CN108156744B - 双热窗型的功率输入耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双热窗型的功率输入耦合器，包括：传输匹配结构，具有三个端口，分别为功率输入端、冷却端、以及第一功率输出端，其中，功率输入端与冷却端处于第一轴线上，第一功率输出端处于第二轴线上，该第二轴线与第一轴线垂直；双窗体结构，与第一功率输出端相连接，包括：第一窗体、第二窗体、第一导体以及第二导体，其中，第一导体，构成双窗体结构的外围；第二导体，与第一导体平行设置，与第一导体形成至少两个容置空间；第一窗体与第二窗体相对设置于该容置空间内；以及同轴输出结构，与双窗体结构相连接，包括：第二功率输出端，用于功率输出。该功率输入耦合器的结构简单、安装方便，并且不会对窗体造成污染。

Description

双热窗型的功率输入耦合器

技术领域

本公开属于粒子加速器技术领域，涉及一种双热窗型的功率输入耦合器。

背景技术

随着我国经济社会持续快速增长，能源消费与需求日益增长。全球石化能源消费增加直接导致温室气体排放增加，可能是引起全球气候变化的因素之一，正在威胁人类生存与经济社会发展。发展清洁能源成为了全球能源发展的优先选择。其中，加速器驱动的核废料嬗变系统(ADS，Accelerator-Driven System)是实现清洁能源的一种有效途径。

由于常温加速器热损耗大、功率利用效率低，无法实现强流的目标，而超导直线加速器具有高能量、高流强、高稳定性、大接受度和低功耗等特点，因此ADS系统的强流质子加速器需要采用射频超导加速技术。功率输入耦合器是给射频超导加速腔提供功率的设备。由于功率输入耦合器起到将大气和真空环境分离的作用，一旦功率输入耦合器的陶瓷窗破裂，将导致整个加速器无法运行，需花费大量的财力和精力去修复，成本较高，因此关于功率输入耦合器的研究一直是加速器射频超导领域的热点和难点。

目前，国际上的高功率输入耦合器包括同轴型或者波导型两种结构，对于半波长超导加速腔而言，其工作频率决定了该超导加速腔只能采用同轴型的结构。国内外同轴型的功率输耦合器中，高频窗包括双窗或单窗两种结构，在双窗结构中一个窗的工作环境为液氮温度，另外一个窗的工作环境为室温，在安装时，冷窗在百级洁净间与超导加速腔进行装配，而热窗一般在临时搭建的千级或者万级洁净间进行装配，这样的双窗结构和先后分别安装的装配方式会造成以下缺点：(1)易对冷窗和热窗造成二次污染；(2)增加了装配难度，极其不便。因此，需要提供一种高功率输入耦合器，结构简单、安装方便，并且不会对窗体造成污染。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种双热窗型的功率输入耦合器，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种双热窗型的功率输入耦合器，包括：传输匹配结构，具有三个端口，分别为功率输入端、冷却端、以及第一功率输出端，其中，功率输入端与冷却端处于第一轴线上，第一功率输出端处于第二轴线上，该第二轴线与第一轴线垂直；双窗体结构，与第一功率输出端相连接，包括：第一窗体、第二窗体、第一导体以及第二导体，其中，第一导体，构成双窗体结构的外围；第二导体，与第一导体平行设置，与第一导体形成至少两个容置空间；第一窗体与第二窗体相对设置于该容置空间内；以及同轴输出结构，与双窗体结构相连接，包括：第二功率输出端，用于功率输出。

在本公开的一些实施例中，传输匹配结构包括：彼此绝缘的第一盒体和第二盒体，该第一盒体与第二盒体构成同轴线结构，第一盒体位于外侧，第二盒体位于内侧，在所述第一盒体和第二盒体上均对应设置有所述端口，所述端口分别为：功率输入端、冷却端、以及第一功率输出端。

在本公开的一些实施例中，第一盒体与第二盒体之间为空气。

在本公开的一些实施例中，第一盒体的端口上均设置有外导体，该外导体与双窗体结构的第一导体相连接；所述第二盒体的端口上均设置有内导体，该内导体与双窗体结构的第二导体相连接。

在本公开的一些实施例中，冷却端的内、外导体之间设有导电金属环，该导电金属环能够沿着第二轴线的方向进行移动，通过所述导电金属环的轴向移动改变所述功率输入耦合器的驻波比，进而调节传输功率。

在本公开的一些实施例中，冷却端的内导体的内部设有一气冷管道，该气冷管道实现对第二盒体的冷却，同时也为双窗体结构的第二导体提供压缩空气回路。

在本公开的一些实施例中，第二窗体与第一窗体之间呈高真空状态；第一窗体与第二窗体的真空侧均镀上氮化钛膜，该氮化钛膜的厚度介于5nm～10nm之间。

在本公开的一些实施例中，第一窗体与第二窗体的材料为氧化铝陶瓷片；和/或第一导体、第二导体采用高电导率无氧铜材料，通过焊接工艺制作成型；和/或第一窗体、第二窗体与第一导体和第二导体之间均形成一体化结构。

在本公开的一些实施例中，双窗体结构中处于高真空状态段的第一导体上设有真空抽气窗口，处于超高真空状态段的第一导体上设有两个真空监测窗口；或者在所述双窗体结构中处于高真空状态段的第一导体上设有真空抽气窗口、第一打火监控端口、以及第一电子流监控端口，处于超高真空状态段的第一导体上设有两个真空监测窗口、第二打火监控窗口、以及第二电子流监控窗口。

在本公开的一些实施例中，在第二功率输出端的上游连接有直径逐渐缩小的锥形过渡结构；和/或同轴输出结构上设置有外导体，该外导体与所述双窗体结构的第一导体相连接，在该外导体上还设有热锚，该热锚与液氮冷屏相连。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的双热窗型的功率输入耦合器，具有以下有益效果：

(1)采用双窗体结构，该双窗体结构包括：第一导体、第二导体以及设置于第一导体和第二导体之间并与之形成一体的两个窗体，在耦合器工作时这两个窗体均为热窗，均处于室温工作，一方面，该双窗体结构可以一同随着耦合器在百级洁净间与超导加速腔进行装配，降低了装配难度，并且不会对双窗体结构造成二次污染，另一方面，一体化的双窗体结构靠近超导加速腔，使超导加速腔的腔体维持高真空的状态，且两个窗体之间也呈高真空状态，为超导加速腔的腔体提供超高真空的双重保障；

(2)进一步的，在传输匹配结构的冷却端口处设有一气冷管道，用于与空气冷却管路相连接，现有技术中采用水冷进行冷却的方式会造成冷却管漏水且无法对内方盒进行冷却，且需要同时设置进水管与出水管，本申请采用空气冷却，只需要一根进气管道即可，可以对内方盒进行冷却，并且气体泄漏不会对功率输入耦合器造成影响；

(3)进一步的，在同轴输出结构上输出端处优化设置直径逐渐缩小的锥形过渡结构，这样可有效降低超导加速腔发射到窗体表面的电子；

(4)在双窗体结构的外导体上处于超高真空状态段设置有两个真空监测窗口，可以有效保证其中一个真空监测窗口出现问题，另外一个还可以正常工作，实现备用和互相参考的作用，达到真空腔内部的实时、不间断监测。

附图说明

图1为现有技术中功率输入耦合器在射频超导系统中的位置示意图。

图2为根据本公开一实施例所示的双热窗型的功率输入耦合器的结构示意图。

图3为如图2所示的传输匹配结构沿着A-A面剖开后的剖面结构示意图。

图4为如图2所示的双窗体结构沿着B-B面剖开后的剖面结构示意图。

【符号说明】

1-传输匹配结构；

10-第一功率输出端； 11-功率输入端；

12-冷却端； 13-导电金属环；

14-第一盒体； 15-第二盒体；

16-气冷管道；

2-双窗体结构；

20-第一窗体； 21-第二窗体；

22-第一导体； 23-第二导体；

24-第一打火监控窗口； 25-第一电子流监控窗口；

26-第二打火监控窗口； 27-第二电子流监控窗口；

28-真空抽气窗口； 29-真空监测窗口；

3-同轴输出结构；

30-波纹管； 31-热锚；

32-锥形过渡结构； 33-第二功率输出端。

具体实施方式

本公开提供了一种双热窗型的功率输入耦合器，通过采用双窗体结构，该双窗体结构包括：第一导体、第二导体以及设置于第一导体和第二导体之间并与之形成一体的两个窗体，在耦合器工作时这两个窗体均为热窗，均处于室温工作，一方面，该双窗体结构可以一同随着耦合器在百级洁净间与超导加速腔进行装配，降低了装配难度，并且不会对双窗体结构造成二次污染，另一方面，一体化的双窗体结构靠近超导加速腔，使超导加速腔的腔体维持高真空的状态，且两个窗体之间也呈高真空状态，为超导加速腔的腔体提供真空的双重保障。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

图1为现有技术中功率输入耦合器在射频超导系统中的位置示意图。

参照图1所示，功率输入耦合器是给射频超导加速腔提供功率的设备，在射频超导系统中位于功率源和超导加速腔之间，主要功能是将微波功率馈送到超导加速腔内，同时通过陶瓷窗可以将大气与超导加速腔内的真空环境分离，起到从室温到超导低温的低漏热过渡连接作用等多重功能。

在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种双热窗型的功率输入耦合器。

图2为根据本公开一实施例所示的双热窗型的功率输入耦合器的结构示意图。图3为如图2所示的传输匹配结构沿着A-A面剖开后的剖面结构示意图。图4为如图2所示的双窗体结构沿着B-B面剖开后的剖面结构示意图。

参照图2-图4所示，本公开的双热窗型的功率输入耦合器，包括：

传输匹配结构1，具有三个端口，分别为功率输入端11、冷却端12、以及第一功率输出端10，其中功率输入端11与冷却端12处于第一轴线上，第一功率输出端10处于第二轴线上，该第二轴线与第一轴线垂直；

双窗体结构2，与传输匹配结构1的第一功率输出端10相连接，包括：第一窗体20、第二窗体21、第一导体22以及第二导体23，其中，第一导体22，构成双窗体结构2的外围；第二导体23，与第一导体22平行设置，与第一导体22形成至少两个容置空间；第一窗体20与第二窗体21相对设置于该容置空间内；以及

同轴输出结构3，与双窗体结构2相连接，包括：第二功率输出端33，用于功率输出。

下面结合附图，对本实施例的双热窗型的功率输入耦合器进行详细介绍。

参照图1和图2所示，本实施例的双热窗型的功率输入耦合器，包括依序连接的传输匹配结构1、双窗体结构2和同轴输出结构3，三者通过法兰连接组成完整的功率输入耦合器，该功率输入耦合器工作时，传输匹配结构1的功率输入端11与功率源同轴馈管连接，同轴输出结构3的第二功率输出端33与超导加速腔连接。该耦合器的工作过程如下：来自功率源同轴馈管的高频功率从传输匹配结构1的功率输入端11进入后，经过传输匹配结构1、双窗体结构2中两个同轴设置的第一窗体20和第二窗体21，最后从同轴输出结构3的第二功率输出端33输出给超导加速腔，给粒子加速提供能量。

下面参照图2和图3，对本实施例的传输匹配结构1进行详细介绍。

参照图3所示，传输匹配结构1具有三个端口，分别为功率输入端11、冷却端12、以及第一功率输出端10，其中，功率输入端11与冷却端12处于第一轴线上，图2中以A-A剖面与纸面相交的轴线作为第一轴线进行示意。第一功率输出端10处于第二轴线上，该第二轴线与第一轴线垂直，图2中以B-B剖面与纸面相交的轴线作为第二轴线进行示意，从而使传输匹配结构1形成了T型的类似三通的结构，便于在紧凑的空间安装功率馈管和冷却管路。

本实施例中，功率输入端11与功率源同轴馈管连接，第一功率输出端10与双窗体结构2的输入端相连。在耦合器工作时，高频功率从功率输入端11进入传输匹配结构1后，改变了功率传输方向，从沿着第一轴线的方向转变为沿着第二轴线的方向进行传输，然后从第一功率输出端10输出至双窗体结构2。

进一步地，本实施例中，参照图3所示，传输匹配结构1具体为由彼此绝缘的第一盒体14和第二盒体15组成的一个同轴线结构，第一盒体14位于外侧，第二盒体15位于内侧，第一盒体14与第二盒体15之间为空气。该传输匹配结构1的第一盒体14和第二盒体15上均对应设置有三个端口，分别为：功率输入端11、冷却端12、以及第一功率输出端10。第二盒体15的三个端口上均设置有内导体，第一盒体14的三个端口上均设置有外导体，对应形成传输匹配结构1上述的T型的类似三通的结构。基于这样的结构，冷却端12的内导体的内部设有一气冷管道16，参见图2所示，使用时该气冷管道16与空气冷却管路连接，可以降低内导体温度的上升，进而实现对第二盒体15的冷却，同时也为双窗体结构2的第二导体23提供压缩空气回路。

另外，需要说明的是，在传输匹配结构1、双窗体结构2、以及同轴输出结构3这三个部件上都对应设置有内导体和外导体，且在这种内、外导体的结构中，部件之间的连接方式为内导体连接内导体、外导体连接外导体。本文中为了区别内外导体处于这三个不同的部件，采用第一导体22表示双窗体结构2的外导体，采用第二导体23表示双窗体结构2的内导体，而处于传输匹配结构1和同轴输出结构3中的内、外导体直接进行描述。

更进一步地，参照图3所示，本实施例中，传输匹配结构1的冷却端12处的内、外导体之间还设有导电金属环13，该导电金属环13能够沿着轴向进行移动。在一实例中，该导电金属环13与内、外导体之间均通过铍铜密封圈实现电连接。其中，电金属环13也称短路板，通过其轴向移动可以改变耦合器的驻波比，进而使传输功率实现在线可调。

下面参照图2和图4，对双窗体结构2进行详细介绍。

参照图4所示，本实施例中，双窗体结构2具体包括第一导体22、第二导体23、第一窗体20、以及第二窗体21，第一导体22为双窗体结构2的外导体，构成双窗体结构2的外围，第二导体23为双窗体结构2的内导体，与第一导体22平行设置，与第一导体22形成至少两个容置空间，这里以两个第一导体22位于上、下两侧，两个第二导体23位于两个第一导体22之间，从而形成两个容置空间进行示意；第一窗体20与第二窗体21相对设置于该容置空间内，其中，第二窗体21与第一窗体20之间呈高真空状态，第一窗体20靠近传输匹配结构1，第二窗体21靠近超导加速腔，这样的结构一方面使得该超导加速腔的腔体可以维持超高真空状态，另一方面，第一窗体20与第二窗体21之间的高真空状态也为超导加速腔的腔体提供了真空的双重保障。其中，需要说明的是，按压力等级来分，真空类型分为低真空、中真空、高真空以及超高真空(UHV)，上述的高真空和超高真空的含义为本领域关于真空度分类的通常含义，比如在功率输入耦合器工作时，可设定高真空为1e-5Pa，超高真空为1e-7Pa。

在实际应用中，第一窗体20与第二窗体21可以采用纯度99.95％的氧化铝陶瓷片制成，两者呈同轴平板型。

优选的，第一窗体20与第二窗体21的真空侧即三个真空面均镀上氮化钛膜，膜的厚度介于5nm～10nm之间，有助于抑制和减少二次电子倍增效应。

更进一步的，第一窗体20、第二窗体21与第一导体22、第二导体23之间均焊接，形成一体化结构。另外，双窗体结构2的第一导体22、第二导体23可以采用高电导率无氧铜材料，通过氢炉钎焊、真空钎焊等焊接工艺成型；与之相匹配，在第二导体，即外层铜导体的外侧还可以设置一同轴圆柱筒S，用于放置焊接焊料，参见图4所示。

参照图2所示，双窗体结构2中处于高真空状态段的第二导体23上设有真空抽气窗口28，高真空状态段对应于第一窗体20和第二窗体21之间的区域，处于超高真空状态段设有两个真空监测窗口29，超高真空装状态段对应于第二窗体21右侧的区域。另外，在双窗体结构2中，其外导体上处于高真空状态段还设置有第一打火监控端口24和第一电子流监控端口25，所有监测的项目最终给出连锁保护信号；处于超高真空状态段也会设有第二打火监控窗口26和第二电子流监控窗口27。

同轴输出结构3用于功率输出，其特性阻抗优选为五十欧姆，在第二功率输出端33处连接有直径逐渐缩小的锥形过渡结构32，这样可有效降低超导加速腔发射到窗体表面的电子。

在其他实施例中，该同轴输出结构3的外导体上还设有热锚31，该热锚31向外凸出且呈环状，该热锚31与液氮冷屏相连，可以采用铜环制成。另外，在实际应用中，该同轴输出结构3的前端为波纹管30，该波纹管30与低温恒温器相连，其前后由法兰衔接。

贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双热窗型的功率输入耦合器，包括：

传输匹配结构，具有三个端口，分别为功率输入端、冷却端、以及第一功率输出端，其中，功率输入端与冷却端处于第一轴线上，第一功率输出端处于第二轴线上，该第二轴线与第一轴线垂直；

双窗体结构，与所述第一功率输出端相连接，包括：第一窗体、第二窗体、第一导体以及第二导体，其中，第一导体，构成双窗体结构的外围；第二导体，与第一导体平行设置，与第一导体形成至少两个容置空间；第一窗体与第二窗体相对设置于该容置空间内；以及

同轴输出结构，与双窗体结构相连接，包括：第二功率输出端，用于功率输出；

其中在功率输入耦合器工作时该双窗体结构中的第一窗体和第二窗体均为热窗，均处于室温工作。

2.根据权利要求1所述的功率输入耦合器，其中，所述传输匹配结构包括：彼此绝缘的第一盒体和第二盒体，所述第一盒体与第二盒体构成同轴线结构，第一盒体位于外侧，第二盒体位于内侧，在所述第一盒体和第二盒体上均对应设置有所述端口，所述端口分别为：功率输入端、冷却端、以及第一功率输出端。

3.根据权利要求2所述的功率输入耦合器，其中，所述第一盒体与第二盒体之间为空气。

4.根据权利要求2所述的功率输入耦合器，其中，所述第一盒体的端口上均设置有外导体，该外导体与双窗体结构的第一导体相连接；所述第二盒体的端口上均设置有内导体，该内导体与双窗体结构的第二导体相连接。

5.根据权利要求4所述的功率输入耦合器，其中，所述冷却端的内、外导体之间设有导电金属环，该导电金属环能够沿着第二轴线的方向进行移动，通过所述导电金属环的轴向移动改变所述功率输入耦合器的驻波比，进而调节传输功率。

6.根据权利要求4所述的功率输入耦合器，其中，所述冷却端的内导体的内部设有一气冷管道，该气冷管道实现对第二盒体的冷却，同时也为双窗体结构的第二导体提供压缩空气回路。

7.根据权利要求1所述的功率输入耦合器，其中：

所述第二窗体与第一窗体之间呈高真空状态；

所述第一窗体与第二窗体的真空侧均镀上氮化钛膜，所述氮化钛膜的厚度介于5nm～10nm之间。

8.根据权利要求1所述的功率输入耦合器，其中：

所述第一窗体与第二窗体的材料为氧化铝陶瓷片；和/或

所述第一导体、第二导体采用高电导率无氧铜材料，通过焊接工艺制作成型；和/或

所述第一窗体、第二窗体与第一导体和第二导体之间均形成一体化结构。

9.根据权利要求1所述的功率输入耦合器，其中：

所述双窗体结构中处于高真空状态段的第一导体上设有真空抽气窗口，处于超高真空状态段的第一导体上设有两个真空监测窗口；

或者在所述双窗体结构中处于高真空状态段的第一导体上设有真空抽气窗口、第一打火监控端口、以及第一电子流监控端口，处于超高真空状态段的第一导体上设有两个真空监测窗口、第二打火监控窗口、以及第二电子流监控窗口。

10.根据权利要求1至9任一项所述的功率输入耦合器，其中：

在所述第二功率输出端的上游连接有直径逐渐缩小的锥形过渡结构；和/或

所述同轴输出结构上设置有外导体，该外导体与所述双窗体结构的第一导体相连接，在该外导体上还设有热锚，该热锚与液氮冷屏相连。

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