CN109936908A - 一种用于低温下超导高频腔耦合度调整的机械结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于低温下超导高频腔耦合度调整的机械结构，包括设在常温段的拉杆驱动机构、设在真空低温段的拉杆、绳索和滑轮机构；所述绳索一端与所述拉杆相连，另一端经由所述滑轮机构连向超导高频腔的耦合天线；所述滑轮机构用于限定和调整所述绳索的行进方向，以适应不同耦合情况。本发明中，拉杆与耦合天线之间设有滑轮机构，不同耦合情况使用不同的滑轮机构、改变安装方向，即可适应各种腔型耦合情况。并且，由于在机械传动中滑轮是最容易改变方向，所以滑轮机构最有普适性优势。

Description

一种用于低温下超导高频腔耦合度调整的机械结构

技术领域

本发明涉及加速器工程领域，尤其涉及一种用于低温下超导高频腔耦合度调整的机械结构。

背景技术

25MeV超导直线加速器是中国加速器驱动次临界反应堆系统（CiADS, ChinaInitiative Accelerator Driven System）的预研装置，其包括常温前端、超导加速段及高能传输线三部分，常温前端出口束流能量为2.1MeV，经过超导加速段，质子束流加速到25MeV。在该预研装置中，超导腔体是整个加速器的核心加速部件，其性能测试至关重要。尤其在测试过程中需要一套能够在低温下对超导高频腔耦合度进行调整的机械结构，并能保证在调整过程中低速、平滑且实时调整。

目前，对超导高频腔耦合度进行调整的机械结构主要采用拉杆结构，通过步进电机驱动丝杠螺母组件通过拉杆实现对超导高频腔进行耦合度的调整；其结构简单，低温下（4K）能够稳定运行。但是，由于CiADS超导直线加速器包含多种腔型，每种腔型的耦合器位置不同，既有腔体侧面耦合的情况，也有腔体底部耦合的情况。而各实验室普遍采用的拉杆结构只适合侧面耦合的情况，而不适合耦合口在超导腔底部的情形，因为在底部耦合时，使用拉杆结构时，力的传递方向很难改变，并且此时拉杆结构需要的空间很大，杜瓦的尺寸有限，因此继续使用拉杆结构会增加安装难度和提升加工成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够适应各种腔型的用于低温下超导高频腔耦合度调整的机械结构。

为解决上述问题，本发明所述的一种用于低温下超导高频腔耦合度调整的机械结构，包括设在常温段的拉杆驱动机构、设在真空低温段的拉杆、绳索和滑轮机构；所述绳索一端与所述拉杆相连，另一端经由所述滑轮机构连向超导高频腔的耦合天线；所述滑轮机构用于限定和调整所述绳索的行进方向，以适应不同耦合情况。

优选的，所述滑轮机构通过第一连接杆设在所述超导高频腔的安装底板上。

优选的，所述超导高频腔为底面耦合，所述滑轮机构包括设在所述超导高频腔下方、呈水平方向布置的两个第一滑轮，这两个滑轮的位置分别与所述拉杆底部、所述耦合天线底部对应，两者之间通过第二连接杆相连，所述第二连接杆通过所述第一连接杆与所述安装底板相连；所述绳索另一端经由这两个滑轮的下侧连向所述耦合天线。

优选的，所述两个第一滑轮之间的中轴线上还设有向上凸起或者向下凹陷的加固滑轮，所述加固滑轮与两边的第一滑轮之间通过对称设置的第三连接杆相连，所述第三连接杆通过所述第一连接杆与所述安装底板相连；所述绳索另一端经由一边第一滑轮的下侧、加固滑轮的上侧、另一边第一滑轮的下侧连向所述耦合天线。

优选的，所述两个第一滑轮和所述加固滑轮的中心分别设在三根销轴上，所述销轴两端设在其两边的所述第三连接杆上。

优选的，所述超导高频腔为侧面耦合，所述滑轮机构包括设在所述超导高频腔侧边、与所述耦合天线对应的双滑轮组，所述双滑轮组中两个第二滑轮的外圈靠近并夹住从中间缝隙穿过的所述绳索，所述绳索另一端经由所述中间缝隙连向所述耦合天线。

优选的，所述绳索另一端与所述耦合天线之间还包括将所述耦合天线馈入到所述超导高频腔内的直线移动单元。

优选的，拉杆驱动机构包括步进电机和由所述步进电机驱动的丝杆螺母组件，所述丝杆螺母组件与所述拉杆的顶部相连。

优选的，所述步进电机固定在低温法兰上，所述拉杆通过衔接法兰与所述丝杆螺母组件连接。

优选的，所述绳索为钢丝绳。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明中，拉杆与耦合天线之间设有限定和调整所述绳索的行进方向的滑轮机构，不同耦合情况使用不同的滑轮机构、改变安装方向，即可适应各种腔型耦合情况。并且，由于在机械传动中滑轮是最容易改变方向，所以滑轮机构最有普适性优势。

2、由于滑轮机构安装简单并且导向非常容易，因此采用该结构可使该耦合装置结构紧凑、大大降低了腔体的装配难度并提升装配精度和空间的有效利用率，符合大工程的需求。

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为本发明实施例提供的机械结构在底面耦合情况下的结构示意图。

图2为图1中滑轮机构的详细结构示意图。

图3为本发明实施例提供的机械结构中在侧面耦合情况下滑轮机构的结构示意图。

图中：1—步进电机，2—丝杠螺母组件，3—低温法兰，4—拉杆， 5—超导高频腔，6—耦合天线，7—安装底板，8—直线移动单元，9—绳索，10—第一连接杆I，11—第一轮滑，12—加固轮滑，13—第三连接杆，14—销轴，15—卡簧，16—第二滑轮，17—第一连接杆II。

具体实施方式

参考图1，本发明实施例提供了一种用于低温下超导高频腔耦合度调整的机械结构，其主要包括设在常温段的拉杆驱动机构、设在真空低温段的拉杆4、绳索9和滑轮机构；绳索9一端与拉杆4相连，另一端经由滑轮机构连向超导高频腔5的耦合天线6；滑轮机构用于限定和调整绳索9的行进方向，以适应不同耦合情况。

这里需要特别说明的是，本发明通过选用滑轮机构改变绳索9行进方向，来实现对不同耦合情况的适应，是经过创造性劳动的，因为：按常规普通思路去考虑，有很多机构可以改变运动方向，比如齿轮传动等，但是，由于本发明特殊的低温（4K）工作环境限制了很多常规机械结构不能用，进而大大限制了可选用机构的范围，比如齿轮传动在低温下会传动失效，甚至会出现低温卡死的状态，带有润滑的机构尤其不能在低温真空状态下使用。最终选定滑轮机构的主要原因是其正好能够在低温工作环境顺利工作、改变绳索9的行进方向，其次是机械传动中滑轮是最容易改变方向，所以滑轮机构最有普适性优势；而且滑轮机构安装简单并且导向非常容易，因此采用该结构可使该耦合装置结构紧凑、大大降低了腔体的装配难度并提升装配精度和空间的有效利用率，符合大工程的需求。

实际应用中，绳索9具体可以采用钢丝绳，其另一端与耦合天线6之间还包括将耦合天线6馈入到超导高频腔5内的直线移动单元8。直线移动单元8由波纹管和导向杆组成。

上述拉杆驱动机构具体包括步进电机1和丝杆螺母组件2，丝杆螺母组件2与拉杆4的顶部相连。具体地，步进电机1通过螺钉连接固定在低温法兰3上，拉杆4通过CF35衔接法兰与丝杠螺母组件2连接作直线移动。

在实际工作过程中为了提高精度，可以对该机械结构进行预压处理，即在安装过程中，对根据计算进行预先施加一个工作载荷，给直线移动单元8一定的位移，使整个机构都处于预压状态，然后以此状态为初始点进行单方向运动。这样的好处是能够使整个机构都没有回程差的影响，大大提升驱动精度。当步进电机1转动时，会带动丝杠螺母组件2，丝杠螺母组件2将旋转运动转化成直线移动，拉杆4会拉动固定在其上的绳索4通过滑轮机构改变力的传递方向，将力传递到直线移动单元8上，直线移动单元8会将耦合天线6馈入到超导高频腔5，完成超导腔耦合度的调整。

其中，耦合天线6由抛光至镜面的无氧铜制实心杆制成，在垂直测试中，射频同轴传输线中的内导体需要深入谐振腔内进行功率馈入，将同轴传输线的内导体末端作为耦合天线，在一定范围内调节前向功率耦合器，改变耦合天线在谐振腔内的长度，当耦合天线的阻抗与谐振腔匹配时，即为临界耦合状态。将耦合器的临界耦合状态作为分界线，若继续调节前向功率耦合器，增加耦合天线在谐振腔内的长度，则为过耦合状态；若缩短耦合天线在腔体内的长度，则为欠耦合状态，耦合天线伸入腔体内部的长度与其外部 Q 值相关，因此一旦垂直测试所要使用的外部 Q 值确定天线的长度也即确定。

基于上述实施例1公开的机械结构，在本发明实施例2中，滑轮机构具体通过第一连接杆设在超导高频腔5的安装底板7上。在实际应用中，安装底板7与超导高频腔5外壁是固定在一起的，其上安装有将超导腔吊起的吊杆；安装底板7与拉杆4之间没有连接关系。而且，无论超导高频腔5是底面耦合还是侧面耦合，安装底板7这一部件都存在。

对于滑轮机构的具体结构，以下从底面耦合和侧面耦合两种情况分别说明。

参考图1和图2，当超导高频腔5为底面耦合时，滑轮机构具体可以包括设在超导高频腔5下方、呈水平方向布置的两个第一滑轮11，这两个滑轮的位置分别与拉杆4底部、耦合天线6底部对应，两个第一滑轮11之间的中轴线上还设有向上凸起的加固滑轮12，加固滑轮12与两边的第一滑轮11之间通过对称设置的第三连接杆13相连，第三连接杆13通过第一连接杆I10与安装底板7相连；绳索9另一端经由一边第一滑轮11的下侧、加固滑轮12的上侧、另一边第一滑轮11的下侧连向耦合天线6。其中，加固滑轮12主要用于避免出现绳索4脱离第一滑轮11的情况。

更具体地，以上三个滑轮的中心固定在销轴14并可在销轴14上转动，销轴14两端通过两个卡簧15设在第三连接杆13的卡槽上。

当然，也可以对上述方案进行简化或者变形。比如不使用加固滑轮12，只用呈水平方向布置的两个第一滑轮11，两者之间通过第二连接杆相连，第二连接杆通过第一连接杆与安装底板7相连；绳索4另一端经由这两个滑轮的下侧连向耦合天线6，这也能实现改变力传递方向的基本功能。又比如，将加固滑轮12按向下凹陷的方式设置，不过这种设置方法需要下方具有足够的空间，这就需要本领域技术人员根据实际可用空间情况进行选定了。

参考图3，当超导高频腔5为侧面耦合时，滑轮机构具体可以包括设在超导高频腔5侧边、与耦合天线6对应的双滑轮组，双滑轮组中两个第二滑轮16的外圈靠近并夹住从中间缝隙穿过的绳索9，绳索9另一端经由中间缝隙连向耦合天线6。双滑轮组通过第一连接杆II17与安装底板7相连。

其中，远离超导高频腔5的第二滑轮16主要用于限制绳索9的横向移动范围，防止绳索9从另一边第二滑轮16上脱离。

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结构及其核心思想。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 (10)

1.一种用于低温下超导高频腔耦合度调整的机械结构，其特征在于，该机械结构包括设在常温段的拉杆驱动机构、设在真空低温段的拉杆、绳索和滑轮机构；所述绳索一端与所述拉杆相连，另一端经由所述滑轮机构连向超导高频腔的耦合天线；所述滑轮机构用于限定和调整所述绳索的行进方向，以适应不同耦合情况。

2.如权利要求1所述的机械结构，其特征在于，所述滑轮机构通过第一连接杆设在所述超导高频腔的安装底板上。

3.如权利要求2所述的机械结构，其特征在于，所述超导高频腔为底面耦合，所述滑轮机构包括设在所述超导高频腔下方、呈水平方向布置的两个第一滑轮，这两个滑轮的位置分别与所述拉杆底部、所述耦合天线底部对应，两者之间通过第二连接杆相连，所述第二连接杆通过所述第一连接杆与所述安装底板相连；所述绳索另一端经由这两个滑轮的下侧连向所述耦合天线。

4.如权利要求3所述的机械结构，其特征在于，所述两个第一滑轮之间的中轴线上还设有向上凸起或者向下凹陷的加固滑轮，所述加固滑轮与两边的第一滑轮之间通过对称设置的第三连接杆相连，所述第三连接杆通过所述第一连接杆与所述安装底板相连；所述绳索另一端经由一边第一滑轮的下侧、加固滑轮的上侧、另一边第一滑轮的下侧连向所述耦合天线。

5.如权利要求4所述的机械结构，其特征在于，所述两个第一滑轮和所述加固滑轮的中心分别设在三根销轴上，所述销轴两端设在其两边的所述第三连接杆上。

6.如权利要求2所述的机械结构，其特征在于，所述超导高频腔为侧面耦合，所述滑轮机构包括设在所述超导高频腔侧边、与所述耦合天线对应的双滑轮组，所述双滑轮组中两个第二滑轮的外圈靠近并夹住从中间缝隙穿过的所述绳索，所述绳索另一端经由所述中间缝隙连向所述耦合天线。

7.如权利要求1至6任一项所述的机械结构，其特征在于，所述绳索另一端与所述耦合天线之间还包括将所述耦合天线馈入到所述超导高频腔内的直线移动单元。

8.如权利要求1至6任一项所述的机械结构，其特征在于，拉杆驱动机构包括步进电机和由所述步进电机驱动的丝杆螺母组件，所述丝杆螺母组件与所述拉杆的顶部相连。

9.如权利要求8所述的机械结构，其特征在于，所述步进电机固定在低温法兰上，所述拉杆通过衔接法兰与所述丝杆螺母组件连接。

10.如权利要求1至6任一项所述的机械结构，其特征在于，所述绳索为钢丝绳。