CN110856334A - 一种基于正弦波波形的直流束流切割装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于正弦波波形的直流束流切割装置，该切割装置包括螺旋谐振器、束流切割极板装置；所述的螺旋谐振器用于为束流切割极板装置提供高频电压、所述束流切割极板装置用于提供束流通过和束流偏转的交变电场；所述的螺旋谐振器包括用于精确固定螺旋谐振器固有频率的电容微调极板、用于调整耦合线圈谐振频率的耦合线圈调节支架、用于保持线圈圈间距恒定不变以及保证每匝线圈线直径不变的螺线管线圈支撑骨架。发明解决了本领域长期以来未能实现谐振器高精度固有频率的技术难题：将电容微调极板、耦合线圈调节支架、螺线管线圈支撑骨架三者有机结合，相互支持、相互依存，从而解决了仅从一个方面解决问题不能实现高精度固有频率的难题。
Description
技术领域
本发明属于加速器领域，具体涉及一种基于正弦波波形的直流束流切割装置。
背景技术
在加速器技术领域，束流的时间结构一般是由不同的加速器类型决定的。比如，连续的直流束经过高压型加速器加速后得到的还是连续直流束，而连续的直流束经过回旋型加速器加速后得到的将会是频率非常高的准连续束。而在核数据测量、中子物理试验和材料特性研究等某些特定的实验中需要有特定的时间结构和重复频率的脉冲束流。要获得特定重复频率和特定脉冲宽度的束流，就需要将注入的直流束流进行脉冲化，然后再通过加速器加速。在直流束流脉冲化系统中，利用切割器可以将连续的直流束形成具有特定时间结构和宽度的脉冲束。
现有技术已经存在利用基于正弦波的谐振器加切割极板的束流脉冲化装置，如图1a所示。高频电压从右侧馈入端口导入、再经过螺线管线圈放大到极板，直流束流沿着与极板平行的方向进入选束装置(选束装置图1a中未画出)
现有技术存在的问题是：图1a左上方的螺旋谐振器不能保证高精度的固有频率。原因是三个方面：第一、从图1左上方的螺旋谐振器可以看出，该螺旋谐振器结构只有螺线管线圈及等效电容。根据公式：
L＝L0·N2·Dd×10-3(N为线圈匝数、Dd导线直径Dd有关，还和电容C有关，调节线圈匝数N只能以匝数为单位在大范围保证固有频率不变、但是对于小于一个匝数的精度则无法调整。第二、电容C的调整并不是孤立完成的而是要配合馈入端口的功率耦合，也就是要尽量保证馈入端口100％的功率耦合到谐振器线圈，才能够实现固有频率的设计目标，而功率耦合通过调整耦合线圈的高频谐振实现：由于正弦波波形不是直流而是通过谐振的方法振起来才能将馈入端口导入的电压在螺线管进行放大，如果谐振不够而只是精调电容，则无济于事，因为电容只能用于微调而不能代替耦合线圈的谐振调整，因此，精调电容C之前还要保证馈入端口耦合线圈的谐振频率足够高，而图1a的馈入端口并没有布设能够调整谐振频率的装置。第三、根据公式：
L＝L0·N2·Dd×10-3(N为线圈匝数、Dd导线直径Dd)，固有频率f不仅和线圈匝数N、和电容C有关，还与螺距以及导线直径Dd有关，由于螺旋线圈的直径和间距需要保持严格的恒定，对线圈的绕制和固定提出很高的要求，而一旦线圈的直径和圈间距发生变化，将会直接影响螺旋谐振器的固有频率：具体为，如果有的间距大、有的间距小，间距大的线圈和间距小的线圈的直径将会发生变化，根据公式L＝L0·N2·Dd×10-3，直径Dd变化则L变化，根据公式如果L变化最终使得固有频率f发生变化。图1a只是布设了螺旋谐振器而并没有布设能够保证螺线管间距不变的装置。
综上，现有技术存在的问题是：只能在大范围保证固有频率不变、但是对于小于一个匝数的精度则无法调整；当馈入端口谐振频率不足时，不能采取相应措施调整谐振频率；当线圈直径和间距不能恒定时，不能采取措施保证线圈直径和间距恒定不变。以上三点造成现有技术不能保证螺旋谐振器高精度的固有频率。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种基于正弦波波形的直流束流切割装置，目的在于解决现有技术下螺旋谐振器不能保证固有频率的高精度问题以及螺旋谐振器的线圈绕制和固定的过程中保证直径和圈间距恒定问题。
本发明为解决其技术问题采用以下技术方案：
一种基于正弦波波形的直流束流切割装置，该切割装置包括螺旋谐振器、束流切割极板装置；所述的螺旋谐振器用于为束流切割极板装置提供高频电压、所述束流切割极板装置用于提供束流通过和束流偏转的交变电场；其特征在于：所述的螺旋谐振器包括用于精确固定螺旋谐振器固有频率的电容微调极板、用于调整耦合线圈谐振频率的耦合线圈调节支架、用于保持线圈圈间距恒定不变以及保证每匝线圈线直径不变的螺线管线圈支撑骨架。
所述螺旋谐振器包括功率馈入端口、耦合线圈、螺线管线圈、屏蔽外壳，还包括螺线管线电容微调极板、耦合线圈支架、螺线管线圈支撑骨架、水冷回路；所述功率馈入端口为谐振器提供高频电压输入，所述耦合线圈接收高频电压并将高频电压耦合到螺线管线圈；所述螺线管线圈与等效电容组成谐振放大回路用于放大高频电压幅值；所述电容微调极板通过调整极板与线圈之间距离对谐振器固有频率精确固定；所述螺线管线圈支撑骨架通过对螺线管线圈进行有效支撑保持圈间距恒定不变以及保证每匝线圈直径不变；所述耦合线圈调节支架通过调节支架伸缩长度满足高频谐振的要求；所述水冷回路内套于螺线管线圈的空心管内对线圈进行水冷降温、用于大功率应用场合。
所述耦合线圈和螺线管线圈外径相等且圆心在一条直线上，耦合线圈距螺线管线圈距离要求在45～55mm之间；耦合线圈在非接口端加装聚四氟乙烯材料的支架，该支架具有前后伸缩功能，通过调节支架的伸缩长度用来实现线圈在1cm左右的范围内进行移动，从而实现耦合度的调节以便实现输入功率的全部馈入。
所述的螺线管线圈在绕制的过程中要保证线圈的直径和圈间距保持恒定，因此在绕制过程中需要考虑线圈的回弹，这就需要初始绕制时线圈的直径略小于目标直径，及选择的模具直径略小于线圈目标直径；另外，为固定线圈及保持圈间距恒定，线圈采用特氟龙支撑骨架进行固定。
所述螺旋谐振器还包括电容微调极板装置，该电容微调极板装置用于弥补电感调节螺旋谐振器固有频率的不足，对螺旋谐振器频率进行微调；通过调节微调电容极板和螺线管线圈之间的距离保证螺旋谐振器最终工作在目标频率；该电容微调极板装置与屏蔽外壳侧壁相连接。
该电容微调极板装置包括电容微调极板、调节杆、刻度尺、正负限位开关、调节钮、调节螺丝，它们分为两部分布设在螺旋谐振器的内部和外部；其中，该电容微调极板布设在螺旋谐振器内部且与螺旋谐振器侧壁相平行、且通过调节杆与螺旋谐振器外部的调节架、刻度尺、正负限位开关、调节钮、调节螺丝相连接；所述调节杆沿着垂直于螺旋谐振器侧壁的方向贯穿螺旋谐振器侧壁的内外，其伸出屏蔽外壳的部分在调节架内，左右两侧分别设有刻度尺和调节螺丝、调节架上还设有间隔一定距离的正负限位开关，调节架内的调节杆上设有带动调节杆上下移动的调节钮，调节杆与刻度尺相对的一侧还设有调节螺丝、该调节螺丝用于固定调节杆当前行程位置从而固定电容微调极板当前行程位置；所述微调极板不能太靠近更不能接触到螺线管线圈，设置最大行程为
(L为屏蔽外壳底边正方形的边长，d为螺线管线圈的外径)，最小行程为0；所述频率微调电容极板要求做倒圆角及抛光处理，以减小打火的可能性，微调板放置在负载端，平板面积为100mm×50mm，厚度4mm。
所述的束流切割极板分为上极板和下极板，上下极板间的间距在30～50mm范围内可调，上极板通过真空电极Feedthrough经同轴馈管和螺线管线圈相连，下极板连切割器外壳接地。所述的束流切割极板上通过螺旋谐振器加载的高频电压峰峰值可达12KV，高频电压的频率为1～3MHz。
所述耦合环调节支架包括调节旋钮、螺纹伸缩杆、固定螺丝；螺纹伸缩杆一端与耦合环固接，另一端与调节旋钮固接，通过调节旋钮正反转控制螺纹伸缩杆移动、螺纹伸缩杆带动耦合环前后移动，从而通过耦合环调节支架实现对耦合环前后位置的调整。
本发明的优点效果
1、本发明采用特氟龙对螺线管线圈进行固定，不仅实现螺线管线圈结构上的稳定还保证了线圈圈间距的恒定。
2、本发明采用电容微调极板微调螺旋谐振器电容，保证螺旋谐振器固有频率的高精度固定不变，解决了现有技术单纯依赖线圈匝数调节固有频率，使得固有频率只能在粗范围内得到固定、精度不高的难题。
3、本发明解决了本领域长期以来未能实现谐振器高精度固有频率的技术难题：将电容微调极板、耦合线圈调节支架、螺线管线圈支撑骨架三者有机结合，相互支持、相互依存，从而解决了仅从一个方面解决问题不能实现高精度固有频率的难题，具体为：通过耦合线圈调节支架调整谐振频率，达到了正弦波高频谐振的需求，从而为电容C精调频率打下基础；通过螺线管线圈支撑骨架保证了线圈螺距和直径的恒定，从而使得电感L参数满足了高精度固有频率需求；通过电容微调极板调整极板到线圈外壁的距离，解决了单纯调整线圈匝数只能在大范围保证固有频率不变、但是对于小于一个匝数的精度则无法调整的问题。通过以上三个问题的协同解决，最终实现了基于正弦波波形的直流束流切割装置的高精度固有频率。
附图说明
图1a为现有技术束流切割装置示意图；
图1b为本发明束流切割装置示意图；
图2为图1b的A放大图；
图3为螺线管线圈铜管和水冷管路的外管套内管结构的横截面图；
图4为螺线管线圈支撑骨架的横截面图；
图5为耦合线圈调节支架；
图1中，1：馈入端口；2：耦合环；3：螺线管线圈；3-1：螺线管线圈的铜管；3-2水冷管路进水管；3-3水冷管路出水管；4：屏蔽外壳；5：同轴馈管；6：真空电极；7、8：切割极板；9：切割极板外壳；10：电容微调板；11、螺线管支撑骨架；12：耦合线圈调节支架；
10：电容微调板；10-1：调节杆；10-2：正限位开关；10-3：负限位开关；10-4：调节钮；10-5：调节螺丝；10-6:刻度尺；11：螺线管线圈支撑骨架；12：耦合线圈调节支架。
11-1：螺线管支撑骨架上半部分；11-2：螺线管线圈支撑骨架下半部分；11-3：螺线管线圈的铜管横截面。
12-1：调节旋钮:；12-2：带螺纹伸缩杆；12-3：固定螺丝。
具体实施方式
本发明设计原理
实现高精度固有频率需要同时解决三个难点。第一个难点：馈入端口的耦合环与螺线管线圈由于不是直接接触而是空气接触，很难保证将功率100％地馈入到螺线管线圈，当功率不能全部馈入时，即使后面采用电容极板精调频率以及通过固定装置保证线圈间距和直径恒定不变也无济于事，因为功率从馈入端口就没有达到设计标准，没有前面的基础，后面的一切操作都是徒劳的；第二个难点，即使馈入端口100％地将功率馈入给线圈，由于固有频率和电感L匝数N有关、匝数N是一个整数，而不是小数，当出现小于1个匝数变化影响固有频率时，则无法通过调整匝数来保证固有频率的精度；第三个难点：即使馈入端口100％将功率馈入、同时也通过电容极板精调了固有频率，但由于螺旋线圈的间距不均匀致使线圈变形、线圈变形使得每个小圆环线圈的线直径Dd发生变化，直径Dd发生变化则电感L发生变化，根据公式，电感变化了固有频率就会变化。因此，若要保证高精度固有频率必须三个问题同时解决。
基于以上发明原理，本发明设计了一种基于正弦波波形的直流束流切割装置
一种基于正弦波波形的直流束流切割装置如图1b所示，该切割装置包括螺旋谐振器、束流切割极板装置；所述的螺旋谐振器用于为束流切割极板装置提供高频电压、所述束流切割极板装置用于提供束流通过和束流偏转的交变电场；其特征在于：所述的螺旋谐振器包括用于精确固定螺旋谐振器固有频率的电容微调极板10、用于调整耦合线圈谐振频率的耦合线圈调节支架12、用于保持线圈圈间距恒定不变以及保证每匝线圈直径不变的螺线管线圈支撑骨架11。
如图1b所示，所述螺旋谐振器包括功率馈入端口1、耦合线圈2、螺线管线圈3、屏蔽外壳4，还包括螺线管线电容微调极板10、耦合线圈支架12、螺线管线圈支撑骨架11、水冷回路(图3的3-2、3-3)；所述功率馈入端口1为谐振器提供高频电压输入，所述耦合线圈2接收高频电压并将高频电压耦合到螺线管线圈3；所述螺线管线圈3与等效电容组成谐振放大回路用于放大高频电压幅值；所述电容微调极板10通过调整极板与线圈外壁3之间距离对谐振器固有频率精确固定；所述螺线管线圈支撑骨架11通过对螺线管线圈3进行有效支撑保持圈间距恒定不变以及保证每匝线圈直径不变；所述耦合线圈调节支架12通过调节支架伸缩长度满足高频谐振的要求；所述水冷回路(图3的3-2、3-3)内套于螺线管线圈的空心管内对线圈进行水冷降温、用于大功率应用场合。
如图1b所示，所述耦合线圈2和螺线管线圈3外径相等且圆心在一条直线上，耦合线圈2距螺线管线圈3距离要求在45～55mm之间；耦合线圈2在非接口端加装聚四氟乙烯材料的支架12，该支架具有前后伸缩功能，通过调节支架的伸缩长度用来实现线圈在1cm左右的范围内进行移动，从而实现耦合度的调节以便实现输入功率的全部馈入。
所述的螺线管线圈3在绕制的过程中要保证线圈的直径和圈间距保持恒定，因此在绕制过程中需要考虑线圈的回弹，这就需要初始绕制时线圈的直径略小于目标直径，及选择的模具直径略小于线圈目标直径；另外，为固定线圈及保持圈间距恒定，线圈采用特氟龙支撑骨架进行固定。
所述螺旋谐振器还包括电容微调极板10装置，该电容微调极板10装置用于弥补电感调节螺旋谐振器固有频率的不足，对螺旋谐振器频率进行微调；通过调节微调电容极板和螺线管线圈之间的距离保证螺旋谐振器最终工作在目标频率；该电容微调极板10装置与屏蔽外壳侧壁3相连接。
如图2所示，该电容微调极板装置包括电容微调极板10、调节杆10-1、刻度尺10-6、正负限位开关(10-2、10-3)、调节钮10-4、调节螺丝10-5，它们分为两部分布设在螺旋谐振器的内部和外部；其中，该电容微调极板布设在螺旋谐振器内部且与螺旋谐振器侧壁3相平行、且通过调节杆10-1与螺旋谐振器外部的调节架、刻度尺10-6、正负限位开关(10-2、10-3)、调节钮10-4、调节螺丝10-5相连接；所述调节杆10-1沿着垂直于螺旋谐振器侧壁的方向贯穿螺旋谐振器侧壁的内外，其伸出屏蔽外壳的部分在调节架内，左右两侧分别设有刻度尺10-6和调节螺丝10-5、调节架上还设有间隔一定距离的正负限位开关(10-2、10-3)，调节架内的调节杆10-1上设有带动调节杆上下移动的调节钮10-4，调节杆10-1与刻度尺10-6相对的一侧还设有调节螺丝10-5、该调节螺丝10-5用于固定调节杆当前行程位置从而固定电容微调极板当前行程位置；所述微调极板不能太靠近更不能接触到螺线管线圈，设置最大行程为
(L为屏蔽外壳底边正方形的边长，d为螺线管线圈的外径)，最小行程为0；所述频率微调电容极板要求做倒圆角及抛光处理，以减小打火的可能性，微调板放置在负载端，平板面积为100mm×50mm，厚度4mm。
所述的束流切割极板分为上极板7和下极板8，上下极板间的间距在30～50mm范围内可调，上极板通过真空电极Feedthrough经同轴馈管和螺线管线圈3相连，下极板连切割器外壳9接地。所述的束流切割极板上通过螺旋谐振器加载的高频电压峰峰值可达12KV，高频电压的频率为1～3MHz。
所述耦合环调节支架12包括调节旋钮12-1、螺纹伸缩杆12-2、固定螺丝12-3；螺纹伸缩杆12-2一端与耦合环2固接，另一端与调节旋钮12-1固接，通过调节旋钮12-1正反转控制螺纹伸缩杆12-3移动、螺纹伸缩杆12-3带动耦合环2前后移动，从而通过耦合环调节支架12实现对耦合环2前后位置的调整。
实施例一
1、调整耦合环前后位置的具体方法。通过手动旋转调节旋钮的正反转实现螺纹伸缩杆带动耦合线圈进行前后移动，同时，使用网络分析仪测试传输功率，当传输功率大于88.9％时认为功率绝大部分已经馈入，且在可接受的范围内，并以此时耦合线圈位置为最终固定位置。
2、调节电容极板的方法。通过手动控制调节钮对电容极板进行前后位置的设定，移动过程中使用网络分析仪测量频率，首先测量最大行程和最小行程处螺旋谐振器的频率参数，从而确定电容微调极板对螺旋谐振器频率的调节范围，根据刻度尺上的刻度相应前后变化电容极板的位置从而使螺旋谐振器的最终频率为设定值。
3、螺线管线圈支撑骨架采用上下两部分拼接而成，根据螺线管线圈的螺距间隔中心平面开有等间距的圆形凹槽，圆形凹槽的直径等于螺线管线圈铜管的直径，支持骨架上下部分拼接后对螺线管线圈进行固定，螺线管线圈支撑骨架下部分与螺旋谐振器屏蔽外壳相连，并进行固定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于正弦波波形的直流束流切割装置，该切割装置包括螺旋谐振器、束流切割极板装置；所述的螺旋谐振器用于为束流切割极板装置提供高频电压、所述束流切割极板装置用于提供束流通过和束流偏转的交变电场；其特征在于：所述的螺旋谐振器包括用于精确固定螺旋谐振器固有频率的电容微调极板、用于调整耦合线圈谐振频率的耦合线圈调节支架、用于保持线圈圈间距恒定不变以及保证每匝线圈线直径不变的螺线管线圈支撑骨架。
2.根据权利要求1所述一种基于正弦波波形的直流束流切割装置，其特征在于：所述螺旋谐振器包括功率馈入端口、耦合环、螺线管线圈、屏蔽外壳，还包括螺线管线电容微调极板、耦合环支架、螺线管线圈支撑骨架、水冷回路；所述功率馈入端口为谐振器提供高频电压输入，所述耦合环接收高频电压并将高频电压耦合到螺线管线圈；所述螺线管线圈的等效谐振放大回路用于放大高频电压幅值；所述电容微调极板通过调整极板与线圈外壁之间距离对谐振器固有频率精确固定；所述螺线管线圈支撑骨架通过对螺线管线圈进行有效支撑保持圈间距恒定不变以及保证每匝线圈直径不变；所述耦合环调节支架通过调节支架伸缩长度满足高频谐振的要求；所述水冷回路内套于螺线管线圈的空心管内对线圈进行水冷降温、用于大功率应用场合。
3.根据权利要求1所述一种基于正弦波波形的直流束流切割装置，其特征在于：所述耦合环和螺线管线圈外径相等且圆心在一条直线上，耦合环距螺线管线圈距离要求在45～55mm之间；耦合环在非接口端加装聚四氟乙烯材料的支架，该支架具有前后伸缩功能，通过调节支架的伸缩长度用来实现线圈在1cm左右的范围内进行移动，从而实现耦合度的调节以便实现输入功率的全部馈入。
4.根据权利要求1所述一种基于正弦波波形的直流束流切割装置，其特征在于：所述的螺线管线圈在绕制的过程中要保证线圈的直径和圈间距保持恒定，因此在绕制过程中需要考虑线圈的回弹，这就需要初始绕制时线圈的直径略小于目标直径，及选择的模具直径略小于线圈目标直径；另外，为固定线圈及保持圈间距恒定，线圈采用特氟龙支撑骨架进行固定。
5.根据权利要求1所述一种基于正弦波波形的直流束流切割装置，其特征在于：所述螺旋谐振器还包括电容微调极板装置，该电容微调极板装置用于弥补电感调节螺旋谐振器固有频率的不足，对螺旋谐振器频率进行微调；通过调节微调电容极板和螺线管线圈之间的距离保证螺旋谐振器最终工作在目标频率；该电容微调极板装置与屏蔽外壳侧壁相连接。
6.根据权利要求1所述一种基于正弦波波形的直流束流切割装置，其特征在于：该电容微调极板装置包括电容微调极板、调节杆、刻度尺、正负限位开关、调节钮、调节螺丝，它们分为两部分布设在螺旋谐振器的内部和外部；其中，该电容微调极板布设在螺旋谐振器内部且与螺旋谐振器侧壁相平行、且通过调节杆与螺旋谐振器外部的调节架、刻度尺、正负限位开关、调节钮、调节螺丝相连接；所述调节杆沿着垂直于螺旋谐振器侧壁的方向贯穿螺旋谐振器侧壁的内外，其伸出屏蔽外壳的部分在调节架内，左右两侧分别设有刻度尺和调节螺丝、调节架上还设有间隔一定距离的正负限位开关，调节架内的调节杆上设有带动调节杆上下移动的调节钮，调节杆与刻度尺相对的一侧还设有调节螺丝、该调节螺丝用于固定调节杆当前行程位置从而固定电容微调极板当前行程位置；所述微调极板不能太靠近更不能接触到螺线管线圈，设置最大行程为
(L为屏蔽外壳底边正方形的边长，d为螺线管线圈的外径)，最小行程为0；所述频率微调电容极板要求做倒圆角及抛光处理，以减小打火的可能性，微调板放置在负载端，平板面积为100mm×50mm，厚度4mm。
7.根据权利要求1所述一种基于正弦波波形的直流束流切割装置，其特征在于：所述的束流切割极板分为上极板和下极板，上下极板间的间距在30～50mm范围内可调，上极板通过真空电极Feedthrough经同轴馈管和螺线管线圈相连，下极板连切割器外壳接地。所述的束流切割极板上通过螺旋谐振器加载的高频电压峰峰值可达12KV，高频电压的频率为1～3MHz。
8.根据权利要求1所述一种基于正弦波波形的直流束流切割装置，其特征在于：所述耦合环调节支架包括调节旋钮、螺纹伸缩杆、固定螺丝；螺纹伸缩杆一端与耦合环固接，另一端与调节旋钮固接，通过调节旋钮正反转控制螺纹伸缩杆移动、螺纹伸缩杆带动耦合环前后移动，从而通过耦合环调节支架实现对耦合环前后位置的调整。
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- 2019-11-28 CN CN201911190660.XA patent/CN110856334B/zh active Active
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