间段所在环面为基准面，第一台阶的高度、第一台阶与螺旋接头段之间的高度、以及第二台阶的高度均为0.01mm-0.13mm；所述倒圆角的半径为3mm；所述抗流槽的槽深为5mm。
所述绝缘支撑采用石英玻璃绝缘棒，绝缘支撑与内导体用弹性连接。
所述第二台阶上设有一涂覆层，涂覆层选用时效硬化型铍铜合金。
所述第一台阶、第二台阶采用两端对称的台阶槽口设计。
所述绝缘支撑的安装孔与绝缘支撑紧密配合，安装孔大R角处理。
快速接头极限运行环境：同轴波导大气侧充空气(标准气压)。内导体的内通道通入25摄氏度的水。根据同轴波导的快速连接接头的具体空间尺寸及内导体要求：90MHz120kw馈入射频功率
本发明快捷接头的螺旋接头，根据以往的实践知道，快速接头损坏率最高的原因之一是与同轴线的插头的打火现象。根据接触电阻理论，同轴线插接头材料需要选择良导体材料并且弹性较好涂覆层，但是避免选择镀银。同轴线插头材料选用时效硬化型铍铜合金性能最优，例如选择铍青铜QBe2.15。同时，在插芯和插孔结合界面设有足够伸缩缝隙，释放热胀冷缩带来的应力。
本发明快速接头的抗流槽，同轴线传输线的内导体的表面存在表面电流，所以会在表面产生焦耳热，这会增加同轴波导的内部的温度，导致在电极-绝缘体-介质处自由电子的增多，容易引发闪络击穿。所我们对快速接头采用抗流槽结构，减少表面电流的产热对绝缘支撑和金属处自由电子的影响。
本发明的有益效果在于：
1)本发明用于连接馈入回旋加速器谐振腔的传输线的快速接头，减少更换接头和同轴线的次数，增强系统的密封性；
2)本发明结构简单，外形尺寸小，重量轻，便于快速接头和同轴线的更新和扩展；可以方便快捷的对同轴传输线进行安装、维护和替换。更重要的是，与传统的同轴波导的相比，本发明很好的解决了腔内打火的问题；
3)本发明不仅满足传统的快捷接头的性能，还进一步提高了绝缘支撑的防闪络击穿性能；
4)本发明绝缘支撑采用石英玻璃绝缘棒材料，绝缘支撑和内导体采用弹性连接，弹簧和绝缘支撑采用螺纹连接，这样可以快捷的进行中心定位并且为了减少径向电场的改变而导致闪络击穿现象；同时对绝缘支撑做老练、预闪络处理，表面研磨加工等程序提高绝缘支撑的闪络性能。
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为本发明快捷接头轴侧示意图；
图2为本发明快捷接头剖面示意图；
图3为本发明快捷接头侧面示意图；
图4为本发明快捷接头主视示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的用于紧凑型超导回旋加速器高频谐振腔同轴波导的快捷接头做详细描述。
一种用于紧凑型超导回旋加速器高频谐振腔同轴波导的快捷接头，参见图1-4，包括内导体与绝缘支撑1；其中，该内导体为圆柱形形状，其两端内部为空腔设置，分别形成一内导体通道8，两端的空腔之间设有间隔部12，沿间隔部12环向均布设有三个通道11；
该内导体外侧壁设有中间段10、以及位于中间段10两侧的螺旋接头段3；其中，位于中间段10与两侧螺旋接头段3之间的内导体外侧壁上均设有两个抗流槽2，在两个抗流槽2之间设有环向突起部6；
中间段10环侧壁上均布设有三个安装孔9，参见图2，每个安装孔9内均插入一绝缘支撑1，该绝缘支撑1插入端螺纹连接一弹簧5，弹簧5固定连接在安装孔9内，绝缘支撑1外端为圆角处理；
在中间段10的两端面分别开设有第一台阶7，在两个螺旋接头段3的外端面分别开设有第二台阶4；其中，第一台阶7、第二台阶4与安装孔9的边缘处均为圆角处理；
本发明上述技术方案中，以中间段10所在环面为基准面，第一台阶7的高度、第一台阶7与螺旋接头段3之间的高度、以及第二台阶4的高度均为0.01mm-0.13mm；倒圆角的半径为3mm；抗流槽的槽深为5mm。
其中，绝缘支撑1采用石英玻璃绝缘棒，绝缘支撑1与内导体用弹性连接，方便内导体的中心定位，并且为了减少径向电场的改变而导致空气击穿现象，可以根据不同直径调节绝缘支撑的长度；另外绝缘支撑顶端圆角处理，使绝缘支撑顶端与外导体点连接，确保内导体处在中心位置；该发明结构简单，外形尺寸小，可以方便快捷的对同轴波导进行安装、检查和替换；
本发明绝缘支撑1采用石英玻璃材料，具有密度低、热膨胀系数小、优良的介电性能，以及较高的机械强度和耐热温度，优良的抗热冲击性、抗腐蚀性，从而使其在光学和光电子器件、微波介电材料及耐火材料等高技术领域中得到广泛应用。石英玻璃绝缘材料在电气设备中的应用十分广泛，尤其在超高真空条件下有着其他绝缘材料无法取代的优势。用于制造石英波玻璃真空腔的低温键合技术受到了广泛的重视。该技术基于氢氧化物催化玻璃表面的水解/脱水过程，通过在键合界面之间形成硅酸盐三维网状结构实现键合，是一种高强度、高精确度、可靠的室温键合方法。通过对键合溶液浓度、键合过程、加速固化方法等关键工艺参数的分析和研究。实现了石英玻璃的低温键合，键合强度超过2.88MPa。而键合界面与光胶一样均匀、透明。利用低温键合技术形成石英玻璃真空腔，漏率优于5x10- 10PA*L/S。
螺旋接头3，为了使快速接头时电接触良好，第一台阶7、第二台阶4需要选择良导体材料并且弹性较好的涂覆层，但避免选择镀银，可以选用时效硬化型铍铜合金；
第一台阶7与第二台阶4，因为同轴波导内导体台阶突变会产生非TEM波，它会影响同轴谐振腔加速电场分布；为了消除非TEM波的影响，采用两端对称的台阶槽口设计，通过两槽口处相互对向的场强来抵消非TEM波的产生；另外台阶处圆角处理也可以有效降低局部场强，降低打火风险。
绝缘支撑1的安装孔9与绝缘支撑1紧密配合，可以起到导向作用，大R角处理可以降低三项结合处的场强，另外也增大绝缘棒受未知切向力的受力面积；
本发明结构简单，外形尺寸小，可以方便快捷的对同轴波导进行安装、维护和替换。更重要的是，与传统的同轴传输线的相比，本发明很好的解决了内导体圆盘式支撑表面闪络击穿的问题，同时，同轴波导大气侧充1bar干燥气体，比如氮气，可以降低快速接头处的焦耳热和石英玻璃陶瓷棒的耐压强度。通过这些方法，极大地方便了同轴波导的装配工作，同时也解决了高频同轴波导的绝缘支撑问题。
本发明提供的同轴波导的连接器件，其较佳的具体实施方式是:
内导体的外端面低于外导体的外端面0.01mm-0.13mm；倒圆角的半径为3mm；抗流槽的槽深为5mm。
本发明提供的同轴波导的快捷接头，用作微波馈线和微波测量中同轴波导的连接，价格低廉，具有小驻波比和低插损的波导同轴转换，可以用作微波馈线和微波测量中波导与同轴线的连接，应用于微波测量、微波设备、微波系统和微波工程等领域，供工厂、学校、部队、科研单位等使用。
具体实施例:
如图1、图2所示，结构设计重点是尺寸，整体重量和结构强度。
内导体要垂直插入波导中，其端面与外导体端面之间的距离应控制h＝0.0lmm-0.13mm之间。压配后内导体不允许在使用的过程中出现脱落现象。
本实施例中，波导元件外表面均匀涂覆防护漆，质量稳定可靠。内部采用了合理的设计，保证其机械稳定性、可靠性和搬运安全性。
具体应用过程中，应存储在温度5℃-45℃，相对湿度为20％-90％的通风小件下，室内应无尘、无鼠、无腐蚀性气体，应当避免阳光直接照射，连接同轴口时应注意不要用力过度，应使用力矩扳手，避免同轴接头的内部结构造成损坏。同时要避免对波导口和法兰盘造成碰撞，保证连接部分的完整性，表面部分，尤其是连接部分应当保持清洁，严禁碰撞和剧烈的震动，造成不可靠的连接而影响电性能指标。
具体实施例的主要技术指标:
电性能指标:
工作频率范围:50-100(MHz)；电压驻波比:1.25；波导管型号:BJ320；法兰盘型号:FC320；同轴接头形式:2.92mm；阻抗:50欧姆。
结构参数:
外型尺寸:aXbXL＝21.8mmX 19.lmmX21.3mm；重量:20g。
波导管采用整体焊接结构，波导管与法兰盘的连接采用银焊，表面镀金。该快捷接头的轴向尺寸为21.8mm,法兰盘的尺寸为21.3mmX19.1mm。本发明的所有尖端处统一采用圆角处理，避免尖端放电的危险。本发明的设计方法在真空技术，聚变堆技术，加速器领域都将有参考意义。
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 (7)

1.一种用于紧凑型超导回旋加速器高频谐振腔同轴波导的快捷接头，其特征在于：包括内导体与绝缘支撑(1)；所述内导体为圆柱形形状，其外侧壁具有中间段(10)、以及位于中间段(10)两侧的螺旋接头段(3)；其中，位于中间段(10)与两侧螺旋接头段(3)之间的内导体外侧壁上均设有两个抗流槽(2)，在两个抗流槽(2)之间设有环向突起部(6)；
所述中间段(10)环侧壁上均布设有三个安装孔(9)，每个安装孔内均设有一绝缘支撑(1)，该绝缘支撑(1)插入端螺纹连接一弹簧(5)，弹簧(5)固定连接在安装孔(9)内，绝缘支撑(1)外端为圆角处理；
所述中间段(10)的两端面分别开设有第一台阶(7)；两个所述螺旋接头段(3)的外端面分别开设有第二台阶(4)。
2.根据权利要求1所述的一种用于紧凑型超导回旋加速器高频谐振腔同轴波导的快捷接头，其特征在于：所述内导体两端内部为空腔设置，分别形成一内导体通道(8)，两端的空腔之间设有间隔部(12)，沿间隔部(12)环向均布设有三个通道(11)。
3.根据权利要求1所述的一种用于紧凑型超导回旋加速器高频谐振腔同轴波导的快捷接头，其特征在于：所述第一台阶(7)、第二台阶(4)与安装孔(9)的边缘处均为圆角处理；以所述中间段(10)所在环面为基准面，第一台阶(7)的高度、第一台阶(7)与螺旋接头段(3)之间的高度、以及第二台阶(4)的高度均为0.01mm-0.13mm；所述倒圆角的半径为3mm；所述抗流槽的槽深为5mm。
4.根据权利要求1所述的一种用于紧凑型超导回旋加速器高频谐振腔同轴波导的快捷接头，其特征在于：所述绝缘支撑(1)采用石英玻璃绝缘棒，绝缘支撑(1)与内导体用弹性连接。
5.根据权利要求1所述的一种用于紧凑型超导回旋加速器高频谐振腔同轴波导的快捷接头，其特征在于：所述第二台阶(4)上设有一涂覆层，涂覆层选用时效硬化型铍铜合金。
6.根据权利要求1所述的一种用于紧凑型超导回旋加速器高频谐振腔同轴波导的快捷接头，其特征在于：所述第一台阶(7)、第二台阶(4)采用两端对称的台阶槽口设计。
7.根据权利要求1所述的一种用于紧凑型超导回旋加速器高频谐振腔同轴波导的快捷接头，其特征在于：所述绝缘支撑(1)的安装孔(9)与绝缘支撑(1)紧密配合，安装孔(9)大R角处理。
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