CN109862685B - 一种带有实时可调式电容的高频腔体及其调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于回旋加速器技术领域，具体涉及一种实时可调式电容的高频腔体，包括外壳，加速电极板，主调电容和微调电容，微调电容单个的表面积小于主调电容的表面积同时两个微调电容的总表面积大于所述主调电容的表面积，微调电容内设置加热和冷却结构，主调电容穿过所述外壳连接在行程可控的气缸驱动设备上，主调电容与壳体之间设置有四个圆柱形金属密封构件分别与主调电容的正方形四个表面构成滚动密封接触，密封构件设置在壳体的凹槽内。该高频腔体结构简单，能够实时进行工作频率调整在满足调节精度的同时可以大大缩短工期。
Description
技术领域
本发明属于回旋加速器技术领域，具体涉及一种带有实时可调式电容的高频腔体及其调节方法。
背景技术
回旋加速器是利用磁场和电场共同使带电粒子作回旋运动，在运动中经高频电场反复加速的装置，广泛应用于高能物理实验和医用质子治疗设备。医用质子治疗设备中使用回旋加速器加速质子、重离子形成射线束流来治疗肿瘤，属于效果较好的放射治疗技术，其中超导回旋加速器的高频腔体是用于为带电粒子加速提供加速能量的核心部件，高频腔体的工作频率 (谐振频率)由回旋加速器中主磁铁的最终的磁场测量结果确定，但是医用质子治疗加速器的建设过程中，为了节省超导回旋加速器的建造时间，高频腔体的建造和加工往往与主磁铁的加工同步完成，主磁铁的磁场预先通过电磁场仿真软件计算得到，但在实际加工完成后实际BH曲线与仿真计算的往往存在一定的偏差。而高频腔体的设计工作频率是以仿真的主磁铁磁场数据为参考的，并且在建造完成后其本身的频率通常不可能大幅度调整，现有技术的调整能力范围均在2MHz以内，当主磁铁的实际BH曲线与仿真值差异不大时，在建造完成后可以根据实际磁场数据调整高频腔体的结构使其实际工作频率与由主磁铁的实际磁场数据吻合。高频腔体的频率调整方式是通过内设的微调电容实现的对工作频率的调节范围一般为0.4MHz，只需补 偿发热变形引起的腔体频率变化即可，但仅靠微调电容的调整范围通常无法满足实际要调整的范围需求。
为解决上述矛盾，目前国际上采取的方法通常是在高频腔体设计时减小加速电极板与高频腔体外壳的距离，从而增大分布电容，在建造完成后再对电极板的边缘进行调整而减小分布电容，改变高频腔体实际工作频率。另一种方法则通过直接增加微调电容的面积来提升微调电容的调整能力，而国内提出了一种在微调电容两侧额外设置一对无氧铜补偿电容，通过对无氧铜补偿电容的顶面的打磨切削来实现补偿电容顶面与电极板的距离调整。但以上方法分别存在以下问题：微调电容直接调整时精度难以保证，而无论是电极板的边缘进行调整还是对无氧铜补偿电容的打磨切削，都需要进行多次打磨切削加工调整并不断试错才能勉强达到要求，在时间上仍然耗时较长。
图1为一种现有技术的带有补偿电容的高频腔体，其中包括设置在高频腔体外壳2内部的高频腔体加速电极板1，设置在高频腔体外壳2内部的尾部中间位置的微调电容4(超导回旋加速器的高频腔体一般 对于中心区说“头部”，后面设置微调电容的位置称为“尾部”)，通过调整微调电容4与高频腔体加速电极板1之间的距离实现对高频腔体的工作频率的调整，设置在高频腔体外壳2内部的尾部、位于微调电容4两侧的一对补偿电容3(两个)，补偿电容3用于为高频腔体提供对工作频率的调整，补偿电容3提供的工作频率调整的幅度小于等于2MHz。通过对补偿电容顶面进行打磨切削来实现补偿电容面与高频腔体加速电极板1之间的距离的调整，调整距离时对两个补偿电容3都进行打磨切削，两个补偿电容3的厚度保持一致。该方案虽然避免了国外使用增加微调电容表面积导致的调整精度不够的问题，但该方式仍然需要进行多次打磨切削加工调整并不断试错才能达到要求，对工期的缩短并不明显。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种带有实时可调式电容的高频腔体及其调节方法，不仅能保证调整精度，还避免了打磨切削等调整方式的繁琐，大大缩短了建造工期。
为实现上述目的，本发明提供了一种实时可调式电容的高频腔体，其特征在于，包括外壳，加速电极板，主调电容和微调电容，所述加速电极板，主调电容和微调电容均设置在所述外壳内，所述主调电容处于所述高频腔体的尾部中部，所述微调电容为两个，分别对称设置在所述主调电容两侧，所述微调电容单个的表面积小于所述主调电容的表面积同时所述两个微调电容的总表面积大于所述主调电容的表面积，所述微调电容为空心结构，微调电容内设置加热和冷却结构，微调电容通过加热和冷却引起形变从而改变与电极板的距离进行电容微调，所述主调电容为实心结构，所述主调电容穿过所述外壳连接在行程可控的气缸驱动设备上，通过气缸驱动改变主调电容与电极板的距离进行电容调节，主调电容的截面为正方形，主调电容与壳体之间设置有四个圆柱形金属密封构件分别与主调电容的正方形四个表面构成滚动密封接触，密封构件设置在壳体的凹槽内。
进一步，所述圆柱形金属密封构件的材料均为无氧铜，圆柱形金属密封构件表面镀银处理。
进一步，所述主调电容对工作频率的调整范围在0-0.8MHz之间。
进一步，所述微调电容对工作频率的调整范围在0-0.6MHz之间。
进一步，所述两个微调电容的加热结构为电热丝，电热丝为并联结构相同电阻的电热丝，冷却结构为并联管路的相同水冷结构，以保证加热和冷却程度一致。
为实现上述目的，本发明还公开了一种采用上述实时可调式电容的高频腔体的工作频率调节方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，根据对主磁铁的磁场的仿真得到的设计工作频率；
步骤2，根据设计工作频率，建造包括所述外壳，加速电极板，主调电容和微调电容的高频腔体；
步骤3，测量所述主磁铁的最终磁场得到所述高频腔体的最终工作频率；
步骤4，在微调电容关闭加热和冷却结构，主调电容驱动到设计默认位置时，测量所述高频腔体的实际工作频率，并与步骤3中得到的所述最终工作频率进行对比，当实际工作频率与最终工作频率差值在0-0.8MHz之间时仅通过调整主调电容进行调节，当实际工作频率与最终工作频率差值超过0.8MHz时先调节主调电容，再调节微调电容，同时实时测量实际工作频率，以最终符合设计工作频率。
本发明的有益效果在于：通过特殊设计的主调电容和壳体之间的滚动密封结构，在保证密封性能的情况下实现了原微调电容位置的电容调节能力提升，可作为主调节电容使用，而气缸驱动改变主调电容与电极板的距离进行电容调节在调整范围过大时精度会降低，同时设置了两个微调电容通过非气缸驱动的形式进行精度补充，通过计算发现，当微调电容单个的表面积小于所述主调电容的表面积同时所述两个微调电容的总表面积大于所述主调电容的表面积可以完全满足大范围调整能力的要求和精度要求。
附图说明
图1是现有技术中带有补偿电容的高频腔体的俯视图；
图2是本发明具体实施方式中带有实时可调式电容的高频腔体；
图3是本发明具体实施方式中滚动密封接触结构；
图中：1-加速电极板，2-外壳，3-补偿电容，4-微调电容，5-主调电容，6-气缸驱动结构，7-加热和冷却结构，8-圆柱形金属密封构件，9-凹槽。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
如图2和3所示，本发明提供了一种实时可调式电容的高频腔体，其特征在于，包括外壳2，加速电极板2，主调电容5和微调电容4，所述加速电极板1，主调电容5和微调电容4均设置在所述外壳2内，所述主调电容5处于所述高频腔体的尾部中部，所述微调电容4为两个，分别对称设置在所述主调电容5两侧，所述微调电容4单个的表面积小于所述主调电容5的表面积同时所述两个微调电容4的总表面积大于所述主调电容5的表面积，所述微调电容4为空心结构，微调电容4内设置加热和冷却结构7，微调电容4通过加热和冷却引起形变从而改变与电极板1的距离进行电容微调，所述主调电容5为实心结构，所述主调电容5穿过所述外壳3连接在行程可控的气缸驱动设备6上，通过气缸驱动改变主调电容5与电极板1的距离进行电容调节，主调电容的截面为正方形，主调电容5与壳体2之间设置有四个圆柱形金属密封构件8分别与主调电容5的正方形四个表面构成滚动密封接触，密封构件设置在壳体2的凹槽9内，所述圆柱形金属密封构件的材料均为无氧铜，圆柱形金属密封构件表面镀银处理，银质地较软，在滚动摩擦时适应性变形提高密封效果，所述主调电容对工作频率的调整范围在0-0.8MHz之间，所述微调电容对工作频率的调整范围在0-0.6MHz之间，这些调整范围在设计初就可以进行相应设计，保持一定裕度，保证可调整的范围能够达到，两个微调电容的加热和冷却结构均可采用现有技术中已知的通用结构，并不作特殊限度，具体例如加热结构为电热丝，电热丝为并联结构相同电阻的电热丝，冷却结构为并联管路的相同水冷结构，以保证加热和冷却程度一致。
本发明还提供了一种采用上述实时可调式电容的高频腔体的工作频率调节方法，其特征在于， 包括如下步骤：
步骤1，根据对主磁铁的磁场的仿真得到的设计工作频率；
步骤2，根据设计工作频率，建造包括所述外壳，加速电极板，主调电容和微调电容的高频腔体；
步骤3，测量所述主磁铁的最终磁场得到所述高频腔体的最终工作频率；
步骤4，在微调电容关闭加热和冷却结构，主调电容驱动到设计默认位置时，测量所述高频腔体的实际工作频率，并与步骤3中得到的所述最终工作频率进行对比，当实际工作频率与最终工作频率差值在0-0.8MHz之间时仅通过调整主调电容进行调节，当实际工作频率与最终工作频率差值超过0.8MHz时先调节主调电容，再调节微调电容，同时实时测量实际工作频率，以最终符合设计工作频率。
本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。
Claims (6)
1.一种带有实时可调式电容的高频腔体，包括外壳，加速电极板，微调电容，所述加速电极板，微调电容设置在外壳内，其特征在于，还包括主调电容，主调电容设置在外壳内，所述主调电容处于所述高频腔体的尾部中部，所述微调电容为两个，分别对称设置在所述主调电容两侧，所述微调电容单个的表面积小于所述主调电容的表面积同时所述两个微调电容的总表面积大于所述主调电容的表面积，所述微调电容为空心结构，微调电容内设置加热和冷却结构，微调电容通过加热和冷却引起形变从而改变与电极板的距离进行电容微调，所述主调电容为实心结构，所述主调电容穿过所述外壳连接在行程可控的气缸驱动设备上，通过气缸驱动改变主调电容与电极板的距离进行电容调节，主调电容的截面为正方形，主调电容与壳体之间设置有四个圆柱形金属密封构件分别与主调电容的正方形四个表面构成滚动密封接触，密封构件设置在壳体的凹槽内。
2.如权利要求1所述的高频腔体，所述圆柱形金属密封构件的材料均为无氧铜，圆柱形金属密封构件表面镀银处理。
3.如权利要求1所述的高频腔体，所述主调电容对工作频率的调整范围在0-0.8MHz之间。
4.如权利要求3所述的高频腔体，所述微调电容对工作频率的调整范围在0-0.6MHz之间。
5.如权利要求1所述的高频腔体，所述两个微调电容的加热结构为电热丝，电热丝为并联结构相同电阻的电热丝，冷却结构为并联管路的相同水冷结构，以保证加热和冷却程度一致。
6.一种采用如权利要求1-5中任一所述的带有实时可调式电容的高频腔体的工作频率调节方法，其特征在于， 包括如下步骤：
步骤1，对主磁铁的磁场的仿真得到设计工作频率；
步骤2，根据设计工作频率，建造包括所述外壳，加速电极板，主调电容和微调电容的高频腔体；
步骤3，测量所述主磁铁的最终磁场得到所述高频腔体的最终工作频率；
步骤4，在微调电容关闭加热和冷却结构，主调电容驱动到设计默认位置时，测量所述高频腔体的实际工作频率，并与步骤3中得到的所述最终工作频率进行对比，当实际工作频率与最终工作频率差值在0-0.8MHz之间时仅通过调整主调电容进行调节，当实际工作频率与最终工作频率差值超过0.8MHz时先调节主调电容，再调节微调电容，同时实时测量实际工作频率，以最终符合设计工作频率。
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