CN110213876B - 一种四翼型射频四极场加速器腔体的配水系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种四翼型射频四极场加速器腔体的配水系统，包括设置于加速器腔体的两侧的左配水管路和右配水管路，左配水管路和右配水管路均包括通用配水管路和电极配水管路，电极配水管路包括一根电极进水主管、多根电极进水支管、多个电极回水支路和一根电极回水主管。本发明公开的四翼型射频四极场加速器腔体的配水系统设置有专门用于冷却电极的电极配水管路，对加速器腔体的每个加速段两端的四个电极进行冷却降温，使致加速器腔体内不同部件之间的降温维持在同一温度，进而稳定了加速器腔体内的温度和频率，使加速器腔体得到的频率稳定的强流离子束。

Description

一种四翼型射频四极场加速器腔体的配水系统
技术领域
本发明涉及加速器技术领域，具体涉及一种四翼型射频四极场加速器腔体的配水系统。
背景技术
射频四极场(Radio Frequency Quadrupole，缩写为RFQ)加速器是一种强流低能离子直线加速器。因其能直接加速从离子源中引出的低能离子，并将其加速、纵向群聚、横向聚焦与匹配等多种功能汇集于一个结构之中，从而可高效率地将数十毫安、数百毫安乃至安培级的强流离子束加速至7MeV/μ左右。射频四极场加速器作为低能强流加速器的一种通用的前级加速器，在散裂中子源、加速器驱动洁净核能系统、中微子工厂等大型科学装置以及小型加速器中子源等应用装置中得到了日益广泛的应用。传统的射频四极场加速器结构包括四翼型和四杆型，其中四翼型射频四极场适合工作在在较高频率，适于高占空比及高平均射频功率情况。目前，四翼型射频四极场已成为强流加速器初始阶段(从离子源开始到能量为几MeV)普遍选择的加速结构。
射频四极场加速器通常包括粒子起始端和粒子出口端，粒子起始端和粒子出口端之间沿着直线设置有连续的四至六个加速段，其中必不可少有四个加速段，这四段加速段从前至后分别：径向匹配段(RMS)、成形段(SH)、平滑聚束段(GB)和加速段(AC)。起始端和出口端均设置有端部单元，每个加速段的两端设置有四个电极(又称为四翼)，相邻加速段的连接部分设置有耦合单元。端部单元、电极和耦合单元等内均设置有精密的电学元件。
当离子在射频四极场中运行时，高频电磁场在直线加速器腔体内产生较强的热效应，导致被加速的粒子热流密度大且热负荷不断波动，进而使加速器腔体的温度升高和自身固有的频率改变。其中，端部单元、电极和耦合单元的温度和频率变化最为明显，为此，美国、欧洲、日本等国在建设射频四极场加速器工程期间，都会为工程配置相应的冷却水循环系统，冷却水循环系统包括壁孔水流管道、Π模杆水流管道、端板水路、翼孔水路和耦合器水路。加速器腔体的腔壁上沿腔体长度方向的直线开设多个壁孔，前一个壁孔与后一个壁孔之间沿腔壁内侧由管道连通形成壁孔水流管道；加速器腔体内垂直加速器腔体长度方向上横向穿设有Π模杆，Π模杆及其两端的进水口和出水口组成了Π模杆水流管道；在电学元件热效应明显的端部单元、电极和耦合单元内分别配置端板水冷却回路、翼孔水路和耦合器水路及其相应地进水口和出水口。
但是，目前的射频四极场加速器的的冷却水循环系统存在以下问题：
(1)每个加速段的四个电极的热负荷最大，且是由热敏感元件制成，热效应最为明显，温度上升最快，往往是整个加速器腔体温度最高的部分，是最急迫需要冷却降温的，但是目前的冷却水循环系统并未对其进行区别对待，导致加速器腔体内不同部件之间的降温不一致。
(2)进入加速器腔体的不同进水支路以及不同回水支路的水量分配不均衡、管路布局不紧凑，不能实现加速器腔体的均匀降温，进而影响了加速器腔体内不同部件之间的均匀降温效果以及加速器腔体工作状态下其自身频率的稳定。
(3)每一个回水支路上均设置了温度传感器和流量计，过多的温度传感器和流量计并未真正意义上增加回水支路上的方便性和快捷性，反而导致了报警器误报警概率的增加。
由此可见，目前的射频四极场加速器的的冷却水循环系统存有加速器腔体内不同部件之间的降温不一致和报警器误报警率高等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种四翼型射频四极场加速器腔体的配水系统，用以解决加速器腔体内不同部件之间的降温不一致和报警器误报警率高等问题。
本发明提供一种四翼型射频四极场加速器腔体的配水系统，包括设置于加速器腔体的两侧的左配水管路和右配水管路，所述左配水管路和所述右配水管路均包括通用配水管路，所述左配水管路和所述右配水管路还均包括电极配水管路，所述电极配水管路用于通入水温低于所述通用配水管路内通入的循环水；所述电极配水管路包括一根电极进水主管、多根电极进水支管、多个电极回水支路和一根电极回水主管，多个所述电极进水支管的进水口均设置于所述电极进水主管上，多个所述电极进水支管的出水口从前至后依次与加速器腔体的电极周围的壁孔水流管道的进水口连通或/和依次与加速器腔体的电极周围的Π模杆水流管道的进水口接头连通；多个电极周围的壁孔水流管道的出水口和/或多个所述电极周围的Π模杆水流管道的出水口从前至后依次与多个所述电极回水支路的进水口连通，多个所述电极回水支路的出水口与所述电极回水主管相连通，其中所述电极周围的Π模杆水流管道的进水口与所述电极周围的Π模杆水流管道的出水口分别设置于加速器腔体的两侧，所述电极周围的壁孔水流管道的进水口与所述电极周围的壁孔水流管道的出水口均位于加速器腔体的同侧。
进一步地，所述电极回水支路包括多个一级电极回水支路、若干分水器和若干二级电极回水支路，所述一级电极回水支路的进水口与所述壁孔水流管道的出水口和/或多个所述Π模杆水流管道的出水口连通，多个所述一级电极回水支路的出水口经过一个所述分水器并入至一个所述二级电极回水支路的进水口，每一个所述二级电极回水支路上设置有一个温度传感器和一个流量计，所述二级电极回水支路的出水口与所述电极回水主管相连通。
进一步地，所述通用配水管路包括一根通用进水主管、多个通用进水支路、多个通用回水支路和一根通用回水主管，所述通用进水主管的进水口与所述电极进水主管的进水口并列设置于加速器腔体的粒子起始端，所述通用回水主管的出水口与所述电极回水主管的出水口并列设置于加速器腔体的粒子出口端；所述多个通用进水支路的进水口设置于所述通用进水主管上，所述多个通用进水支路的出水口从前至后依次与加速器腔体同侧的壁孔水流管道的进水口接头连通或/和依次与加速器腔体的Π模杆水流管道的进水口接头连通；多个所述壁孔水流管道的出水口和/或多个所述Π模杆水流管道的出水口从前至后依次与多个所述通用回水支路的进水口连通，多个所述通用回水支路的出水口与所述通用回水主管相连通。
进一步地，所述通用回水支路包括多个一级通用回水支路、若干分水器和若干二级通用回水支路，所述一级通用回水支路的进水口与加速器腔体的电极周围以外的壁孔水流管道的出水口和/或多个所述加速器腔体的电极周围以外的Π模杆水流管道的出水口连通，多个所述一级通用回水支路的出水口经过一个所述分水器并入至一个所述二级通用回水支路的进水口，每一个所述二级通用回水支路上设置有一个温度传感器和一个流量计，所述二级通用回水支路的出水口与所述通用回水主管相连通。
进一步地，所述电极进水主管的进水口设置于加速器腔体的粒子起始端，所述电极回水主管的出水口设置于加速器腔体的粒子出口端；所述左配水管路和所述右配水管路采用同程布置的方式布置配水管路。
进一步地，所述多个通用进水支路和所述电极进水支管上安装有用于精确控制水流流量的水阀。
进一步地，所述电极配水管路还包括回水支管集水管道和进水支管分水管道，所述电极进水主管与若干所述电极进水支管之间通过进水支管分水管道连通；若干所述电极回水支路与所述电极回水主管之间通过回水支管集水管道连通。
本发明的有益效果是：
(1)本发明公开的四翼型射频四极场加速器腔体的配水系统不仅设置有用于连通端板水冷却回路、耦合器水路及Π模杆水流管道、壁孔水流管道等需要维持恒温的加速器腔体的通用配水管路，还设置有专门用于冷却电极的电极配水管路，由于电极需要的冷却温度更低，故通过电极配水管路将更低温度的水输送至加速器腔体的电极周围的壁孔水流管道及Π模杆水流管道，对加速器腔体的每个加速段两端的四个电极进行冷却降温，使致加速器腔体内不同部件之间的降温维持在同一温度。
(2)本发明公开的四翼型射频四极场加速器腔体的配水系统，左配水管路和右配水管路采用同程布置的方式布置配水管路，使之不同回水支路的水量分配不均衡、管路更为紧凑，实现了加速器腔体的均匀降温，避免了加速器腔体内不同部件之间的均匀降温效果以及加速器腔体工作状态下其自身频率的稳定受到的影响。
(3)本发明公开的四翼型射频四极场加速器腔体的配水系统中的电极回水支路和通用回水支路均将多个一级回水支路通过分水器汇集到了数量上更少的二级回水支路，在二级回水支路上设置数量更少的温度传感器和流量计，不仅实现对分支水路进行温度和流量的实时监控，还降低了信号误报警的概率，维持射频四极场加速器的稳定可靠运行。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的射频四极场加速器配水系统的侧视图；
图2是本发明实施例1提供的射频四极场加速器配水系统的左视图；
图3是本发明实施例1提供的射频四极场加速器配水系统的俯视图；
图4是本发明实施例1提供的射频四极场加速器配水系统纵向剖视图。
具体实施方式
实施例1
实施例1提供一种四翼型射频四极场加速器腔体的配水系统，下面对其结构进行详细描述。
参考图1至图4，该四翼型射频四极场加速器腔体的配水系统包括设置于加速器腔体的两侧的左配水管路和右配水管路，左配水管路和右配水管路均包括通用配水管路，左配水管路和右配水管路还均包括电极配水管路，电极配水管路用于通入水温低于通用配水管路内通入的循环水；电极配水管路包括一根电极进水主管4、多根电极进水支管8、多个电极回水支路13和一根电极回水主管6，多个电极进水支管8的进水口设置于电极进水主管4上，多个电极进水支管8的出水口从前至后依次与加速器腔体的电极周围的壁孔水流管道的进水口连通或/和依次与加速器腔体的电极周围的Π模杆水流管道的进水口接头连通；多个电极周围的壁孔水流管道的出水口和/或多个电极周围的Π模杆水流管道的出水口从前至后依次与多个电极回水支路13的进水口连通，多个电极回水支路13的出水口与电极回水主管6相连通，其中电极周围的Π模杆水流管道的进水口与电极周围的Π模杆水流管道的出水口分别设置于加速器腔体的两侧，电极周围的壁孔水流管道的进水口与电极周围的壁孔水流管道的出水口均位于加速器腔体的同侧。该实施例的加速器腔体共有5段，每段共有四个电极，故电极回水支路13的数量为20个，由图4可知，加速器腔体的一侧的电极进水支管8的数量为10个。其中，电极进水主管4的进水水温为18℃，电极回水主管6的回水水温为18℃。
作为一种优选的实施方式，电极回水支路13包括多个一级电极回水支路18、若干分水器11和若干二级电极回水支路，一级电极回水支路18的进水口与壁孔水流管道的出水口和/或多个Π模杆水流管道的出水口连通，多个一级电极回水支路18的出水口经过一个分水器11并入至一个二级电极回水支路的进水口。为了实现对电极回水支路进行温度和流量的实时监测，每一个二级电极回水支路上设置有一个温度传感器9和一个流量计10，二级电极回水支路的出水口与电极回水主管6相连通。
为了实现该配水系统冷却并稳定电极以外如端部单元和耦合单元等产热率高的元件温度的目的，通用配水管路包括一根通用进水主管3、多个通用进水支路7、多个通用回水支路12和一根通用回水主管5，通用进水主管3的进水口与电极进水主管4的进水口并列设置于加速器腔体的粒子起始端，通用回水主管5的出水口与电极回水主管6的出水口并列设置于加速器腔体的粒子出口端；多个通用进水支路7的进水口设置于通用进水主管3上，多个通用进水支路7的出水口从前至后依次与加速器腔体同侧的壁孔水流管道的进水口接头连通或/和依次与加速器腔体的Π模杆水流管道的进水口接头连通；多个壁孔水流管道的出水口和/或多个Π模杆水流管道的出水口从前至后依次与多个通用回水支路12的进水口连通，多个通用回水支路12的出水口与通用回水主管5相连通。其中，通用进水主管3的进水水温为20℃，通用回水主管5的回水水温为20℃。
该配水系统通过通用配水管路将温度稳定的水通入至壁孔水流管道和Π模杆水流管道，对腔体进行降温。
为了降低信号误报警的概率及维持射频四极场加速器的稳定可靠运行，通用回水支路12包括多个一级通用回水支路17、若干分水器11和若干二级通用回水支路，一级通用回水支路17的进水口与加速器腔体的电极周围以外的壁孔水流管道的出水口和/或多个加速器腔体的电极周围以外的Π模杆水流管道的出水口连通，多个一级通用回水支路17的出水口经过一个分水器11并入至一个二级通用回水支路的进水口。为了实现对通用回水支路进行温度和流量的实时监测，每一个二级通用回水支路上设置有一个温度传感器9和一个流量计10，二级通用回水支路的出水口与通用回水主管5相连通。
为了保证进回水的水量分配均衡、水力均匀性好，电极进水主管4的进水口设置于加速器腔体的粒子起始端，电极回水主管6的出水口设置于加速器腔体的粒子出口端；左配水管路和右配水管路采用同程布置的方式布置配水管路。
为了精确控制水流的流量，多个通用进水支路7和电极进水支管8上安装有水阀。
进一步地，电极配水管路还包括回水支管集水管道19和进水支管分水管道16，电极进水主管4与3根电极进水支管8之间通过进水支管分水管道16连通；3根电极回水支路13与电极回水主管6之间通过回水支管集水管道19连通。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种四翼型射频四极场加速器腔体的配水系统，包括设置于加速器腔体的两侧的左配水管路和右配水管路，所述左配水管路和所述右配水管路均包括通用配水管路，其特征在于，
所述左配水管路和所述右配水管路还均包括电极配水管路，所述电极配水管路用于通入水温低于所述通用配水管路内通入的循环水；
所述电极配水管路包括一根电极进水主管(4)、多根电极进水支管(8)、多个电极回水支路(13)和一根电极回水主管(6)，
多个所述电极进水支管(8)的进水口设置于所述电极进水主管(4)上，多个所述电极进水支管(8)的出水口从前至后依次与加速器腔体的电极周围的壁孔水流管道的进水口连通或/和依次与加速器腔体的电极周围的Π模杆水流管道的进水口接头连通；
多个电极周围的壁孔水流管道的出水口和/或多个所述电极周围的Π模杆水流管道的出水口从前至后依次与多个所述电极回水支路(13)的进水口连通，多个所述电极回水支路(13)的出水口与所述电极回水主管(6)相连通，其中所述电极周围的Π模杆水流管道的进水口与所述电极周围的Π模杆水流管道的出水口分别设置于加速器腔体的两侧，所述电极周围的壁孔水流管道的进水口与所述电极周围的壁孔水流管道的出水口均位于加速器腔体的同侧。
2.如权利要求1所述的四翼型射频四极场加速器腔体的配水系统，其特征在于，
所述电极回水支路(13)包括多个一级电极回水支路(18)、若干分水器(11)和若干二级电极回水支路，所述一级电极回水支路(18)的进水口与所述壁孔水流管道的出水口和/或多个所述Π模杆水流管道的出水口连通，
多个所述一级电极回水支路(18)的出水口经过一个所述分水器(11)并入至一个所述二级电极回水支路的进水口，每一个所述二级电极回水支路上设置有一个温度传感器(9)和一个流量计(10)，所述二级电极回水支路的出水口与所述电极回水主管(6)相连通。
3.如权利要求1所述的四翼型射频四极场加速器腔体的配水系统，其特征在于，
所述通用配水管路包括一根通用进水主管(3)、多个通用进水支路(7)、多个通用回水支路(12)和一根通用回水主管(5)，
所述通用进水主管(3)的进水口与所述电极进水主管(4)的进水口并列设置于加速器腔体的粒子起始端，所述通用回水主管(5)的出水口与所述电极回水主管(6)的出水口并列设置于加速器腔体的粒子出口端；
所述多个通用进水支路(7)的进水口设置于所述通用进水主管(3)上，
所述多个通用进水支路(7)的出水口从前至后依次与加速器腔体同侧的壁孔水流管道的进水口接头连通或/和依次与加速器腔体的Π模杆水流管道的进水口接头连通；
多个所述壁孔水流管道的出水口和/或多个所述Π模杆水流管道的出水口从前至后依次与多个所述通用回水支路(12)的进水口连通，多个所述通用回水支路(12)的出水口与所述通用回水主管(5)相连通。
4.如权利要求3所述的四翼型射频四极场加速器腔体的配水系统，其特征在于，
所述通用回水支路(12)包括多个一级通用回水支路(17)、若干分水器(11)和若干二级通用回水支路，所述一级通用回水支路(17)的进水口与加速器腔体的电极周围以外的壁孔水流管道的出水口和/或多个所述加速器腔体的电极周围以外的Π模杆水流管道的出水口连通，
多个所述一级通用回水支路(17)的出水口经过一个所述分水器(11)并入至一个所述二级通用回水支路的进水口，每一个所述二级通用回水支路上设置有一个温度传感器(9)和一个流量计(10)，所述二级通用回水支路的出水口与所述通用回水主管(5)相连通。
5.如权利要求1所述的四翼型射频四极场加速器腔体的配水系统，其特征在于，所述电极进水主管(4)的进水口设置于加速器腔体的粒子起始端，所述电极回水主管(6)的出水口设置于加速器腔体的粒子出口端；所述左配水管路和所述右配水管路采用同程布置的方式布置配水管路。
6.如权利要求3所述的四翼型射频四极场加速器腔体的配水系统，其特征在于，
所述多个通用进水支路(7)和所述电极进水支管(8)上安装有用于精确控制水流流量的水阀。
7.如权利要求1所述的四翼型射频四极场加速器腔体的配水系统，其特征在于，
所述电极配水管路还包括回水支管集水管道(19)和进水支管分水管道(16)，所述电极进水主管(4)与若干所述电极进水支管(8)之间通过进水支管分水管道(16)连通；若干所述电极回水支路(13)与所述电极回水主管(6)之间通过回水支管集水管道(19)连通。
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