CN108449860A - 一种低温插杆调谐器及超导腔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温插杆调谐器及超导腔。本发明的低温插杆调谐器包括插杆组件、调节组件：所述插杆组件包括第一可伸缩装置和插杆，所述第一可伸缩装置的上端通过顶部法兰与所述调节组件连接，所述第一可伸缩装置的下端用于与超导腔上设置的开口密封连接，使得所述插杆组件与超导腔之间构成一密闭系统；所述调节组件通过控制所述第一可伸缩装置的伸缩，控制插入所述第一可伸缩装置内的插杆插入超导腔内部的长度。本发明的低温插杆调谐器结构更加紧凑，并且不需要使超导腔体产生形变，频率调谐所需要的作用力小；调谐器调谐范围直接由波纹管的压缩或拉伸量决定，能够在较大范围内实现超导腔频率的调节。

Description

一种低温插杆调谐器及超导腔

技术领域

本发明涉及一种低温插杆调谐器及超导腔，属于粒子加速器、超导低温技术领域。

背景技术

调谐器是超导腔系统的重要组成部分，是一套机电混合的系统，用于补偿因超导腔加工和组装误差引起的频率变化，阻尼超导腔运行时由于洛伦兹力、束流负载效应、麦克风效应等引起的频偏。

近年来超导加速器技术进入了快速的发展阶段，国内外多个大型的超导加速器项目也应运而生，如欧洲散列中子源、中国CIADS、韩国重离子加速器RAON等装置项目。加速器前端注入段和主加速段都采用低频超导腔来加速束流。为了提高超导腔的加速效率，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。

目前应用于超导腔频率控制的调谐器都是基于杠杆原理，通过挤压或拉伸超导腔，改变超导腔纵向空间距离，从而实现超导腔频率的调节。如图1所示为美国费米实验室为325MHz超导腔研制的调谐器结构及工作原理示意图。

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。此方案存在以下缺点和不足：

(1)机械调谐范围小：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，如果频率误差太大，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，发生塑性变形。

(3)由于空间限制每个超导腔只能安装一套调谐器，对调谐器机构要求比较严格，不能满足低β多间隙超导腔的频率调节需求。

以上三点在一定程度上降低了超导腔的工作性能，并且存在一定的设备安全隐患，不利于加速器的调试、稳定运行，以及超导加速器的大规模发展和应用。

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低温插杆调谐器及超导腔。低温插杆调谐器主体执行机构工作在2K低温、高真空、辐射的恶劣环境中，通过对超导腔内电磁场的微扰来控制超导腔的工作频率。

本发明的技术方案为：

一种低温插杆调谐器，其特征在于，包括插杆组件、调节组件：所述插杆组件包括第一可伸缩装置和插杆，所述第一可伸缩装置的上端通过顶部法兰与所述调节组件连接，所述第一可伸缩装置的下端用于与超导腔上设置的开口密封连接，使得所述插杆组件与超导腔之间构成一密闭系统；所述调节组件通过控制所述第一可伸缩装置的伸缩，控制插入所述第一可伸缩装置内的插杆插入超导腔内部的长度。

进一步的，所述第一可伸缩装置为第一波纹管组件；所述第一波纹管组件包括第一波纹管、下端焊接法兰和上端焊接法兰，两焊接法兰之间安装有若干导轨，下端焊接法兰与导轨固定连接，上端焊接法兰能够沿着导轨滑动，第一波纹管的上端与上端焊接法兰连接、第一波纹管的下端与下端焊接法兰连接。

进一步的，所述调节组件包括调节控制端、连接装置和第二可伸缩装置；所述连接装置设置在所述第二可伸缩装置的上端，所述连接装置的一端位于所述第二可伸缩装置之外与所述调节控制端连接、另一端位于所述第二可伸缩装置之内与所述顶部法兰连接；第二可伸缩装置的下端用于与超导腔的液氦槽密封连接。

进一步的，所述插杆为一中空结构，与所述顶部法兰连接的一端具有开口，用于通过该开口使得所述插杆的内部中空结构与所述液氦槽相通；所述插杆用于插入超导腔的一端为圆弧型头。

进一步的，所述第二可伸缩装置为第二波纹管组件；所述第二波纹管组件包括第二波纹管、下端液氦槽法兰和上端液氦槽法兰，两液氦槽法兰之间安装有若干导轨，下端液氦槽法兰与导轨固定连接，上端液氦槽法兰能够沿着导轨滑动，第二波纹管的上端与上端液氦槽法兰连接、第二波纹管的下端与下端液氦槽法兰连接。

进一步的，所述上端液氦槽法兰的顶部安装压电陶瓷、电机和杠杆；所述连接装置为连接杆；所述连接杆穿过所述上端液氦槽法兰后与该上端液氦槽法兰进行密封焊接为一体；所述压电陶瓷一端与连接杆外端连接、另一端与杠杆的一端连接，杠杆通过转轴与固定架连接，杠杆的另一端与电机的螺杆连接，电机通过固定架进行固定。

进一步的，所述插杆一端与所述顶部法兰密封连接，所述顶部法兰与所述第一可伸缩装置的上端密封连接。

一种超导腔，其特征在于，所述超导腔上设有若干开口，每一开口分别连接一低温插杆调谐器。

进一步的，所述超导腔上设有对称的若干对开口，所述低温插杆调谐器对称安装在超导腔的腔体上。

进一步的，所述低温插杆调谐器水平对称安装或垂直对称安装，且尽量避开强磁场和强电场区域。

本申请的一种低温插杆调谐器的设计方案示意图如图2所示，本方案设计的一种低温插杆调谐器主要包括插杆、波纹管、直线导轨、压电陶瓷、电机、减速杠杆等多个组成部分。通过调节插杆的插入深度来对超导腔内的电磁场进行微扰，控制超导腔的频率。不需要挤压或拉伸超导腔，频率调节范围大，能够有效避免超导腔发生塑性变形的危险，提高了测试设备的安全性。并且此低温插杆调谐器结构紧凑，不占用直线节，能够多只调谐器同时安装使用，便于维护。插杆调谐器对称安装时，能够有效的减小对束流的kicker效应。

①液氦槽内插杆组件：

如图3所示为液氦槽内插杆组件结构和安装示意图：插杆用于插入超导腔的一端为圆弧型头，另一端与顶部法兰焊接，并且插杆为中空结构，与顶部法兰连接的一端具有开口，液氦可以通过该开口流入并充满插杆的整个管内空间，插杆内部充满液氦能够将工作时超导腔内电磁场对插杆加热产生的热量及时传递到外部液氦槽中，对插杆进行降温，提高工作的稳定性。两个焊接法兰(即下端焊接法兰和上端焊接法兰)与第一波纹管进行焊接，并且在两焊接法兰上安装三根直线导轨，组成第一波纹管组件：下端焊接法兰与直线导轨固定连接，上端焊接法兰可以沿着直线导轨滑动，第一波纹管的上端与上端焊接法兰连接、第一波纹管的下端与下端焊接法兰连接。与插杆焊接后的顶部法兰通过密封圈与第一波纹管组件进行密封连接，构成液氦槽内的插杆组件。液氦槽内的插杆组件通过下端焊接法兰与超导腔法兰进行密封连接，构成内部真空的系统。此时通过压缩或拉伸第一波纹管，调节插杆的插入深度。并且直线导轨上安装限位螺母，用来限制插杆的最大插入深度，防止第一波纹管大范围移动造成损坏。此低温插杆调谐器结构紧凑，调节范围大，易于冷却，能够在较大范围内实现超导腔频率的调节。如图4所示为两只液氦槽内插杆组件对称安装到超导腔上的示意图。

②液氦槽外调节组件：

如图5所示为液氦槽外调节组件结构和安装示意图。液氦槽法兰与第二波纹管进行焊接，并与三个直线导轨组成第二波纹管组件，直线导轨上同样安装有限位螺母，限制最大位移。第二波纹管组件一端与液氦槽法兰进行密封焊接，另一端连接的液氦槽法兰顶部安装压电陶瓷、电机、减速杠杆等传动装置。连接杆穿过第二波纹管组件的上端连接的液氦槽法兰后与该液氦槽法兰进行密封焊接为一体。压电陶瓷一端直接作用在连接杆外端，另一端与减速杠杆的一端连接，减速杠杆通过转轴与固定架连接，减速杠杆的另一端与电机的螺杆连接，电机通过固定架进行固定。当电机转动时，带动减速杠杆运动，减速杠杆再对压电陶瓷施加压力或拉力，施加的作用力通过连接杆作用到液氦槽内的插杆组件上，从而调节插杆的插入深度。如图6所示为液氦槽外部组件与内部组件固定连接结构示意图。液氦槽内组件与外部组件通过连接杆进行固定连接。压电陶瓷和电机位于隔热真空层，通过恒温器上的维修口可以直接对调谐器进行维护操作。此低温插杆调谐器结构紧凑，便于一只超导腔上安装多套调谐器，能够有效的提高调谐效率，并降低对超导腔自身机械性能的依靠。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

(1)改变超导腔调谐器的传统工作方式，将通过挤压或拉伸超导腔改变超导腔频率的方式，改为直接向超导腔内插入微扰体，通过对超导腔内电磁场的直接微扰改变超导腔的频率：将低温插杆调谐器与超导腔组装为一个整体置于2K或4K的液氦环境中，插杆调谐器上安装有波纹管，通过外接传递装置使波纹管拉伸或压缩，调节插杆调谐器的插杆插入超导腔的深度，进而实现对超导腔内电磁场的微扰和频率调节。此种调谐器结构更加紧凑，并且不需要使超导腔体产生形变，频率调谐所需要的作用力小；调谐器调谐范围直接由波纹管的压缩或拉伸量决定，能够在较大范围内实现超导腔频率的调节。

(2)可以在超导腔上开多个调谐口，安装多台调谐器装置，共同实现超导腔频率的调节。有利于降低单只调谐器的工作难度，并且安装空间相对灵活。

(3)在超导腔上对称开口安装插杆调谐器，有利于降低对束流的kicker效应。

附图说明

图1为费米调谐器结构及工作原理图；

图2为一种低温插杆调谐器设计方案示意图；

图3为液氦槽内插杆组件结构和安装示意图；

图4为两只液氦槽内插杆组件对称安装示意图；

图5为液氦槽外调节组件结构和安装示意图；

图6为液氦槽外部组件与内部组件固定连接结构示意图。

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。

制作低温插杆调谐器的材料要求机械强度大，并具备良好的低温性能。液氦槽内组件：插杆材质为铌材，顶部法兰材质为铌钛合金，焊接法兰为316L不锈钢，波纹管为316不锈钢，直线导轨为316不锈钢，限位螺母和连接杆为纯钛；液氦槽外部组件：焊接法兰及波纹管均为纯钛材质，直线导轨为316不锈钢，限位螺母为纯钛，减速杠杆和固定支架材质可以采用316不锈钢，电机外筒材质为钛或316不锈钢，螺杆采用钛合金。插杆调谐器对称安装在超导腔的腔体上，可以采用水平对称安装或垂直对称安装，尽量避开强磁场和强电场区域，根据不同腔型和参数要求选择合适的安装位置。

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 (10)

1.一种低温插杆调谐器，其特征在于，包括插杆组件、调节组件：所述插杆组件包括第一可伸缩装置和插杆，所述第一可伸缩装置的上端通过顶部法兰与所述调节组件连接，所述第一可伸缩装置的下端用于与超导腔上设置的开口密封连接，使得所述插杆组件与超导腔之间构成一密闭系统；所述调节组件通过控制所述第一可伸缩装置的伸缩，控制插入所述第一可伸缩装置内的插杆插入超导腔内部的长度。

2.如权利要求1所述的低温插杆调谐器，其特征在于，所述第一可伸缩装置为第一波纹管组件；所述第一波纹管组件包括第一波纹管、下端焊接法兰和上端焊接法兰，两焊接法兰之间安装有若干导轨，下端焊接法兰与导轨固定连接，上端焊接法兰能够沿着导轨滑动，第一波纹管的上端与上端焊接法兰连接、第一波纹管的下端与下端焊接法兰连接。

3.如权利要求1所述的低温插杆调谐器，其特征在于，所述调节组件包括调节控制端、连接装置和第二可伸缩装置；所述连接装置设置在所述第二可伸缩装置的上端，所述连接装置的一端位于所述第二可伸缩装置之外与所述调节控制端连接、另一端位于所述第二可伸缩装置之内与所述顶部法兰连接；第二可伸缩装置的下端用于与超导腔的液氦槽密封连接。

4.如权利要求3所述的低温插杆调谐器，其特征在于，所述插杆为一中空结构，与所述顶部法兰连接的一端具有开口，用于通过该开口使得所述插杆的内部中空结构与所述液氦槽相通；所述插杆用于插入超导腔的一端为圆弧型头。

5.如权利要求3所述的低温插杆调谐器，其特征在于，所述第二可伸缩装置为第二波纹管组件；所述第二波纹管组件包括第二波纹管、下端液氦槽法兰和上端液氦槽法兰，两液氦槽法兰之间安装有若干导轨，下端液氦槽法兰与导轨固定连接，上端液氦槽法兰能够沿着导轨滑动，第二波纹管的上端与上端液氦槽法兰连接、第二波纹管的下端与下端液氦槽法兰连接。

6.如权利要求3所述的低温插杆调谐器，其特征在于，所述上端液氦槽法兰的顶部安装压电陶瓷、电机和杠杆；所述连接装置为连接杆；所述连接杆穿过所述上端液氦槽法兰后与该上端液氦槽法兰进行密封焊接为一体；所述压电陶瓷一端与连接杆外端连接、另一端与杠杆的一端连接，杠杆通过转轴与固定架连接，杠杆的另一端与电机的螺杆连接，电机通过固定架进行固定。

7.如权利要求1所述的低温插杆调谐器，其特征在于，所述插杆一端与所述顶部法兰密封连接，所述顶部法兰与所述第一可伸缩装置的上端密封连接。

8.一种超导腔，其特征在于，所述超导腔上设有若干开口，每一开口分别连接一如权利要求1所述的低温插杆调谐器。

9.如权利要求8所述的超导腔，其特征在于，所述超导腔上设有对称的若干对开口，所述低温插杆调谐器对称安装在超导腔的腔体上。

10.如权利要求9所述的超导腔，其特征在于，所述低温插杆调谐器水平对称安装或垂直对称安装，且尽量避开强磁场和强电场区域。