CN110677975A - 一种MHz量级束流切割器高频匹配方法 - Google Patents

一种MHz量级束流切割器高频匹配方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种MHz量级束流切割器高频匹配方法，包括以下步骤：给定一个固定的谐振频率f0；根据给定的谐振频率f0确定趋肌肤深度；根据趋肌肤深度确定导线直径最小值d0；所述d0的取值要兼顾屏蔽外壳尺寸尽量小和功率在可承受范围这两个范围；根据d0计算螺旋谐振器最小尺寸;根据螺旋谐振器最小尺寸计算对应的功率P;判断功率P是否在可承受范围；如果功率不在可承受范围，调整d0，并返回步骤四；如果功率在可承受范围，以当前d0对应的螺旋谐振器尺寸作为最终尺寸。本发明通过改变螺旋导线形状、改变螺旋导线尺寸、改变螺旋导线和功率P的比例关系、改变线圈匝数N和电感L的比例关系，产生了将螺旋谐振器尺寸缩小50%的预料不到的技术效果。

Description

一种MHz量级束流切割器高频匹配方法
技术领域
本发明属于加速器束流切割领域，具体涉及一种MHz量级束流切割器高频匹配方法。
背景技术
高频匹配是束流切割器设计的关键环节，通过螺旋谐振器提供的高频正弦波电压作用在粒子束上实现对束流横向的调制，束流经过一段距离的漂移再经过限束狭缝后，只有一部分粒子能够通过狭缝，其它粒子会被切割掉，从而实现从直流束到脉冲束的转换，实现束流的脉冲化。
螺旋谐振器作为一般LC谐振的替代结构，由螺旋状的内导体和圆柱状的屏蔽外壳构成，螺旋谐振器的参数直接影响切割束流的频率和脉宽。束流切割器安装在离子源后面的注入线上，注入线上安装有XY导向磁铁、螺线管透镜等众多设备，且由于离子源和注入线在加速器下方安装，本来就使得狭小的空间更加拥挤，对于束流切割器而言，螺旋谐振器又是其中体积占比最大的部分，切割器体积中的绝大部分是螺旋谐振器占据的，由于目前的螺旋谐振器体积太大无法在注入线上进行安装：螺旋导线直径较粗为1.2厘米，由于线直径 较粗致使整个螺线管线圈体积大，这样较粗直径组成的螺旋谐振器体积高达近1米、底边正 方形边长0.6米。这样大的体积确实无法在周围具有众多设备的狭窄空间中安装。
发明内容
针对现有技术中存在问题，本发明提供一种MHz量级束流切割器高频匹配方法，目的在于解决现有技术螺旋谐振器体积太大、不便于现场安装的问题。
本发明为解决其技术问题提出以下技术方案：
一种MHz量级束流切割器高频匹配方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、给定一个固定的谐振频率f0；
步骤二、根据给定的谐振频率f0确定趋肌肤深度；
步骤三、根据趋肌肤深度确定导线直径最小值d0；所述d0的取值要兼顾屏蔽外壳尺寸尽量小和功率在可承受范围这两个范围；
步骤四、根据d0计算螺旋谐振器最小尺寸；
步骤五、根据螺旋谐振器最小尺寸计算对应的功率P；
步骤六、判断功率P是否在可承受范围；
步骤七、如果功率不在可承受范围，调整d0，并返回步骤四；如果功率在可承受范围，以当前d0对应的螺旋谐振器尺寸作为最终尺寸。
所述步骤四的根据d0计算螺旋谐振器最小尺寸，具体过程如下：
⑴根据公式τ＝2d0求出螺线管线圈间距τ，(在给定谐振频率条件下，线圈导线的直径直接决定螺旋谐振器的大小以及品质因数)
⑵根据公式
Figure BDA0002223982450000021
求出屏蔽外壳直径D；
⑶根据公式求出品质因数Q0；
⑷根据公式：d＝0.55D求出螺旋线圈外直径d；
⑸根据公式：
Figure BDA0002223982450000023
求出线圈匝数N，从而线圈螺纹长度：b＝N·τ；
⑹然后将圆形屏蔽外壳等效转换为底面为正方形的长方体屏蔽外壳；
⑺根据公式Lc＝1.52d＝0.836D求出屏蔽外壳底部正方形边长Lc；
⑻根据公式
Figure BDA0002223982450000024
求出屏蔽外壳螺旋方向长度B；
所述步骤五的根据螺旋谐振器最小尺寸计算对应的功率P，具体过程如下：
⑴计算电感L
L＝L0·N2·Dd×10-3；其中L为电感值(μH)、N为线圈匝数、Dd为螺旋线圈直径(cm)、L0为线圈修正系数；
⑵求出等效并联谐振阻抗R
根据R＝ωLQ0＝2πf0LQ0求出R；
⑶求出功率P
根据权利要求1所述一种MHz量级束流切割器高频匹配方法，其特征在于：所述d0尺寸要求尽可能小，使得螺旋线圈直径和屏蔽外壳尺寸达到最小，但如果屏蔽外壳尺寸太小，则系统Q值会降低，功耗会升高，因此，d0的取值要兼顾屏蔽外壳尺寸尽量小和功率在可承受范围这两个范围，d0取值优选3mm～5mm；与d0该取值范围相对应螺旋谐振器其他参数优选如下：
螺线管线圈外直径d要求在194mm～251mm；
螺线管线圈间距τ为6mm～10mm之间且线圈绕制过程中线圈的间距τ要保证恒定不变；
螺线管线圈绕制匝数N为30～38；
外壳底部正方形边长L控制在296mm～382mm，591、591、937外壳螺旋方向长度B控制在469m～605mm。
所述的谐振频率f0为1～3MHz。
所述的趋肤深度要求最小壁厚为0.382mm，材料选用紫铜管或镀银铜管，表面光滑无毛刺。
所述的屏蔽外壳材料选要求选取取铝制外壳，内部做导电处理，外壳厚度不小于2mm。
所述步骤一的给定一个固定的谐振频率f0，即为：在各个尺寸被反复调整的过程中，始终保持谐振频率f0固定不变，也就是说尺寸等参数变化了，会引起等效电容或电感的变化，频率也将发生变化，但是调节不同参数的匹配关系就可以保证最终频率为定值；所述不同参数的匹配关系即是线圈匝数N和电感L的匹配关系，通过减少线圈的匝数N保持电感L不变，从而保持谐振频率f0不变。
本发明的优点效果
1、本发明通过改变螺旋导线形状、改变螺旋导线尺寸、改变螺旋导线和功率P的比例关系、改变线圈匝数N和电感L的比例关系，产生了将螺旋谐振器尺寸缩小50％的预料不到的技术效果，不仅大幅度节省制作成本，也有效解决了工作现场安装不便的困难，解决了本领域技术人员长期以来无法将螺旋谐振器尺寸进一步缩小的疑难问题。
2、本发明将d0取值优选3mm～5mm，在此范围内的d0既满足了让外壳尺寸大幅度缩小为二分之一的安装要求、又兼顾了不因外壳尺寸太小而使得系统Q值降低和功耗超出可承受范围的需求，由于将功率控制在可承受范围，使得螺旋导线内不再因为功率升得太高而需要敷设水冷管道，导线直径从1.2厘米缩小为0.3毫米，取得了安装方便和节省50％耗材成本的预料不到的效果。
附图说明
图1为束流切割器高频匹配示意图；
图2为螺旋谐振器尺寸示意图；
图3为本发明一种MHz量级束流切割器高频匹配方法流程图。
图中，1：馈入端口；2：耦合环2；3：螺线管线圈3；4：屏蔽外壳正方形4底边；5：切割极板5。
具体实施方式
下面结合附图做出进一步的解释
本发明设计原理
1、设计目标：将现有螺旋谐振器尺寸设计得尽可能小。具体将现有螺旋谐振器长、宽、高(591、591、937)尺寸各缩减一半。整体上缩减后的尺寸只是原来的二分之一。
2、设计难点。第一个难点：现有螺旋管空心管结构使得谐振器尺寸难以再减小：原因是空心管线中间用于布设水冷管道，一般直径至少为1.2厘米，要在管线中间布设水冷管道，这个尺寸已经达到了极限。由于空心管线直径d0不能再减小、而螺旋谐振器各个尺寸又都是基于这个空心管线直径d0计算得出的，如果又要达到水冷的效果、又要减小螺旋谐振器尺寸是难以实现的。第二个难点：如果将空心管线改为实心管线，由于实心管线内无法安装水冷管道将使得散热差，散热差就要求功率必须降下来，但是功率降下来螺旋谐振器的体积又会上升：从公式
Figure BDA0002223982450000051
可以看出，要降低功率P(电压不变)，需要使得阻抗R增大，由于R＝ωLQ0＝2πf0LQ0，R增大又要求L增大，而L来自实心导线的直径d0，L增大必然体积增大、体积增大又和设计目标相矛盾。第三个难点：螺旋谐振器尺寸减小的过程中要始终保持给定频率f0不能改变，因为频率设定的依据是脉冲的要求，也就是将来切割出来的脉冲束的要求，这个频率要求是固定的，就是无论尺寸怎么改变也要满足频率的要求。而频率
Figure BDA0002223982450000052
L为电感，C为电容，若果要使得f0不变，就要求电感L不能变化，而电感是随着d0的调整而变化的。L＝L0·N2·Dd×10-3，其中N、Dd都来自d0。如果为了将功率降低下来，就需要提高d0的尺寸，那么N2、Dd都要加大，电感L也就增大，频率f0也就随着增大，这和频率f0要求固定又是矛盾的。
3、本发明的解决方案。第一、采用实心管线代替空心管线使得线直径d0只有原来直径的四分之一，从而解决第一个难题；第二步、通过d0计算出一系列尺寸，最后计算出功率P，由于实心管线不能布设水冷管道，因此功率P不能太高，但同时又要保证d0尽量小，所以，d0的尺寸需要反复试验从而使得d0的尺寸兼顾功率和尺寸的矛盾，从而解决了第二个难题；第三步：保证频率f0在尺寸调整过程中始终固定。方法一、根据给定的f0设计d0的初始值，f0一旦确定也就是确定了趋肤深度、趋肤深度又决定了d0，d0的尺寸应该大于等于趋肤深度，因此，初始d0设定等于趋肤深度；方法二、当功率和d0不匹配调整d0以后，电感L将发生变化：其中L为电感值(μH)、N为线圈匝数、Dd为螺旋线圈直径(cm)、L0为线圈修正系数，而频率与电感的关系为：
Figure BDA0002223982450000061
只有使得电感L不变才能让f0始终不变，L＝L0·N2·Dd×10-3，在这个公式中，Dd为螺旋谐振器正方形底边，此时Dd的尺寸是d0调整以后(功率符合忍耐程度)的最小尺寸，如果再次调整Dd，那么只有重新调整d0和功率，所以，一旦Dd随着f0和功率P确定后就不再调整，从公式看出，L＝L0·N2·Dd×10-3，为了保证L不变，同时使得Dd不变，可以通过减少匝数N的方法，当Dd随着d0的调整而变大时，让N降低，使得电感L保持不变，从而保证给定的f0始终不变。
基于以上发明原理，本发明设计了
一种MHz量级束流切割器高频匹配方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、给定一个固定的谐振频率f0；
步骤二、根据给定的谐振频率f0确定趋肌肤深度；
步骤三、根据趋肌肤深度确定导线直径最小值d0；所述d0的取值要兼顾屏蔽外壳尺寸尽量小和功率在可承受范围这两个范围；
补充说明：
首先在给定谐振频率f0(MHz)条件下确定选用的螺线管线圈导线，螺线管线圈的选取主要考虑材料和直径等。由于高频信号趋肤深度的要求需要绕制螺线管线圈导线的直径或壁厚大于趋肤深度要求的最小壁厚。为保证最终谐振器尺寸足够小，螺线管线圈导线直径直径d0要求尽可能小(3mm～5mm)，同样使螺旋线圈直径和屏蔽外壳尺寸最小。但要同时考虑系统的功耗及效率，如果尺寸太小系统Q值会降低，功耗会升高，即
Figure BDA0002223982450000071
(D，屏蔽外壳直径，单位inch)为品质因素与谐振频率关系的经验公式。
步骤四、根据d0计算螺旋谐振器最小尺寸；
步骤五、根据螺旋谐振器最小尺寸计算对应的功率P；
步骤六、判断功率P是否在可承受范围；
步骤七、如果功率不在可承受范围，调整d0，并返回步骤四；如果功率在可承受范围，以当前d0对应的螺旋谐振器尺寸作为最终尺寸。
所述步骤四的根据d0计算螺旋谐振器最小尺寸，具体过程如下：
⑴根据公式τ＝2d0求出螺线管线圈间距τ，(在给定谐振频率条件下，线圈导线的直径直接决定螺旋谐振器的大小以及品质因数)
补充说明：
螺线管线圈间距τ为6mm～10mm之间且线圈绕制过程中线圈的间距τ要保证恒定不变；
⑵根据公式
Figure BDA0002223982450000072
求出屏蔽外壳直径D；
⑶根据公式
Figure BDA0002223982450000073
求出品质因数Q0；
⑷根据公式：d＝0.55D求出螺旋线圈外直径d；
补充说明：
在选定螺线管线圈导线直径后，螺线管线圈外直径d要求在194mm～251mm，螺线管线圈的直径与屏蔽外壳底部正方形尺寸正相关，及螺线管线圈直径越大则屏蔽外壳底部正方形尺寸也就会越大，Q值也就会越高。同时，为保证螺旋谐振器高频频率的稳定，需要保证螺线管线圈间距τ(6mm～10mm)固定不变。
⑸根据公式：
Figure BDA0002223982450000081
求出线圈匝数N，从而线圈螺纹长度：b＝N·τ；
补充说明：
螺线管线圈绕制匝数N为30～38，螺线管线圈的匝数直接影响束流切割器的高频频率，同样匝数的大小也会决定螺旋谐振器屏蔽外壳的长度。
⑹然后将圆形屏蔽外壳等效转换为底面为正方形的长方体屏蔽外壳；
⑺根据公式Lc＝1.52d＝0.836D求出屏蔽外壳底部正方形边长Lc；
补充说明：
确定屏蔽外壳的材料及尺寸，外壳底部正方形边长L控制在296mm～382mm，外壳螺旋方向长度B控制在469m～605mm。
⑻根据公式
Figure BDA0002223982450000082
求出屏蔽外壳螺旋方向长度B；
所述步骤五的根据螺旋谐振器最小尺寸计算对应的功率P，具体过程如下：
⑴计算电感L
L＝L0·N2·Dd×10-3；其中L为电感值(μH)、N为线圈匝数、Dd为螺旋线圈直径(cm)、L0为线圈修正系数；
⑵求出等效并联谐振阻抗R
根据R＝ωLQ0＝2πf0LQ0求出R；
⑶求出功率P
所述d0尺寸要求尽可能小，使得螺旋线圈直径和屏蔽外壳尺寸达到最小，但如果屏蔽外壳尺寸太小，则系统Q值会降低，功耗会升高，因此，d0的取值要兼顾屏蔽外壳尺寸尽量小和功率在可承受范围这两个范围，d0取值优选3mm～5mm；与d0该取值范围相对应螺旋谐振器其他参数优选如下：
所述的谐振频率f0为1～3MHz。
所述的趋肤深度要求最小壁厚为0.382mm，材料选用紫铜管或镀银铜管，表面光滑无毛刺。
所述的屏蔽外壳材料选要求选取取铝制外壳，内部做导电处理，外壳厚度不小于2mm。
所述步骤一的给定一个固定的谐振频率f0，即为：在各个尺寸被反复调整的过程中，始终保持谐振频率f0固定不变，也就是说尺寸等参数变化了，会引起等效电容或电感的变化，频率也将发生变化，但是调节不同参数的匹配关系就可以保证最终频率为定值；所述不同参数的匹配关系即是线圈匝数N和电感L的匹配关系，通过减少线圈的匝数N保持电感L不变，从而保持谐振频率f0不变。
实施例一
如图1所示，是本发明提供的一种MHz量级束流切割器高频匹配方法的示意图，系统主要由1、2、3、4、5等部件组成。
功率馈入端口1用于将功率源提供的高频信号通过耦合环馈入螺旋谐振器，功率馈入端口置于屏蔽外壳正方形4底边一侧；耦合环2为置于屏蔽外壳内，一端接功率馈入端口以馈入功率，另一端接屏蔽外壳正方形底边一侧；螺线管线圈3起始端圆心距耦合线圈圆心45～55mm且起始端接屏蔽外壳。螺线管线圈高压侧通过同轴馈管连接切割极板5，为极板提供峰峰值为12KV频率为1～3MHz的高频电压。系统主要通过螺旋谐振器和切割极板的高频频率匹配，为粒子偏转提供高频高压。减小了束流切割器的整体尺寸，同时保证了系统功率的损耗。
实施例二
本螺旋谐振器设计方案，首先选取螺线管导线直径分别为3～12mm的铜线(或铜管，但壁厚要大于趋肤深度)，然后根据固定频率下的尺寸计算公式计算出螺旋谐振器外壳和螺线管的尺寸，并计算品质因数Q值、等效并联谐振阻抗、电感值等，最终计算螺旋谐振器的理论功耗和可能实测功耗，根据经验，实际可能测量的功率损耗一般为理论值的2倍左右，由于理论功耗只是一个估算，当理论估算与实际测得的功耗有差别时，不需要调整功耗，以实际测得的为准。
本发明的一种MHz量级束流切割器高频匹配方法并不限于上述具体实施方式，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 (8)

1.一种MHz量级束流切割器高频匹配方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、给定一个固定的谐振频率f0；
步骤二、根据给定的谐振频率f0确定趋肌肤深度；
步骤三、根据趋肌肤深度确定导线直径最小值d0；所述d0的取值要兼顾屏蔽外壳尺寸尽量小和功率在可承受范围这两个范围；
步骤四、根据d0计算螺旋谐振器最小尺寸；
步骤五、根据螺旋谐振器最小尺寸计算对应的功率P；
步骤六、判断功率P是否在可承受范围；
步骤七、如果功率不在可承受范围，调整d0，并返回步骤四；如果功率在可承受范围，以当前d0对应的螺旋谐振器尺寸作为最终尺寸。
2.根据权利要求1所述一种MHz量级束流切割器高频匹配方法，其特征在于：所述步骤四的根据d0计算螺旋谐振器最小尺寸，具体过程如下：
⑴根据公式τ＝2d0求出螺线管线圈间距τ；
⑵根据公式
Figure FDA0002223982440000011
求出屏蔽外壳直径D；
⑶根据公式
Figure FDA0002223982440000012
求出品质因数Q0；
⑷根据公式：d＝0.55D求出螺旋线圈外直径d；
⑸根据公式：
Figure FDA0002223982440000013
求出线圈匝数N，从而线圈螺纹长度：b＝N·τ；
⑹然后将圆形屏蔽外壳等效转换为底面为正方形的长方体屏蔽外壳；
⑺根据公式Lc＝1.52d＝0.836D求出屏蔽外壳底部正方形边长Lc；
⑻根据公式
Figure FDA0002223982440000014
求出屏蔽外壳螺旋方向长度B；
3.根据权利要求1所述一种MHz量级束流切割器高频匹配方法，其特征在于：所述步骤五的根据螺旋谐振器最小尺寸计算对应的功率P，具体过程如下：
⑴计算电感L
L＝L0·N2·Dd×10-3；其中L为电感值(μH)、N为线圈匝数、Dd为螺旋线圈直径(cm)、L0为线圈修正系数；
⑵求出等效并联谐振阻抗R
根据R＝ωLQ0＝2πf0LQ0求出R；
⑶求出功率P
根据已经求出的R，以及公式求出功率P，其中电压U2不变且已知。
4.根据权利要求1所述一种MHz量级束流切割器高频匹配方法，其特征在于：所述d0取值优选3mm～5mm；与所述d0取值范围相对应螺旋谐振器其他参数优选如下：
螺线管线圈外直径d要求在194mm～251mm；
螺线管线圈间距τ为6mm～10mm之间且线圈绕制过程中线圈的间距τ要保证恒定不变；
螺线管线圈绕制匝数N为30～38；
外壳底部正方形边长L控制在296mm～382mm，外壳螺旋方向长度B控制在469m～605mm。
5.根据权利要求1所述一种MHz量级束流切割器高频匹配方法，其特征在于：所述的谐振频率f0为1～3MHz。
6.根据权利要求1所述一种MHz量级束流切割器高频匹配方法，其特征在于：所述的趋肤深度要求最小壁厚为0.382mm，材料选用紫铜管或镀银铜管，表面光滑无毛刺。
7.根据权利要求2所述一种MHz量级束流切割器高频匹配方法，其特征在于：所述的屏蔽外壳材料选要求选取取铝制外壳，内部做导电处理，外壳厚度不小于2mm。
8.根据权利要求1所述一种MHz量级束流切割器高频匹配方法，其特征在于：所述步骤一的给定一个固定的谐振频率f0，即为：在各个尺寸被反复调整的过程中，始终保持谐振频率f0固定不变，也就是说尺寸等参数变化了，会引起等效电容或电感的变化，频率也将发生变化，但是调节不同参数的匹配关系就可以保证最终频率为定值；所述不同参数的匹配关系即是线圈匝数N和电感L的匹配关系，通过减少线圈的匝数N保持电感L不变，从而保持谐振频率f0不变。
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