CN109819579B - 一种高频电聚焦离子加速装置的机械结构及其装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高频电聚焦离子加速装置的机械结构及其装配方法，机械结构包括构成高频腔体的左右两块水平单翼、上下两块垂直单翼和前后两块端盖；腔体中心轴线上交替设置漂移管组件和射频四极场段；漂移管组件中漂移管支撑杆通过第一紧固部件紧固在单翼上。本发明中漂移管组件两端拉紧定位，同时在装配过程中利用紧固部件的松紧功能，略微放松漂移管组件与单翼之间的配合间隙，消除了腔体结构中漂移管组件的过定位，降低了腔体的装配难度，保证了漂移管和单翼的结构稳定和准直调节。整腔装配完成后内部漂移管同轴度好于±0.10mm，经过冷测漂移管段各间隙的场平整度好于1.3%，射频四极场段各象限的场对称度好于3%，与理论值吻合较好。

Description

一种高频电聚焦离子加速装置的机械结构及其装配方法

技术领域

本发明涉及核能技术中离子加速装置机械结构领域，尤其涉及一种高频电聚焦离子加速装置的机械结构及其装配方法。

背景技术

高频电聚焦离子加速装置是一种用于强流低能离子束流加速的装置，这种结构将加速功能与横纵向聚焦功能结合在同一个高频腔体内，结构紧凑，腔体分路阻抗高，高频功耗小，加速梯度高，具有良好的应用前景。

目前，高频电聚焦离子加速装置是将CH型漂移管结构与四翼型射频四极结构混合在同一腔体内，比如申请号201320375926.X的专利文献公开了一种高频电聚焦高梯度离子加速装置，其具体包括漂移管加速部分和高频电四极透镜部分；漂移管加速部分主要用于离子束流的加速，高频电四极透镜部分主要用于束流的横纵向聚焦。漂移管部分和高频电四极透镜部分工作在同一个频率，安装在同一个高频腔体中。它的有益效果是在强流离子束流的加速中，由于结构更加紧凑，使得束流品质更加优良；本结构将加速功能，横纵向聚焦功能结合在同一个高频结构中，腔体分路阻抗高，高频功耗大大的降低;利用零相位进行加速，加速效率更高，可以有效的降低腔体的长度，提高有效加速梯度。

但是，由于上述离子加速装置重在阐述这种加速装置的高频结构，而没有对其机械结构进行详细阐述。此外，也没有公开如何保证机械结构的加工精度、装配精度。比如，在腔体的机械设计及制造就存在以下难点：

1、整腔装配精度要求高，对零件的制造公差控制要求严格。

2、漂移管交叉分布，两端定位，结构复杂，装配困难。

3、腔体结构存在过定位。任意一块单翼在其高度方向上同时被同方向的漂移管支撑杆和垂直方向的两块单翼约束。

4、装配完成后腔体内部漂移管和极头块的结构稳定和准直调节。

可见，现有技术中高频电聚焦离子加速装置的机械结构由于存在以上难点，很难满足相应的精度要求，甚至容易造成腔体装配失败。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高频电聚焦离子加速装置的机械结构，以满足高频电聚焦离子加速装置的高精度机械加工与装配要求，避免因高频结构复杂造成腔体制造失败情况的发生。

为解决上述问题，本发明所述的一种高频电聚焦离子加速装置的机械结构，该机械结构包括构成高频腔体的左右两块水平单翼、上下两块垂直单翼和前后两块端盖；所述高频腔体的中心轴线上交替设置有漂移管组件和射频四极场段；所述射频四极场段中四个极头块分别设在四块单翼上；所述漂移管组件中漂移管两边的漂移管支撑杆通过第一紧固部件紧固在两块相对布置的单翼上，所述第一紧固部件的安装操作面为单翼的外腔壁面。

在上述机械结构中，优选的，所述漂移管组件中漂移管与漂移管支撑杆之间通过过盈配合方式和冷装工艺实现连接。

在上述机械结构中，优选的，所述第一紧固部件为螺栓；所述漂移管支撑杆以轴孔配合方式设于单翼结构中，且端部具有与所述螺栓配合使用的螺纹孔；所述螺栓从单翼的外腔壁面旋入并紧固。

在上述机械结构中，优选的，所述单翼的外腔壁面设有凹槽，该凹槽底部设置供所述螺栓旋入的安装孔。

在上述机械结构中，优选的，所述单翼内腔壁上，用于轴孔安装所述漂移管支撑杆的安装孔为阶梯孔，该阶梯孔从内腔壁面向下依次为圆孔与方孔，配合间隙为0.02~0.06mm。

在上述机械结构中，优选的，所述射频四极场段中的极头块通过第二紧固部件紧固在四块单翼上；所述第二紧固部件的安装操作面为单翼的外腔壁面。

在上述机械结构中，优选的，所述水平单翼和所述垂直单翼均为由极头和腔壁构成的T型结构，所述极头用于连接所述漂移管支撑杆和所述极头块。

在上述机械结构中，优选的，所述水平单翼和所述垂直单翼两侧具有用于安装定位、相互配合的长平面凹陷和长平面凸起，这两个长平面的平面度小于0.02mm，垂直度小于0.03mm。

本发明还提供了一种高频电聚焦离子加速装置的机械结构的装配方法，基于上述任意一项所述高频电聚焦离子加速装置的机械结构，该装配方法包括：

（1）完成下垂直单翼、左水平单翼和前端盖的安装以及这两块单翼上漂移管组件和极头块的安装；其中，使所述漂移管组件和极头块的几何中心与单翼的几何中心重合，保证各单翼端面平齐；

（2）依序完成右水平单翼上极头块的安装，所述右水平单翼在所述下垂直单翼上的安装以及水平漂移管组件两端在左右水平单翼上的紧固；其中，所述右水平单翼在所述下垂直单翼上的安装过程中，利用第一紧固部件的松紧功能微调水平漂移管组件与左右水平单翼的配合间隙、使其满足预设精度要求；

（3）安装后端盖，并使用测量臂检测安装位置，使漂移管组件、极头块的几何中心与三块单翼的几何中心重合；

（4）拆卸后端盖，将子装配体以前端盖为底面，按照步骤（2）的装配方法完成上垂直单翼的安装，并保证任意相互垂直的两单翼内壁面的垂直度、四块单翼端面的平面度均满足相应的精度要求，最后装配后端盖即可。

在上述装配方法中，优选的，在所述步骤（2）中通过以下步骤利用第一紧固部件的松紧功能微调水平漂移管组件与左右水平单翼的配合间隙、使其满足预设精度要求：

将辅助拉伸部件穿入所述右水平单翼上第一紧固部件的安装孔，并使其连接上待与该右水平单翼安装的漂移管支撑杆，通过所述第一紧固部件缓慢松解所述左水平单翼上另一漂移管支撑杆，同时向右拉所述辅助伸拉部件，使本漂移管组件与左右水平单翼之间的配合间隙满足预设精度要求的距离，以此类推，完成其它水平方向漂移管组件的调整；其中，所述辅助拉伸部件中与漂移管支撑杆实现连接的结构与所述第一紧固部件相同。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明中，漂移管组件中漂移管两边的漂移管支撑杆通过第一紧固部件实现拉紧定位，同时在装配过程中利用紧固部件的松紧功能，略微放松漂移管组件与单翼之间的配合间隙，消除了腔体结构中漂移管组件的过定位，降低了腔体的装配难度，保证了漂移管和单翼的结构稳定和准直调节。整腔加工装配完成后内部漂移管同轴度好于±0.10mm，经过冷测漂移管段各间隙的场平整度好于1.3%，射频四极场段各象限的场对称度好于3%，与理论值吻合较好。

2、本发明中，进一步地，漂移管组件采用过盈配合和冷装工艺制造，提高漂移管两端支撑杆的同轴度，从关键零部件方面有效保证了腔体装配精度。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的等轴测爆炸视图。

图2为本发明的整腔装配体剖视图。

图3为本发明的水平单翼结构示意图。

图4为本发明的垂直单翼结构示意图。

图5为本发明的垂直单翼剖视图。

图6为本发明的漂移管组件结构示意图。

图7为本发明的右水平单翼装配方法示意图。

图中：1-1—左水平单翼，1-2—右水平单翼，2-1—下垂直单翼，2-2—上垂直单翼，3-1—前端盖，3-2—后端盖，4—漂移管，5—漂移管支撑杆，6—极头块，7—调谐器组件，8—长螺杆，9—阶梯孔，10—方孔。

具体实施方式

实施例1

参考图1~6，本发明实施例1提供一种高频电聚焦离子加速装置的机械结构，该机械结构主要包括构成高频腔体的两块相同的左水平单翼1-1和右水平单翼1-2，两块相同的上垂直单翼2-2和下垂直单翼2-1以及相同的前端盖3-1和后端盖3-2；并且，在该高频腔体的中心轴线上交替设置有漂移管组件和射频四极场段。

其中，上述漂移管组件包括漂移管4和对称设在其径向上的两根漂移管支撑杆5，这两根支撑杆5长度相等且位于漂移管4轴向中间位置，其外端部分别设在两块相对布置的单翼上（与漂移管4连接的一端为内端部）；漂移管组件水平、垂直交替分布。漂移管支撑杆5通过第一紧固部件紧固在单翼上，可以理解的是，紧固部件相应具有拉紧、放松、紧固功能；第一紧固部件的安装操作面为单翼的外腔壁面，操作空间大，方便装配。

进一步地，上述漂移管组件中漂移管4与漂移管支撑杆5之间通过过盈配合方式和冷装工艺实现连接。在实际加工过程中，按照本发明漂移管组件的结构设置和精度要求，参考常规的过盈配合方法、冷装工艺进行加工即可。不过，为了便于本领域技术人员理解该部分内容，在后文会对该加工方法进行举例详述。

上述射频四极场段由四个极头块6组成，这四个极头块6分别设在四块单翼上，在横截面上沿圆周方向均匀排布。具体地，极头块6与单翼之间的连接方式可以与漂移管支撑杆5一样，即极头块6通过第二紧固部件紧固在四块单翼上，第二紧固部件的安装操作面为单翼的外腔壁面。

实施例2

基于上述实施例公开的机械结构，在本发明实施例2中，紧固漂移管支撑杆5的第一紧固部件和紧固极头块6第二紧固部件均为螺栓；漂移管支撑杆5和极头块6均以轴孔配合方式设于单翼结构中，且两者端部均具有与螺栓配合使用的螺纹孔；可以理解的是，单翼的外腔壁面上具有供螺栓旋入的安装孔，螺栓从单翼的外腔壁面插入并与漂移管支撑杆5、极头块6端部的螺纹孔旋合，以此实现拉紧、放松和紧固功能。

进一步地，可以在单翼的外腔壁面设置凹槽，在该凹槽底部设置供螺栓旋入的安装孔，这样能够缩短螺栓的长度，一方面方便调整、把握螺栓的松紧状况，另一方面节约材料。

本发明中，水平单翼和垂直单翼均为由极头和腔壁构成的T型结构，极头用于连接漂移管支撑杆和极头块。极头顶部为平面，设有用于轴孔安装漂移管支撑杆5和极头块6的安装孔。具体地，用于轴孔安装漂移管支撑杆5的安装孔为阶梯孔，该阶梯孔从极头顶部向下依次为圆孔与方孔，配合间隙为0.02~0.06mm，以减少装配困难。

本发明中，水平单翼和垂直单翼两侧具有用于相互配合的长平面凹陷和长平面凸起，可同时定位水平方向和竖直方向，这两个长平面的平面度小于0.02mm，垂直度小于0.03mm。比如图3、图4示出的，水平单翼两侧为凹陷的长平面，垂直单翼两侧为凸起的长平面，这两种平面相互配合进而实现装配，各个方向定位好后使用螺栓将两者连接起来。

在实际应用中，水平单翼腔壁上还会设有调谐器安装孔和探测器安装孔，垂直单翼腔壁上设有耦合器安装孔。调谐器安装孔用于安装调谐器组件7，其它以此类推。

实施例3

基于上述实施例1公开的高频电聚焦离子加速装置的机械结构，在本发明实施例3中，参考图1~图7，针对机械结构的装配步骤进行详细说明。

（1）完成下垂直单翼2-1、左水平单翼1-1和前端盖3-1的安装以及这两块单翼上漂移管组件和极头块6的安装。

（2）依序完成右水平单翼1-2上极头块6的安装，右水平单翼1-2在下垂直单翼2-1上的安装以及水平漂移管组件两端在左右水平单翼上的紧固。

其中，右水平单翼1-2在下垂直单翼2-1上的安装过程中，先做好右水平单翼1-2在下垂直单翼2-1的垂直定位和基本做好水平定位；然后利用第一紧固部件的松紧功能实现水平配合间隙的微调，使其满足预设精度要求。

在实际应用中，配合间隙的微调还可以使用辅助拉伸部件进行辅助，使用时，将其穿入右水平单翼1-2上第一紧固部件的安装孔，并使其连接上待与该右水平单翼1-2安装的漂移管支撑杆5，通过第一紧固部件缓慢松解左水平单翼1-1上另一漂移管支撑杆5，同时向右拉辅助伸拉部件，使本漂移管组件与左右水平单翼之间的配合间隙满足预设精度要求的距离，以此类推，完成其它水平方向漂移管组件的调整。

其中，辅助拉伸部件中与漂移管支撑杆5实现连接的结构与第一紧固部件相同；比如，在第一紧固部件为螺栓的情况下，辅助拉伸部件可以采用长螺杆8，长长的螺杆便于手握和操作。

（3）安装后端盖3-2，并使用测量臂检测安装位置，使漂移管组件、极头块6的几何中心与三块单翼的几何中心重合。

（4）拆卸后端盖3-2，将子装配体以前端盖3-1为底面，按照步骤（2）的装配方法完成上垂直单翼2-2的安装，并保证任意相互垂直的两单翼内壁面的垂直度、四块单翼端面的平面度均满足相应的精度要求，最后装配后端盖3-2即可。

实施例4

基于上述实施例2公开的机械结构和实施例3公开的装配方法，本发明实施例4中，对于装配方法进行举例详细说明。

（1）用螺栓分别将竖直方向和水平方向的漂移管组件和极头块6依次连接于下垂直单翼2-1和左水平单翼1-1上，并使用测量臂检测安装位置，使漂移管组件、极头块6的几何中心与单翼的几何中心重合，安装精度为0.02~0.06mm。

（2）将连接有漂移管组件的下垂直单翼2-1以外腔壁面为底面放置于装配平台上，将连接有漂移管组件的左水平单翼1-1与其配合，保证两单翼内壁面的垂直度小于0.05mm及两单翼端面的平面度小于0.05mm，并用螺栓连接。

（3）将前端盖3-1与下垂直单翼2-1和左水平单翼1-1用螺栓连接，保证各单翼端面平齐。

（4）参考图7，将连接有水平方向极头块6的右水平单翼1-2与下垂直单翼2-1在竖直方向定位面配合，并缓慢推向水平方向定位面，当右水平单翼1-2极头顶部平面距离水平方向漂移管组件同侧支撑杆5端面1~3mm时停止。

（5）同样参考图7，使用长螺杆8从右水平单翼1-2方形凹槽处通孔伸入，并与该侧漂移管支撑杆5的螺纹安装孔旋合，缓慢松解左水平单翼1-1上固定漂移管组件的螺栓，同时向右水平单翼1-2方向轻拉长螺杆8，至水平方向漂移管组件与左水平单翼1-1和右水平单翼1-2的对应方孔均配合１.5～2.5mm时停止，取出长螺杆8，依照此法将水平方向各漂移管组件与左水平单翼1-1和右水平单翼1-2的对应方孔均配合１.5～2.5mm。

（6）将右水平单翼1-2缓慢左推至其水平方向定位面与下垂直单翼2-1的水平方向定位面配合，到位后用螺栓连接右水平单翼1-2与下垂直单翼2-1，将水平方向漂移管组件两端用螺栓紧固，安装后后端盖3-2并用螺栓紧固，并使用测量臂检测安装位置，使漂移管组件、极头块6的几何中心与三块单翼的几何中心重合，安装精度为0.02~0.06mm。

（7）拆卸后端盖3-2，将子装配体以前端盖3-1横向端面为底面放置于装配平台上，按照步骤（4）~（6）的方法装配连接有垂直方向极头块6的上垂直单翼2-2，保证任意相互垂直的两单翼内壁面的垂直度小于0.05mm，四块单翼端面的平面度小于0.05mm，装配后端盖3-2、调谐器组件7。

实施例5

基于上述各实施例公开的内容，本发明实施例5中，针对实施例1中提及的漂移管支撑杆5内端部与漂移管4之间通过盈配合方式和冷装工艺实现连接，结合实际加工方法进行举例说明。

（1）漂移管4的加工：以圆心为中心沿高度方向钻削直径3~5mm的孔，作为后续加工装配的基准；在圆柱体高度方向的中间位置，沿直径方向钻孔，孔径取支撑杆的直径设计尺寸，精度控制为0~-0.02mm；

（2）漂移管支撑杆5的加工：取圆柱体长杆原材料，长度方向每边留2~5mm加工余量，直径车削至支撑杆设计尺寸，精度控制为+0.03~+0.05mm；

（3）将漂移管支撑杆5放入液氮罐中浸泡10～15分钟后，迅速插入漂移管4配合孔中，使漂移管4两端的漂移管支撑杆5长度相同；

（4）将漂移管4中心孔车削至设计尺寸，此过程中同时切除漂移管支撑杆5插入中心孔的部分；

（5）在漂移管 支撑杆5外端面加工与单翼上安装孔配合的安装结构，并将漂移管支撑杆5长度铣削至设计尺寸。

具体地，第一紧固部件为螺栓，支撑杆外端面的安装结构即为螺纹孔，并铣削出方形凸台。

以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (2)

1.一种高频电聚焦离子加速装置的机械结构的装配方法，其特征在于，在该机械结构中，漂移管组件中漂移管两边的漂移管支撑杆通过第一紧固部件紧固在两块相对布置的单翼上，所述第一紧固部件的安装操作面为单翼的外腔壁面，该装配方法包括：

（1）完成下垂直单翼、左水平单翼和前端盖的安装以及这两块单翼上漂移管组件和极头块的安装；其中，使所述漂移管组件和极头块的几何中心与单翼的几何中心重合，保证各单翼端面平齐；

（2）依序完成右水平单翼上极头块的安装，所述右水平单翼在所述下垂直单翼上的安装以及水平漂移管组件两端在左右水平单翼上的紧固；

其中，所述右水平单翼在所述下垂直单翼上的安装过程中，利用第一紧固部件的松紧功能微调水平漂移管组件与左右水平单翼的配合间隙、使其满足预设精度要求，包括：将辅助拉伸部件穿入所述右水平单翼上第一紧固部件的安装孔，并使其连接上待与该右水平单翼安装的漂移管支撑杆，通过所述第一紧固部件缓慢松解所述左水平单翼上另一漂移管支撑杆，同时向右拉所述辅助伸拉部件，使本漂移管组件与左右水平单翼之间的配合间隙满足预设精度要求的距离，以此类推，完成其它水平方向漂移管组件的调整；

（3）安装后端盖，并使用测量臂检测安装位置，使漂移管组件、极头块的几何中心与三块单翼的几何中心重合；

（4）拆卸后端盖，将子装配体以前端盖为底面，按照步骤（2）的装配方法完成上垂直单翼的安装，并保证任意相互垂直的两单翼内壁面的垂直度、四块单翼端面的平面度均满足相应的精度要求，最后装配后端盖即可。

2.如权利要求1所述的装配方法，其特征在于，所述辅助拉伸部件中与漂移管支撑杆实现连接的结构与所述第一紧固部件相同。

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