CN110446326A - 一种高功率加速器束流多扇圆孔准直器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高功率加速器束流多扇圆孔准直器，所述高功率加速器束流多扇圆孔准直器主要包括：准直扇极、绝缘垫块、主体外框、水冷过渡件、卡套接头、航空插头、密封圈A、密封圈B、密封圈C、密封圈D、塑料管、螺钉A、螺钉B、准直器前面板、准直器后面板；所述准直扇极的扇极数量为多件，周向均匀分布，采用铜材料制作，作为多扇圆孔准直器的扇极；所述每个扇极通过导线、航空插头引到所述多扇圆孔准直器外侧进行电信号处理，得到打在每个扇极上的束流流强，从而判断束流位置偏差及偏差方向和束流强度分布；本发明能够将指定准直器圆孔大小之外的束流卡掉实现束流的准直，同时可以判断束流的大小、形状、聚散情况及束流偏向。
Description
技术领域
本发明涉及一种加速器束流准直器，具体涉及一种高功率加速器束流多扇圆孔准直器，属于粒子加速器技术领域。
背景技术
质子和重离子加速器加速器束流线上经常用到束流准直器，束流准直器的作用一般是卡掉一定区域外的束流，或测量一定区域外束流的强度，或测量束流位置偏差及偏差方向束流强度分布以指导加速器相关设备运行参数调整。
加速器束流准直器一般采用圆孔准直器，即准直器中心为一圆孔，加速器束流可从圆孔内通过，处于圆孔区域外的束流被准直器挡掉。现有圆孔束流准直器按功率划分，可分为低功率束流准直器和高功率束流准直器两种；按是否分扇划分，可分为单圆孔束流准直器与多扇圆孔束流准直器。低功率束流准直器一般采用单钼片圆孔束流准直器或多扇钼片圆孔束流准直器，用陶瓷垫片进行电绝缘，无水冷。高功率束流准直器一般采用水冷单圆孔束流准直器；或者水冷单圆孔束流准直器与多扇钼片圆孔束流准直器组合使用，二者位置紧邻，水冷单圆孔束流准直器在多扇钼片圆孔束流准直器前面，前者开孔比后者略大，前者挡掉大部分束流功率。
目前，国内高功率质子加速器或重离子加速器，一般对束流诊断要求较高，需要高功率束流准直器，既希望高功率束流准直器卡掉区域外束流，又希望高功率束流准直器能够判断束流位置偏差及偏差方向束流强度的分布。但现有技术高功率束流准直器的单圆孔束流准直器只能把一定区域外的束流刮掉，而不可以作为束流位置偏差的诊断元件，因为是单孔，束流打在单孔上偏向哪一边无法测量；现有技术高功率束流准直器的第二种是将水冷单圆孔束流准直器与多扇钼片圆孔束流准直器组合使用的束流准直器，这种组合式准直器虽然理论上可以组合使用，但是实际中很少这样组合使用：第一，之所以做成钼片准直器是为了结构简单不希望有水冷，如果绝缘同时引入水冷结构会很复杂，因为钼的熔点虽然高但没有水冷散热很差，使得温度直线上升，所以只有小功率打上去才不会熔化，因此钼片准直器只能承受小功率的束流损失。第二，由于基于钼片的准直器只能承受小功率，如果用在大功率上，在钼片准直器后面或前面必须放一个单圆孔水冷准直器。第一种方式是在钼片准直器的后面放一个单圆孔水冷准直器，这种组合方法钼片准直器中间的圆孔必须大于单圆孔水冷准直器的圆孔，打在两圆孔之间的束流无法判断束流分布方向；另外如果大束流跑偏了，整个打在一个钼片上，则钼片承受不了这样大的功率。第三，第二种方式，单圆孔准直器放在前面，钼片准直器放在后面，这种组合用法的问题在于束流位置偏向哪边有时很难判断出来，假如调束时采用小束流，束流形状为倾斜椭圆且束流位置偏差较大，大部分束流打在单圆孔准直器上，此时很难判断出束流位置的偏差方向。单圆孔准直器在前而钼片准直器在后，由于钼片放在后面，且钼片能够承受的功率很低，因此钼片只能露出一小点，如果准直器上损失束流一共10个微安，这种结构使得束流打在前面单圆孔准直器上的束流可能是9个微安，而打在后面钼片准直器上的束流是1个微安，在这种情况下就很难根据某扇钼片上束流的多少来判断束流的偏差方向。
由于以上三种原因，实际工作中这种组合方式的高功率准直器很少使用，实际使用中或者单独使用钼片准直器，但只能用于小功率的场合，或者单独使用单圆孔准直器，但单圆孔准直器只能卡掉区域外束流而不能判断束流位置偏差及偏差方向束流强度的分布。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，提出了一种高功率加速器束流多扇圆孔准直器，目的在于解决现有技术高功率单圆孔束流准直器只能卡掉区域外束流、而不能够判断束流位置偏差及偏差方向束流强度分布的问题。
一种高功率加速器束流多扇圆孔准直器，所述高功率加速器束流多扇圆孔准直器主要包括：准直扇极、绝缘垫块、主体外框、水冷过渡件、卡套接头、航空插头、密封圈A、密封圈B、密封圈C、密封圈D、塑料管、螺钉A、螺钉B、准直器前面板、准直器后面板；
其特征在于：
所述准直扇极1的扇极数量为多件，周向均匀分布，采用铜材料制作，作为多扇圆孔准直器的扇极；多件准直扇极中间拼成一个圆孔，圆孔区域内束流可通过，圆孔区域外的束流打在对应位置的准直扇极上，准直扇极将圆孔区域外的束流卡掉；
所述每个扇极上设有螺纹孔，该螺纹孔用于拧接导线头，导线直接拧在扇级上，打在扇极上的束流，通过导线、航空插头引到所述多扇圆孔准直器外侧进行电信号处理，得到打在每个扇极上的束流流强，从而判断束流位置偏差及偏差方向和束流强度分布；
所述准直扇极内部设有水冷通路，通水后可实现准直扇极的冷却，带走损失在准直扇极上的束流功率；
所述准直扇极中心形状为圆孔的一部分，在束流入口一侧结构为斜角，构成一个锥孔，以加大束流损失功率分布面积；多件准直扇极之间有小的间隙，以使相邻准直扇极之间保持电绝缘；
更优的，所述多件准直扇极之间间隙与束流方向存在一定夹角，即准直扇极侧面不平行于束流轴线，这样可以避免在准直器圆孔区域外且处于相邻准直扇极之间的束流漏过准直器。
所述准直扇极数量优选为4件，但不限于4件。
与准直扇极相同数量的绝缘垫块，位于准直扇极之外，周向均匀分布，作为准直扇极的绝缘支撑；绝缘垫块一般采用耐辐射性能较好的优质工程塑料制作，如聚醚醚酮或聚砜；每个准直扇极对外都是独立电绝缘的，都单独有导线通过航空插头引到准直器外，可实现打在每个准直扇极上束流的测量。
所述准直扇极、绝缘垫块、水冷过渡件、卡套接头和塑料管，形成了冷却水路，图中没有连接塑料管的2件卡套接头对外接进水和出水塑料管；水路内通入去离子水后，可对多件准直扇极形成冷却，使准直扇极能够承受损失在其上的束流功率，在准直扇极电绝缘的同时实现了准直扇极的冷却；密封圈C、密封圈D和卡套接头，在水冷通路各相邻件间连接位置起水密封的作用。
通过改变准直器中间圆孔的大小，可实现不同的卡束准直要求；通过改变准直器前面板和准直器后面板与相邻设备接口形式，可适应不同的相邻设备连接。
本发明的优点效果
1、本发明解决了本领域长期以来的技术难题，即加速器束流多扇圆孔准直器同时满足绝缘、水冷、真空密封的技术难题，通过设置铜材料制作的周向均匀分布的多扇极准直器、通过设置用于判断束流位置偏差及偏差方向和束流强度分布的连接准直器各个扇极的导线和航空插头以及电信号处理电路、通过设置各个扇极上的独立水冷装置、独立绝缘装置，解决了以上技术难题。
2、本发明实现了多扇、绝缘、水冷、真空密封，效果要明显好于现有技术的高功率单圆孔准直器和低功率多扇钼片准直器：本发明不仅能够将指定准直器圆孔大小之外的束流卡掉实现束流的准直，同时可以和后端控制器相结合作为后端控制器调试的“眼睛”，在线监测损失在每个准直扇极上的束流强度及损失束流总和，从而判断束流的大小、形状、聚散情况及束流偏向，对于指导高功率加速器调束和自动化稳定运行非常有利，而且还能实现方便束流散焦同时保证束流形状尽量接近圆形以适应部分加速器靶束流功率密度不能过于集中的问题。
附图说明
图1本发明的加速器束流多扇圆孔准直器局部爆炸结构示意图。
图2本发明的加速器束流多扇圆孔准直器结构示意图A。
图3本发明的加速器束流多扇圆孔准直器结构示意图B。
图4本发明的加速器束流多扇圆孔准直器主体外框结构示意图。
图5本发明的加速器束流多扇圆孔准直器准直扇极和绝缘垫块结构示意图。
图6本发明的加速器束流多扇圆孔准直器前视及其剖面图。
图7本发明的加速器束流多扇圆孔准直器侧视及其剖面图。
图8本发明的加速器束流多扇圆孔准直器后视图。
图9本发明的加速器束流多扇圆孔准直器装有准直器前后面板及管道适配件示意图。
图10本发明的加速器束流多扇圆孔准直器装有前后相邻设备示意图。
图11本发明的加速器束流多扇圆孔准直器装有前后相邻设备剖面图。
附图标记：1.准直扇极，2.绝缘垫块，3.主体外框，4.水冷过渡件，5.卡套接头，6.航空插头，7.密封圈A，8.密封圈B，9.密封圈C，10.密封圈D，11.塑料管，12.螺钉A，13.螺钉B，14.准直器前面板，15.准直器后面板，16.管道适配件A，17.管道适配件B，18.密封圈E，19.束流管道，20.补偿波纹管，21.加速器束流。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作出进一步的解释。
本发明设计原理
1、本发明实现高功率束流参数自动调节的原理：粒子加速器设备是自动化运行，由于自动化运行中有些设备参数会发生漂移，参数发生漂移后要求自动找回，而不能依靠人工一直旋钮的方法。自动找回需要一套程序判断，程序判断必须有眼睛，本发明的“眼睛”告诉它束流偏向哪里和究竟偏向了多少，由此实现加速器系统进行参数的自动调节。而现有技术的单圆孔准直器因为不能判断束流偏向因此不具有“眼睛”功能、现有技术的低功率多扇钼片准直器由于不能承受高功率束流也不能作为高功率束流调节的“眼睛”，因此现有技术的两种准直器均不能作为高功率束流调节的“眼睛”。
2、本发明同时满足多扇、绝缘、水冷、真空密封的设计原理。
低功率单圆孔或四扇钼片准直器因为没有水冷，结构比较简单，通过陶瓷管支撑即可实现钼片的支撑、定位与绝缘。中高功率单圆孔水冷准直器因为没有分扇，不需要多处单独绝缘，故结构设计时内部不考虑绝缘，直接做成整体对外绝缘即可，准直器内部没有绝缘问题，而且只有一路水冷，结构相对简单。而本发明设计的高功率加速器束流多扇圆孔准直器，必须同时满足多扇极，且每个扇极要有独立的水冷回路，并且单独实现内部绝缘，这些还要在所有引入结构同时满足真空密封的条件下实现，因为准直器内部必须是束流可通过的真空环境。本设计巧妙的将每个扇极的绝缘支撑结构做成了水冷通路的一部分，同时也作为真空密封的一部分；绝缘结构在实现单个扇极绝缘与支撑定位的前提下，同时实现了扇极的水冷，以及水冷回路的水密封、水路对真空的密封及准直器内部对外部大气的真空密封。
基于以上原理，本发明设计了一种高功率加速器束流多扇圆孔准直器。
一种高功率加速器束流多扇圆孔准直器如图1所示，所述高功率加速器束流多扇圆孔准直器主要包括：准直扇极1、绝缘垫块2、主体外框3、水冷过渡件4、卡套接头5、航空插头6、密封圈A、密封圈B、密封圈C、密封圈D、塑料管、螺钉A、螺钉B、准直器前面板14、准直器后面板15；
其特征在于：
所述准直扇极的扇极数量为多件，周向均匀分布，采用铜材料制作，作为多扇圆孔准直器的扇极；多件准直扇极中间拼成一个圆孔，圆孔区域内束流可通过，圆孔区域外的束流打在对应位置的准直扇极上，准直扇极将圆孔区域外的束流卡掉；
所述每个扇极上设有螺纹孔，该螺纹孔用于拧接导线头，导线直接拧在扇级上，打在扇极上的束流，通过导线、航空插头引到所述多扇圆孔准直器外侧进行电信号处理，得到打在每个扇极上的束流流强，从而判断束流位置偏差及偏差方向和束流强度分布；
所述准直扇极内部设有水冷通路，通水后可实现准直扇极的冷却，带走损失在准直扇极上的束流功率；
所述准直扇极中心形状为圆孔的一部分，在束流入口一侧结构为斜角，构成一个锥孔，以加大束流损失功率分布面积；多件准直扇极之间有小的间隙，以使相邻准直扇极之间保持电绝缘；
更优的，所述多件准直扇极之间间隙与束流方向存在一定夹角，即准直扇极侧面不平行于束流轴线，这样可以避免在准直器圆孔区域外且处于相邻准直扇极之间的束流漏过准直器。
所述准直扇极数量优选为4件，但不限于4件。
补充说明：
在高功率准直器中有水冷和没有水冷温升相差很多，因为在真空条件下没有对流散热而大部分只能依靠热辐射，这种情况下即使再耐高温的材料也只能承受很小的功率，例如真空内几瓦的功率因为散热条件很差，温度很快就会上升，这是因为没有热平衡装置所以温度一直升高，本发明由于具备水冷所以温度上升很小即可达到热平衡，有了水冷就直接把功率带走了。假如铝的熔点600多度，用100瓦的功率，虽然相比几瓦的功率超出几十倍，但由于使用了水冷，在温度升到300度时就达到热平衡了，而如果没有水冷，单靠热辐射散热很慢，例如极限只有3瓦的散热能力，所以承受功率不能超过3瓦，因此承受的功率很低，因为它的温度是不断上升的，在达到热平衡之前材料就熔化了，而本发明的水冷结构由于能够保证热平衡才使得高功率束流打到扇极上时不至于使得扇极熔化。
与准直扇极相同数量的绝缘垫块，位于准直扇极之外，周向均匀分布，作为准直扇极的绝缘支撑；绝缘垫块一般采用耐辐射性能较好的优质工程塑料制作，如聚醚醚酮或聚砜；每个准直扇极对外都是独立电绝缘的，都单独有导线通过航空插头引到准直器外，可实现打在每个准直扇极上束流的测量。
准直扇极、绝缘垫块、水冷过渡件、卡套接头和塑料管，形成了冷却水路，图中没有连接塑料管的2件卡套接头对外接进水和出水塑料管；水路内通入去离子水后，可对多件准直扇极形成冷却，使准直扇极能够承受损失在其上的束流功率，在准直扇极电绝缘的同时实现了准直扇极的冷却；密封圈C、密封圈D和卡套接头，在水冷通路各相邻件间连接位置起水密封的作用。
通过改变准直器中间圆孔的大小，可实现不同的卡束准直要求；通过改变准直器前面板和准直器后面板与相邻设备接口形式，可适应不同的相邻设备连接。
实施例
本发明的高功率加速器束流多扇圆孔准直器(如图1、2、9、11所示)，可作为高功率质子或重离子加速器束流准直器及束流位置分布诊断元件。该准直器可将准直器圆孔之外的束流卡掉，同时可实时监测损失在每个准直扇极上的束流及损失束流总和，从而判断束流的大小、形状、聚散情况及束流偏向，指导加速器的自动化运行和调束。其功能实现主要过程如下：
(一)如图1、2、3、4、5、6、7、8、9，主体外框内安装4组绝缘垫块和准直扇极，主体外框外一侧装有航空插头。绝缘垫块支撑准直扇极，使准直扇极对外电绝缘；每件准直扇极接有导线，从航空插头引出到主体外框之外。4件准直扇极中间形成一个圆孔，准直扇极在束流进入准直器方向有倒角，即束流先进入4件准直扇极形成的锥孔，再进入圆孔。处于圆孔外的束流，被准直扇极挡掉，并可测量到每个准直扇极上损失的束流强度。只有处于准直扇极中间圆孔内的束流才能通过，对束流形成卡束准直作用。
(二)如图1、2、3、5、7，准直扇极、绝缘垫块、水冷过渡件、卡套接头和塑料管，形成了冷却水路，没有连接塑料管的2件卡套接头对外接进水和出水塑料管。水路内通入去离子水后，可对4件准直扇极形成冷却，使准直扇极能够承受损失在其上的束流功率。
(三)如图1、2、3、4、5、6、7、9、10、11，密封圈A、封圈B、密封圈C、密封圈E，以及航空插头处密封圈、准直器前后面板外各密封圈，将准直器内部与大气或水路隔开，起到真空密封的作用，使准直器使用时，其内部为真空环境。
(四)如图1、5、7，密封圈C、密封圈D和卡套接头，在水冷通路各相邻件间连接位置起水密封的作用。
(五)如图9、10、11，管道适配件A、管道适配件B和束流管道安装在准直器前面板之前，密封圈E实现束流管道的对外真空密封，束流管道插入量在一定范围内可调，相邻件用螺钉连接固定并压紧真空密封圈；准直器后面板之后相邻设备以补偿波纹管为例，通过螺钉连接固定并压紧真空密封圈。加速器束流在束流管道内自左向右进入准直器，处于圆孔外的束流，被准直扇极挡掉，并可测量到每个准直扇极上损失的束流强度。只有处于准直扇极中间圆孔内的束流才能通过，对束流形成卡束准直作用。该准直器同时作为束流诊断元件，指导加速器调束及加速器运行时参数调整和束流监测。由于具有水冷功能，可作为高功率质子或重离子加速器束流准直器及束流位置分布诊断元件。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例。
Claims (5)
1.一种高功率加速器束流多扇圆孔准直器，所述高功率加速器束流多扇圆孔准直器主要包括：准直扇极、绝缘垫块、主体外框、水冷过渡件、卡套接头、航空插头、密封圈A、密封圈B、密封圈C、密封圈D、塑料管、螺钉A、螺钉B、准直器前面板、准直器后面板；
其特征在于：
所述准直扇极1的扇极数量为多件，周向均匀分布，采用铜材料制作，作为多扇圆孔准直器的扇极；多件准直扇极中间拼成一个圆孔，圆孔区域内束流可通过，圆孔区域外的束流打在对应位置的准直扇极上，准直扇极将圆孔区域外的束流卡掉；
所述每个扇极上设有螺纹孔，该螺纹孔用于拧接导线头，导线直接拧在扇级上，打在扇极上的束流，通过导线、航空插头引到所述多扇圆孔准直器外侧进行电信号处理，得到打在每个扇极上的束流流强，从而判断束流位置偏差及偏差方向和束流强度分布；
所述准直扇极内部设有水冷通路，通水后可实现准直扇极的冷却，带走损失在准直扇极上的束流功率；
所述准直扇极中心形状为圆孔的一部分，在束流入口一侧结构为斜角，构成一个锥孔，以加大束流损失功率分布面积；多件准直扇极之间有小的间隙，以使相邻准直扇极之间保持电绝缘；
更优的，所述多件准直扇极之间间隙与束流方向存在一定夹角，即准直扇极侧面不平行于束流轴线，这样可以避免在准直器圆孔区域外且处于相邻准直扇极之间的束流漏过准直器。
2.如权利要求1所述的一种高功率加速器束流多扇圆孔准直器，其特征在于：所述准直扇极数量优选为4件，但不限于4件。
3.如权利要求1所述的一种高功率加速器束流多扇圆孔准直器，其特征在于：与准直扇极相同数量的绝缘垫块，位于准直扇极之外，周向均匀分布，作为准直扇极的绝缘支撑；绝缘垫块一般采用耐辐射性能较好的优质工程塑料制作，如聚醚醚酮或聚砜；每个准直扇极对外都是独立电绝缘的，都单独有导线通过航空插头引到准直器外，可实现打在每个准直扇极上束流的测量。
4.如权利要求1所述的一种高功率加速器束流多扇圆孔准直器，其特征在于：准直扇极、绝缘垫块、水冷过渡件、卡套接头和塑料管，形成了冷却水路，图中没有连接塑料管的2件卡套接头对外接进水和出水塑料管；水路内通入去离子水后，可对多件准直扇极形成冷却，使准直扇极能够承受损失在其上的束流功率，在准直扇极电绝缘的同时实现了准直扇极的冷却；密封圈C、密封圈D和卡套接头，在水冷通路各相邻件间连接位置起水密封的作用。
5.如权利要求1所述的一种高功率加速器束流多扇圆孔准直器，其特征在于：通过改变准直器中间圆孔的大小，可实现不同的卡束准直要求；通过改变准直器前面板和准直器后面板与相邻设备接口形式，可适应不同的相邻设备连接。
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