CN110536535B - 一种用于高能粒子加速器的束屏 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于高能粒子加速器的束屏，束屏第一壁位于束屏第二壁的外侧，第一冷却剂通道及第二冷却剂通道均位于束屏第一壁与束屏第二壁之间，且第一冷却剂通道的外壁及第二冷却剂通道的外壁均与束屏第一壁的内壁及束屏第二壁的外壁相接触；束屏第一壁上沿轴向开设有第一通槽及第二通槽，其中，第一通槽正对第一冷却剂通道，且第一通槽通过第一冷却剂通道封闭，第二通槽对应第二冷却剂通道，且第二通槽通过第二冷却剂通道封闭，束屏第二壁上沿轴向开设有第三通槽及第四通槽，束屏第一壁的内壁上沿轴向设置有散热块，散热块上设置有第三冷却剂通道，该束屏能够有效的提高超级质子‑质子对撞机中束流管道的散热性能。

Description

一种用于高能粒子加速器的束屏
技术领域
本发明涉及一种束屏，具体涉及一种用于高能粒子加速器的束屏。
背景技术
超导技术已成为高能粒子加速器的关键技术之一，其运行需要大型氦低温制冷系统。加速器中高强度粒子束流在运行过程中会通过不同的物理过程在真空室内壁产生能量沉积。为了提高真空管道内的散热能力，需要采用位于超导磁铁内部的束屏来拦截和转移这些热负载。与低温恒温器的热泄漏相比，束流作用在真空室壁的热负载会更大。束屏(beam screen)作为高能粒子加速器超高真空系统的一部分，主要有两个重要功能。一是通过束屏的开口来降低束流管道上低温冷凝气体分子的同步辐射光/离子/电子致解吸产额，从而降低压强不稳定性。二是拦截和转移同步辐射/镜像电流/电子云等引起的热负载，为超导磁铁的正常工作提供良好且稳定的工作温度。由于超导磁铁内的空间非常狭小，因此，细长束屏的冷却面临低温传热和流体流动方面的基础问题。
1991年，最早的束屏设计方案在大型强子对撞机的设计报告中被提出，质子束在束流管道内运行的过程中，由于同步辐射效应、电子云效应以及镜像电流等因素，会产生大量的热载荷。这些热载荷将增加制冷系统和真空系统的负荷。在1.9K的温度下除去1W的功率需要将近1kW的电能。因此，需要通过束屏来转移热负载，同时降低制冷系统的负荷。
以我国提出的超级质子-质子对撞机为例，其设计周长为100km，对撞质子束的能量为37.5TeV[1]。要使质子束在管道内稳定运行，需要的磁场强度为12T。对于超级质子-质子对撞机而言，超导磁铁需要工作在极低的温度下。因此，管道内产生的热负载需采用束屏来吸收，并通过冷却管道将热量转移，这对束屏的导热性能是一个极大的挑战。
在大型强子对撞机中，当束流能量为7TeV时，束流产生的同步辐射功率为0.17W/m[2]。而在超级质子-质子对撞机中，当束流能量为37.5TeV时，同步辐射功率为16.49W/m。大型强子对撞机的束屏采用两根窄细管道对其进行冷却。很显然，如果采用大型强子对撞机的束屏设计参数，是不能满足超级质子-质子对撞机的散热要求。因此，需要设计一种适用于未来超级质子-质子对撞机的新型束屏，用于提高超级质子-质子对撞机中束流管道的散热性能，以确保束流的稳定运行。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种用于高能粒子加速器的束屏，该束屏能够有效地提高超级质子-质子对撞机中束流管道的散热性能。
为达到上述目的，本发明所述的用于高能粒子加速器的束屏包括冷管壁以及位于冷管壁内的束屏第一壁、束屏第二壁、第一冷却剂通道、第二冷却剂通道；
束屏第一壁位于束屏第二壁的外侧，第一冷却剂通道及第二冷却剂通道均位于束屏第一壁与束屏第二壁之间，且第一冷却剂通道的外壁及第二冷却剂通道的外壁均与束屏第一壁的内壁及束屏第二壁的外壁相接触；
束屏第一壁上沿轴向开设有第一通槽及第二通槽，其中，第一通槽正对第一冷却剂通道，且第一通槽通过第一冷却剂通道封闭，第二通槽对应第二冷却剂通道，且第二通槽通过第二冷却剂通道封闭，束屏第二壁上沿轴向开设有第三通槽及第四通槽，束屏第一壁的内壁上沿轴向设置有散热块，散热块上设置有第三冷却剂通道，束屏第一壁上开设有若干排气孔。
所述散热块的横截面为三角形结构。
散热块与各排气孔分别位于束屏第二壁的两侧。
散热块正对所述第三通槽。
散热块外侧与冷管壁中心线之间的距离为15.08mm。
第三冷却剂通道的内径为1.52mm。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的用于高能粒子加速器的束屏在具体操作时，在原有束屏设计的基础上，在同步辐射热载荷处新增加散热块，便于热量在束屏内能够更好的扩散，同时在散热块中开设有第三冷却剂通道，在距离热源最近的地方对束屏进行冷却，以提高超级质子-质子对撞机中束流管道的散热性能。
附图说明
图1a为本发明的结构示意图；
图1b为本发明的左视图；
图2a为现有技术的结构示意图；
图2b为现有技术的左视图；
图3为现有束屏的温度分布图；
图4a为本发明的温度分布图；
图4b为本发明的局部温度分布图；
图5为本发明的尺寸图；
图6为本发明中排气孔3的分布图。
其中，1为束屏第一壁、21为第一冷却剂通道、22为第二冷却剂通道、3为排气孔、4为冷管壁、5为束屏第二壁、6为散热块、7为第三冷却剂通道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
束屏的热负载包括：同步辐射引起的热负载、镜像电流引起的热负载和电子云引起的热负载，对于超级质子-质子对撞机而言，同步辐射、镜像电流和电子云引起的热负载计算如下：
1)同步辐射引起的热负载
在超级质子-质子对撞机中，同步辐射引起的热载荷是总热负载的主要来源，同步辐射引起的热载荷为：
Figure BDA0002128879280000041
其中，e为单位电荷，ε0为真空介电常数，m0为质子质量，c为光速，E为束流能量，ρ为弯曲半径，I为束流电流，对于超级质子-质子对撞机，同步辐射功率为16.49W/m。
2)镜像电流引起的热负载
束流管道的内壁必须能够传导镜像电流，该功率直接取决于真空室壁材料的电阻率，镜像电流引起的热负载为：
Figure BDA0002128879280000051
其中，R为机器的平均半径，
Figure BDA0002128879280000052
为欧拉伽马函数，M为束团的个数，b为束屏的半高度，Nb为每个束团里面的质子数，Z0为空间阻抗，σt为束团长度，在大型强子对撞机中，P2＝48mW/m，由于超级质子-质子对撞机的束流参数和大型强子对撞机相比并没有量级上的差别，两者的镜像电流功率损耗都是mw级的。
3)电子云引起的热负载
电子云有三个来源，分别是同步辐射、束流轰击残余气体以及离子轰击真空室壁，电子云的热载荷为：
P3＝EpeY1017 (3)
其中，Epe为平均电子能量，Y＝0.02，超级质子-质子对撞机的线光子通量约为4.2×1017photons m-1s-1，忽略二次电子和光子反射，Y取0.02时，入射电子的光电子产额为8.4×1015photons m-1s-1。假设真空管道内的电子云是均匀分布的，当单个束团经过时，单个电子获得的平均能量约为500eV，因此，对于超级质子-质子对撞机，电子云引起的热载荷约为0.59W/m。
总之，综合考虑这三种因素引起的热负载，总的热负载PT＝P1+P2+P3＝17.08W/m。
参考图1a、图1b、图5及图6，本发明所述的用于高能粒子加速器的束屏包括冷管壁4以及位于冷管壁4内的束屏第一壁1、束屏第二壁5、第一冷却剂通道21、第二冷却剂通道22；束屏第一壁1位于束屏第二壁5的外侧，第一冷却剂通道21及第二冷却剂通道22均位于束屏第一壁1与束屏第二壁5之间，且第一冷却剂通道21的外壁及第二冷却剂通道22的外壁均与束屏第一壁1的内壁及束屏第二壁5的外壁相接触；束屏第一壁1上沿轴向开设有第一通槽及第二通槽，其中，第一通槽正对第一冷却剂通道21，且第一通槽通过第一冷却剂通道21封闭，第二通槽对应第二冷却剂通道22，且第二通槽通过第二冷却剂通道22封闭，束屏第二壁5上沿轴向开设有第三通槽及第四通槽，束屏第一壁1的内壁上沿轴向设置有散热块6，散热块6上设置有第三冷却剂通道7，束屏第一壁1上开设有若干排气孔3。
所述散热块6的横截面为三角形结构；散热块6与各排气孔3分别位于束屏第二壁5的两侧；散热块6正对所述第三通槽；散热块6外侧与冷管壁4中心线之间的距离为15.08mm；第三冷却剂通道7的内径为1.52mm。
图2a及图2b为现有技术，本发明与现有技术相比，在束屏第一壁1的内壁上设置有散热块6，其中，所述散热块6的中心位置处沿轴向设置有第三冷却剂通道7，从而有效增强束屏的散热能力，在冷却剂管道温度为4.2K时，采用原有设计方案的束屏最高温度为8.3K，采用本发明后，束屏的最高温度为6.0K，温度分布如图4a及图4b所示，热量分布较为分散，通过优化束屏的结构，使其冷却效率可以提高27.7％。
本发明在原有束屏设计的基础上，在同步辐射热载荷处新增加散热块6，其中，该散热块6外侧距束屏中心15.08mm，便于热量在束屏内更好的扩散，同时在散热块6的中心开设有第三冷却剂通道7，第三冷却剂通道7的直径为1.52mm，在距离热源最近的地方对束屏进行冷却。

Claims (3)

1.一种用于高能粒子加速器的束屏，其特征在于，包括冷管壁(4)以及位于冷管壁(4)内的束屏第一壁(1)、束屏第二壁(5)、第一冷却剂通道(21)及第二冷却剂通道(22)；
束屏第一壁(1)位于束屏第二壁(5)的外侧，第一冷却剂通道(21)及第二冷却剂通道(22)均位于束屏第一壁(1)与束屏第二壁(5)之间，且第一冷却剂通道(21)的外壁及第二冷却剂通道(22)的外壁均与束屏第一壁(1)的内壁及束屏第二壁(5)的外壁相接触；
束屏第一壁(1)上沿轴向开设有第一通槽及第二通槽，其中，第一通槽正对第一冷却剂通道(21)，且第一通槽通过第一冷却剂通道(21)封闭，第二通槽对应第二冷却剂通道(22)，且第二通槽通过第二冷却剂通道(22)封闭，束屏第二壁(5)上沿轴向开设有第三通槽及第四通槽，束屏第一壁(1)的内壁上沿轴向设置有散热块(6)，散热块(6)上设置有第三冷却剂通道(7)，束屏第一壁(1)上开设有若干排气孔(3)；
所述散热块(6)的横截面为三角形结构；
散热块(6)与各排气孔(3)分别位于束屏第二壁(5)的两侧；
散热块(6)正对所述第三通槽。
2.根据权利要求1所述的用于高能粒子加速器的束屏，其特征在于，散热块(6)外侧与冷管壁(4)中心线之间的距离为15.08mm。
3.根据权利要求1所述的用于高能粒子加速器的束屏，其特征在于，第三冷却剂通道(7)的内径为1.52mm。
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