CN108605406B - 加速腔用输入耦合器以及加速器 - Google Patents

Abstract

加速腔用输入耦合器(1)具备：圆筒状的外导体(2)；与外导体(2)同轴地配置且在内部流通热介质的圆筒状的内导体(3)；在外导体(2)的内表面与内导体(3)的外表面之间设置的板部(4)；从外导体(2)侧将板部(4)冷却到水的凝固点以下的冷却部(9)；以及设置在内导体(3)与板部(4)的连接部分且热传导率比内导体(3)的热传导率低的隔热部(8)，板部(4)经由隔热部(8)而与内导体(3)连接。

Description

加速腔用输入耦合器以及加速器

技术领域

本发明涉及加速腔用输入耦合器以及加速器。

背景技术

在超导加速器系统中，将带电粒子束导入到加速腔内，高频的电磁波经由输入耦合器而导入。腔内的带电粒子由在腔内产生的高频电场加速。输入耦合器将由高频产生器(例如速调管)产生且由导波管传输的高频向腔内导入。

输入耦合器存在同轴型耦合器和方形导波管型耦合器这两种。在下述的专利文献1中记载有在输入耦合器(Input coupler)中具有从中空的方形部的开口端向圆筒状的凸缘部连续而将两者一体地连结的中空的连结部。由此，在专利文献1所记载的发明中，输入耦合器的凸缘部与导波管的凸缘部这两者均为圆形，因此，相对于由两凸缘部夹着的密封构件均匀地施加载荷，密封性提高。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特许第3073421号公报

发明内容

发明要解决的课题

输入耦合器在一端侧与导波管连接，在另一端侧与加速腔连接。加速腔主要为铌制，在运转时被维持为真空，并且，由例如液体氦冷却至约4K而成为超导状态。此时，与加速腔连接的输入耦合器的一部分也被冷却至极低温度。

同轴型的输入耦合器的外导体与内导体配置在同轴上，且在表面上传输高频。由速调管产生的高频在大气压下在导波管中传播，到达输入耦合器。输入耦合器的另一端侧与超高真空的加速腔连接，因此，在输入耦合器的内部设置有陶瓷制的板状构件即窗，以进行真空密封以及高频透过。

该陶瓷制的窗即便在输入耦合器内部仅设置一片也能够进行真空密封，但如图5以及图6所示，也具有在输入耦合器51内部沿轴向设置有两片窗52、53而输入耦合器51具有双重窗结构的情况。需要说明的是，在输入耦合器51中，窗52、53设置在外导体54与内导体55之间。在内导体55的内部设置有流通管56，热介质在流通管56的内部流动。热介质通过流通管56的开口部57而在内导体55的内周面与流通管56的外周面之间的空间流动，将内导体55冷却。需要说明的是，在内导体55与窗52、53的连接部分处设置有加强构件58。在流通管56流动的热介质经由形成于加强构件58的贯通孔59而在加强构件58与内导体55之间的空间出入。需要说明的是，若强度足够，则也可以不设置加强构件58。

通过设为双重窗结构，能够防止组装时灰尘向加速腔侧的混入和使用时因窗的破损而引起的真空破坏。在双重窗结构的输入耦合器51中，接近加速腔这一侧的窗52被冷却至低温(例如约80K)(以下称为“低温窗52”。)，速调管侧的窗53被保持为常温(以下称为“高温窗53”。)。在输入耦合器51内部，低温窗52至加速腔侧的空间以及低温窗52与高温窗53之间的空间被维持为真空，高温窗53至速调管侧的空间成为大气压。

如上所述，加速腔在运转时需要成为极低温度，因此，为了将从输入耦合器51向加速腔侧传递的热切断，需要对输入耦合器51实施热负荷对策。在仅设置一片陶瓷制的窗的情况下，水在输入耦合器的内导体内部流动，能够通过水冷将由内导体产生的热冷却。但是，在双重窗结构的输入耦合器51中，低温窗52由液体氮等维持为约80K的极低温度，因此，当将在内导体55内部流动的热介质设为水时，水可能在比低温窗52靠加速腔侧的内导体55内部凝固。其结果是，由内导体55产生的热未被冷却，经由低温窗52向外导体54侧传递而产生热损失。

因此，作为将内导体55冷却的热介质而通常使用氮气等。但是，氮气的热容量小且冷却性能低。因此，基于氮气的冷却限于所输入的高频电力小的情况，即，脉冲波的情况、电力比较小的连续波的情况。另一方面，在为连续波且为几十kW至约100kW的大电力的情况下，存在氮气的冷却不充分这一问题。

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于，提供一种经由板部的热传导被降低、能够防止将内导体被冷却至水的凝固点以下、并且防止由内导体产生的热向外导体传导的加速腔用输入耦合器以及加速器。

用于解决课题的方案

为了解决上述课题，本发明的加速腔用输入耦合器以及加速器采用以下的方案。

即，本发明的加速腔用输入耦合器具备：圆筒状的外导体；圆筒状的内导体，其与所述外导体同轴地配置，且在内部流通热介质；板部，其设置在所述外导体的内表面与所述内导体的外表面之间；冷却部，其从所述外导体侧将所述板部冷却到水的凝固点以下；以及隔热部，其设置在所述内导体与所述板部的连接部分，且热传导率比所述内导体的热传导率低，所述板部经由所述隔热部而与所述内导体连接。

根据该构成，由高频产生器产生的高频在导波管中传播而到达输入耦合器，高频在外导体与内导体的表面传输，从而将高频导入加速腔内。在外导体的内表面与内导体的外表面之间，设置有例如陶瓷制的板部，从而将加速腔侧的真空密封并且高频在板部透过。板部被冷却部冷却至水的凝固点以下。板部经由设于内导体的隔热部而与内导体连接，因此，能够降低经由板部的热传导，能够防止内导体被冷却至水的凝固点以下。因此，即便使用水作为在内导体内部流通的热介质，也能够减少或消除在内导体内部凝固的水。另外，能够防止由内导体产生的热向外导体传导。

在上述发明中，所述隔热部具有内部为真空的真空隔热结构。

根据该构成，隔热部中的同板部连接的连接部分与在内导体内部流通的热介质通过隔热部的内部空间而被热绝缘。

在上述发明中，所述隔热部具有在所述板部与所述内导体之间设置的波纹管。

根据该构成，在运转时将连接部分冷却之际，能够防止因隔热部中的温度差异所引起的热膨胀差而导致内导体发生挠曲。

在上述发明中，还具备与所述板部不同的第二板部，该第二板部设置在所述外导体的内表面与所述内导体的外表面之间，所述板部与所述第二板部之间的空间被维持为真空。

根据该构成，在输入耦合器内部，第一板部以及第二板部沿轴向设置有两片，因此，即便在组装时灰尘向加速腔侧混入和在使用时第一板部或第二板部破损，也能够防止真空破坏。

本发明的加速器具备设置有上述的加速腔用输入耦合器的加速腔。

发明效果

根据本发明，经由板部的热传导被降低，能够防止将内导体冷却至水的凝固点以下，并且能够防止由内导体产生的热向外导体传导。

附图说明

图1是示出本发明的一实施方式的输入耦合器的纵剖视图。

图2是示出本发明的一实施方式的输入耦合器的局部放大纵剖视图。

图3是示出本发明的一实施方式的输入耦合器的变形例的局部放大纵剖视图。

图4是示出本发明的一实施方式的超导加速器系统的概要图。

图5是示出以往的输入耦合器的纵剖视图。

图6是示出以往的输入耦合器的局部放大纵剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的一实施方式的超导加速器系统进行说明。

在超导加速器系统中，如图4所示，带电粒子束被导向加速腔31内，高频的电磁波经由输入耦合器1而导入。加速腔31内的带电粒子由在加速腔31内产生的高频电场进行加速。耦合器与加速腔31连接，将由高频产生器32(例如速调管)产生且由导波管33传输的高频向加速腔31内导入。

本实施方式的输入耦合器1应用于所谓的同轴型耦合器。输入耦合器1的一端部与加速腔31连接，另一端部与导波管33连接。如图1以及图2所示，输入耦合器1具备外导体2、内导体3、第一板部4以及第二板部5等。

外导体2具有圆筒形状，一端部与加速腔31连接，另一端部与导波管33连接。在外导体2的一端部设置有具有比外导体2的主体部2A的外径大的外径的凸缘6。外导体2的凸缘6例如通过螺栓结合而与设置于加速腔31的凸缘34(参照图4)连接。当超导加速器系统运转时，加速腔31例如被液体氦冷却至约4K而成为超导状态，凸缘6也成为约4K。

外导体2例如为不锈钢制，表面被实施镀铜。不锈钢无论在低温还是在高温都能够使用，且磁性低，难以产生磁场，因而能够适用。另外，不锈钢容易实施镀铜，也容易进行钎焊。作为不锈钢的例子，举出SUS316L、SUS304。

内导体3以外导体2的轴心与内导体3的轴心一致的方式与外导体2同轴设置。内导体3以一端部位于比外导体2的设置有凸缘6的一端部突出的位置的方式延伸设置。

内导体3在后述的隔热部8以外的部分采用无氧铜。隔热部8如后所述为不锈钢制，在与外导体2面对的表面上被实施镀铜。

在内导体3的内部流通热介质。热介质将在运转时内导体3中产生的热去除，而降低内导体3的温度上升。在内导体3的内部沿着轴向设置有流通管7。流通管7的一端部与内导体3的一端部连接，在流通管7的一端部附近形成有开口部7a。热介质从导波管侧在流通管7的内部流通并通过开口部7a而向内导体3的内周面与流通管7的外周面之间的空间供给。然后，热介质一边去除内导体3的内周面的温度一边向导波管33侧排出。需要说明的是，流通管7的一端部也可以不与内导体3的一端部连接，在该情况下，流通管7的一端部成为供热介质通过的开口部。

热介质例如为水。根据本实施方式，由于设置有隔热部8，因此，能够防止在从外导体2侧被冷却的第一板部4的作用下内导体3的温度成为水的凝固点以下，因此，能够减少或消除在内导体3内部凝固的水。需要说明的是，在本发明中应用的热介质不局限于水，例如通过将具有熔点或倾点比水的熔点低的物性的材料应用为热介质，能够进一步减少或消除在内导体3内部凝固的热介质。

能够用作热介质的材料除了水之外，例如具有乙二醇(例如，沸点197℃以下，熔点-13℃以下)、Fluorinert(商标)(例如，沸点90℃以下，倾点-110℃以下)等的以碳氟化合物为主的材料、Galden(注册商标)(例如，沸点130℃以下，倾点-100℃以下)等的全氟聚醚(PFPE)。这些物质具有熔点或倾点比水的熔点低的物性，不仅在内导体3内部难以凝固，而且沸点比较高，即便在由内导体3产生的热的作用下也难以发生气化。

第一板部4与第二板部5是氧化铝(Al₂O₃)等的陶瓷制的板状构件。利用第一板部4与第二板部5来密封加速腔31侧的真空，并且第一板部4与第二板部5使高频透过。需要说明的是，第一板部4与第二板部5不局限于陶瓷制，只要是密封加速腔31侧的真空并使高频透过的材质即可，也可以采用其他材质。第一板部4与第二板部5以板面与输入耦合器1的轴向垂直的方式配置，且相互分离地配置。第一板部4设置为接近与加速腔31连接的输入耦合器1的一端部侧，第二板部5设置为接近与导波管33连接的输入耦合器1的另一端部侧。第一板部4与第二板部5分别具有圆环形状，外周端部的整周与外导体2的内表面连接，内周端部的整周与内导体3的外表面连接。

输入耦合器1的加速腔31侧被开口，在外导体2与内导体3之间，从第一板部4到加速腔31侧的空间由于加速腔31被维持为真空而同样地被维持为真空。第一板部4与第二板部5之间与外导体2以及内导体3一同形成为封闭空间，经由设置于外导体2的贯通孔而排出空气，维持为真空。输入耦合器1的导波管33侧被开口，在外导体2与内导体3之间，从第二板部5到导波管33侧的空间成为大气压。

第一板部4或第二板部5与外导体2或内导体3通过钎焊而接合。需要说明的是，焊料例如为金。在超导加速器系统运转时，第一板部4例如冷却至约80K，第二板部5保持为常温(例如约300K)。

在输入耦合器1内部，沿轴向设置有两片第一板部4以及第二板部5，输入耦合器1具有双重窗结构。由此，能够防止在组装时灰尘向加速腔31侧的混入以及在使用时即便第一板部4或第二板部5发生破损也能够防止真空破坏。

在外导体2与第一板部4的连接部分处，为了将第一板部4冷却并且为了加强与第一板部4的外周接合的外导体2而设置有套管部9。套管部9具有被供给液体氮等热介质的结构，由此，能够从外导体2侧将第一板部4冷却。套管部9例如具有包围外导体2的圆筒部15和在圆筒部15的两端部设置的圆环部16。圆环部16从外导体2的外周面沿径向延伸设置，向由外导体2的外周面、圆筒部15以及圆环部16包围而形成的空间17供给液体氮。即便在不直接向套管部9的内部供给液体氮等热介质的情况下，也能够通过例如在圆环部16设置与热介质大致相同温度的热锚而从外导体2的外侧将第一板部4冷却。在圆筒部15形成有供液体氮流通的贯通孔18。圆筒部15沿着外导体2设置，且圆环部16与外导体2的外表面连接，由此外导体2与第一板部4连接的连接部分得以加强。

在内导体3的与第一板部4连接的连接部分处设置有隔热部8。

即便在内导体3内部流通的热介质为水、且第一板部4被冷却至比水的凝固点低的温度，通过设置隔热部8，也能够防止因热传导而使内导体3降低至水的凝固点以下，并且，还能够防止在内导体3产生的热进行传导而对外导体2进行加热。即便在热介质为水以外的情况下，通过设置隔热部8，也能够防止内导体3降低至该热介质的凝固点以下。

隔热部8以包围第一板部4与内导体3的连接部分的方式形成真空空间。

隔热部8具有：与第一板部4连接的连接部10；在连接部10的两端设置的低热传导部11；以及具有比内导体3的内周面小的直径且在连接部10的周围设置的圆筒形状的圆筒部12等。构成隔热部8的连接部10、低热传导部11以及圆筒部12为不锈钢制。另外，内导体3的外周面、即连接部10与低热传导部11的靠外导体2侧的表面被实施镀铜。

连接部10是圆筒状构件。连接部10的外表面通过钎焊与第一板部4的内周端部连接。

低热传导部11在连接部10的两端部各设置一个。低热传导部11是不锈钢制的圆筒状构件。低热传导部11中的在与连接部10连接的端部的相反侧的端部设置的圆环部11A、12A与内导体3的为铜制的其他圆筒部分连接。由此，与第一板部4连接的连接部10和其他圆筒部分被低热传导部11热绝缘。

如图2所示，低热传导部11在低热传导部11的端部附近且低热传导部11的内表面形成有沿内导体3的径向延伸的圆环部11A。另外，如图2所示，圆筒部12在圆筒部12的端部附近且圆筒部12的外表面形成有沿内导体3的径向延伸的圆环部12A。

圆筒部12例如为不锈钢制，经由圆环部11A、12A而与两个低热传导部11连接。由此，由连接部10、低热传导部11以及圆筒部12形成封闭的空间13。该空间13在运转时被维持为真空。为了将空间13维持为真空，在连接部10中的第一板部4与第二板部5之间形成贯通孔24。通过将贯通孔24设于该位置，与形成在比第一板部4靠加速腔31侧的位置的情况相比，能够防止加速腔31内的污染。

通过将圆筒部12沿着内导体3设置，且使圆环部11A、12A与内导体3的内表面连接，从而内导体3与第一板部4连接的连接部分得以加强。

在图1以及图2所示的例子中，对圆环部11A、12A分别设置在一方的低热传导部11和圆筒部12的一端部的情况进行了说明，但本发明不局限于该例。例如，也可以在圆筒部12不形成圆环部12A，在两个低热传导部11分别形成圆环部11A而与圆筒部12连接，还可以在低热传导部11不形成圆环部11A，在圆筒部12的两端部设置两个圆环部12A。

在空间13内未流入热介质而被维持为真空，因此，与第一板部4连接的连接部10与内导体3的内部的热介质被空间13热绝缘。

在低热传导部11的轴向的中间部设置有波纹管14。波纹管14的板厚比低热传导部11的其他部分薄，且具有多个弯曲形状部分。波纹管14为不锈钢制，波纹管14的外周面、即波纹管14的靠外导体2侧的表面被实施镀铜。波纹管14在运转时将连接部10冷却之际，能够防止因与圆筒部12的温度差异所引起的热膨胀差而导致内导体3发生挠曲。

在上述实施方式中，对在低热传导部11形成有波纹管14的情况进行了说明，但本发明不局限于该例。即，如图3所示，低热传导部11也可以仅为与波纹管14不同的不具有多个弯曲形状的圆筒面。

在外导体2与第二板部5的连接部分处例如具有包围外导体2的圆筒部19和在圆筒部19的两端部设置的圆环部20。圆环部20从外导体2的外周面沿径向延伸设置。在圆筒部15形成供空气或水流通的贯通孔22，在由外导体2的外周面、圆筒部19以及圆环部20包围形成的空间21充满空气。通过将圆筒部19沿着外导体2设置，且圆环部20与外导体2的外表面连接，从而外导体2与第二板部5连接的连接部分得以加强。

在内导体3与第二板部5的连接部分处，包围连接部分的圆筒部23沿着内导体3的内表面而设置。通过圆筒部23与内导体3的内表面连接，从而内导体3与第二板部5连接的连接部分得以加强。在圆筒部23形成有贯通孔25，在由圆筒部23和内导体3的内周面包围形成的空间26内能够流通热介质。

以上，根据本实施方式，在超导加速器系统的运转时，在加速腔31、第一板部4被冷却且从导波管33向输入耦合器1传输高频而使内导体3发热时，利用隔热部8来降低第一板部4与内导体3之间的热传导，将第一板部4与内导体3热绝缘。

其结果，能够防止通过从外导体2侧冷却的第一板部4而使内导体3的温度成为水等热介质的凝固点以下。因此，即便使用水作为在内导体3内部流通的热介质，也能够减少或消除在内导体3内部凝固的水。

还能够借助隔热部8来防止由内导体3产生的热向第一板部4和外导体2传导，加速腔31和外导体2不容易升温，因此，难以产生热损失，能够降低加速腔31和外导体2的冷却所需的能量。

以上，即便在为连续波且高频电力为几十kW至约100kW的大电力的情况下，也能够将内导体3冷却。

附图标记说明

1 输入耦合器

2 外导体

3 内导体

4 第一板部

5 第二板部

6 凸缘

7 流通管

8 隔热部

9 套管部

10 连接部

11 低热传导部

12、15、19、23 圆筒部

13、17、21、26 空间

14 波纹管

16、20 圆环部

18、22、24、25 贯通孔。

Claims (5)

1.一种加速腔用输入耦合器，其中，

所述加速腔用输入耦合器具备：

圆筒状的外导体；

圆筒状的内导体，其与所述外导体同轴地配置，且在内部流通热介质；

板部，其设置在所述外导体的内表面与所述内导体的外表面之间；

冷却部，其从所述外导体侧将所述板部冷却到水的凝固点以下；以及

隔热部，其设置在所述内导体与所述板部的连接部分，且热传导率比所述内导体的热传导率低，并且，所述隔热部构成为将所述板部与所述内导体热绝缘，

所述板部经由所述隔热部而与所述内导体连接。

2.根据权利要求1所述的加速腔用输入耦合器，其中，

所述隔热部具有内部为真空的真空隔热结构。

3.根据权利要求1所述的加速腔用输入耦合器，其中，

所述隔热部具有在所述板部与所述内导体之间设置的波纹管。

4.根据权利要求1所述的加速腔用输入耦合器，其中，

所述加速腔用输入耦合器还具备与所述板部不同的第二板部，该第二板部设置在所述外导体的内表面与所述内导体的外表面之间，

所述板部与所述第二板部之间的空间被维持为真空。

5.一种加速器，其中，

所述加速器具备设置有权利要求1至4中任一项所述的加速腔用输入耦合器的加速腔。

Images