CN110868789A - 一种高能等时性ffag加速器径向靶结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高能等时性FFAG加速器径向靶结构，该径向靶结构包括靶杆、靶头、以及径向靶驱动装置，该靶杆为布设在真空室内部的真空室横梁支撑管道，该真空室横梁支撑管道沿加速器径向分别焊接在对应的真空室侧壁上；该靶头通过径向靶驱动装置的环形磁芯可移动地套接在真空室横梁支撑管道外表面；所述径向靶驱动装置驱动靶头沿着真空室支撑横梁管道作直线往复运动；所述径向靶驱动装置采用磁耦合原理，通过设置在其圆磁芯和环形磁芯之间的真空室横梁支撑管道、以及圆磁芯和环形磁芯之间的间接驱动，进而实现真空室运动部件与外界大气隔绝，提高了加速器内部真空度，且有效节省加速器以外的测量空间。

Description

一种高能等时性FFAG加速器径向靶结构
技术领域
本发明属于加速器束流诊断技术领域，具体涉及一种高能等时性FFAG加速器径向靶结构。
背景技术
高能等时性超导圆型加速器是中国原子能科学研究院创新研制的最新一代圆型加速器装置，如图6b所示，该圆型加速器装置采用多个交变梯度强磁场磁铁组成一个圆型加速器；该圆型加速器每块磁铁中间通过加速器真空室连接；加速器真空室内外径之差为3m。束流束流入口进入到加速器内半径区域(靠近中心点的区域)以后，从加速器内半径区域开始从内到外运动，随着束流能量不断增大，束流逐渐从内圈运动到外圈，直至运动到加速器最外圈、并且从加速器最外圈的束流出口被引出。为了保证束流运动过程中的束流对中效果，一般采用径向靶、通过径向靶测量束流流强进而测量束流的对中效果。径向靶测量流强的运动轨迹是在加速器真空室内、从加速器真空室最外层向最内层伸延，或者从加速器真空室的大半径向小半径伸延，在径向靶向内延伸的过程中，束流不断打在径向靶靶头上，从而使得径向靶能够测量束流的流强。也可由内向外延伸。
如图6a所示为现有技术径向靶在加速器外部的结构图，该径向靶结构采用波纹管和密封圈进行真空和大气的密封，该结构分为左右两部分，左半部分是靶头和把杆，靶头和把杆是将要伸进加速器的部分；右半部分是支撑架、波纹管、电机，右半部分不需要伸进加速器而始终固定在加速器外面。所述密封圈设在右半部分的波纹管和磁轭之间。图6a的状态是整个靶为还没有伸进加速器的情况；如图6b为径向靶伸进加速器的情况，此时右半部分的步进电机压缩波纹管推动径向靶，由于径向靶伸出去了就会悬空，需要加速器内部设有支撑点。图6a、图6b这种基于波纹管和密封圈的径向靶应用效果不能满足加速器高真空度的要求：一方面密封圈时间长久会老化影响密封效果，另一方面，由于高能加速器其能量很高，其中子和γ射线的穿透力很强、将会辐射到在它周围的物质，包括辐射到磁轭和波纹管之间用密封圈，由于橡胶制作的密封圈容易被损坏，密封圈被损坏将影响加速器的高真空度，而如果不能保持加速器的高真空度，束流的运动将产生影响。以上传统径向靶结构不但使得径向靶密封圈很容易被损坏、同时传统径向靶结构在初始状态下需要占用加速器以外的空间很大，长达3米，因此，保持高真空度的真空室、以及实现径向靶结构占地空间最小化一直以来是本领域的技术难题。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种高能等时性FFAG加速器径向靶结构，目的在于解决传统径向靶密封圈容易被损坏、因而不能保证加速器真空室高真空度的问题。
本发明为解决其技术问题提出以下技术方案：
一种高能等时性FFAG加速器径向靶结构，该径向靶结构包括靶杆、靶头、以及径向靶驱动装置，其特征在于：所述靶杆为布设在真空室内部的真空室横梁支撑管道，该真空室横梁支撑管道沿加速器径向分别焊接在对应的真空室侧壁上；所述靶头通过径向靶驱动装置的环形磁芯可移动地套接在真空室横梁支撑管道外表面；所述径向靶驱动装置驱动靶头沿着真空室支撑横梁管道作直线往复运动；所述径向靶驱动装置采用磁耦合原理，通过设置在其圆磁芯和环形磁芯之间的真空室横梁支撑管道、以及圆磁芯和环形磁芯之间的间接驱动，进而实现真空室运动部件与外界大气隔绝，提高了加速器内部真空度。
所述径向靶驱动装置包括电机、运动支撑导轨、圆磁芯、环形磁芯；环形磁芯上装有靶头；所述运动支撑导轨从一端到另一端横向穿过真空室横梁支撑管道内壁，且一端连接电机，在运动支撑导轨路径上还设有一段周向环绕导轨的圆磁芯、该圆磁芯外表面环绕一个环形磁芯；所述电机利用运动支撑导轨推动该导轨上的圆磁芯沿着导轨作直线往复运动，同时，圆磁芯通过磁力带动环形磁芯和环形磁芯上的靶头同步作直线往复运动；所述的运动支撑导轨为丝杠组件。
所述径向靶驱动装置的横截面从里到外依次为：丝杠组件、丝杠组件外层的圆磁芯、圆磁芯和环形磁芯之间为真空室横梁支撑管道；所述圆磁芯和环形磁芯之间的真空室横梁支撑管道为非导磁的金属材质制作，所述采用非金属材质制作用以保证不会把磁场吸收、并保证磁力线能够穿透；所述圆磁芯和真空室横梁支撑管道之间、真空室横梁支撑管道和环形磁芯之间的缝隙宽度以不产生摩擦阻力和不影响磁力驱动为标准。
所述靶头包括靶头支撑装置、阶梯薄片靶头、丝状靶头；所述阶梯薄片靶头和丝状靶头用于靶头在运动过程中测量束流轴向和径向分布情况；靶头还可任意更换其它结构靶头，可满足不同设计需要。
所述真空室运动部件与外界大气隔绝是：将包括环形磁芯的真空室横梁支撑管道以外的真空环境、与包括圆形磁芯的真空室横梁支撑管道以内的大气环境进行隔绝。
该阶梯薄片靶头采用不同高度薄片结构，可测量轴向束流分布情况。
本发明的优点效果
1、本发明采用了一种逆向思维的方法，虽然技术方案包括了解决加速器径向靶结构问题，但却不是从径向靶结构入手，而是从现有技术存在的问题入手反推出径向靶的结构，这样设计出来的径向靶结构是基于解决密封问题产生的径向靶结构，能够保证加速器的高真空密封。
2、本发明用真空室横梁支撑管道的密封结构代替了现有技术的波纹管和密封圈的密封结构、用电机+丝杠+圆磁性+环形磁芯的径向靶驱动装置代替了现有技术的电机+波纹管+靶杆的径向靶驱动装置、将加速器以外的几米长径向靶驱动机构完全放到加速器真空室横梁支撑管道内，不仅有效节省了加速器以外的测量空间，而且取得了加速器真空室高真空度的预料不到的效果。
3、本发明通过改变元素之间的位置关系取得了预料不到的效果：由径向靶杆推动靶头改变为靶头在靶杆上移动；由波纹管内为真空室、波纹管以外为大气，改变为真空室横梁支撑管道内为大气，真空室横梁支撑管道外为真空；由驱动装置设在加速器以外，改变为驱动装置设在加速器内，通过以上一系列改进，产生了有效节省加速器以外的测量空间、以及确保加速器真空室高真空度的预料不到的效果。
附图说明
图1为高能等时性FFAG加速器径向靶结构与真空室正视图；
图2为高能等时性FFAG加速器径向靶结构与真空室立体图；
图3为高能等时性FFAG加速器径向靶结构的示意图；
图4为靶头的示意图；
图5为径向驱动装置的示意图；
图6a为现有技术径向靶伸出以前的结构图；
图6b为径向靶应用于圆形加速器效果图；
图中，
1：真空室；1-1：真空室横梁支撑管道；
2：靶头；2-1：靶头支撑装置；2-2：阶梯薄片靶头；2-3：丝状靶头
3：径向靶驱动装置；3-1：步进电机；3-2：运动支撑导轨；3-3：圆磁芯；3-4：环形磁芯。
具体实施方式
本发明设计原理
从解决问题的目标入手反向解决问题。正向解决问题就是先解决径向靶结构问题、再解决真空度问题，后者服从于前者。正向解决问题的结果就出现了图6a的本领域技术人员长期以来难以解决的密封圈损坏的疑难问题；反向解决问题就是从目标入手解决问题。解决问题的目标是加速器真空度问题或密封问题，因此先解决加速器真空密封问题、再解决径向靶结构问题、径向靶的结构设计要服从于真空度的设计。本发明反向解决问题的第一步就是先保证真空室的真空度：在真空室内靠近顶部的地方设有支撑横梁管道，支撑横梁管道两端采用焊接方法与真空室侧壁连接，由于横梁管道是采用焊接方法与真空室连接的，不存在任何大气泄漏问题，由此彻底解决了真空泄漏问题；至于支撑管道的尺寸和形状要和加速器以外的现有支撑管道的尺寸相匹配；本发明反向解决问题的第二步就是在保证绝对真空的条件下再解决径向靶的结构问题，由以上第一步可以推断出，径向靶结构设计只能限于被焊接在真空室的横梁管道这个条件去设计，由于横梁管道是已经焊死的固定的，虽然本实施例横梁管道代替波纹管，但却不能用横梁管道推动靶头，驱动靶头的装置只能另想办法。本发明反向解决问题的第三步就是驱动靶头的装置只能设在真空室横梁支撑管道以内而别无它处、靶头只能在真空室横梁支撑管道移动而别无它处。基于以上两点得出：径向靶驱动装置必须设置在真空室横梁支撑管道内、并且该驱动装置必须保证真空室横梁支撑管道内外联动和同步运动。基于以上思想，产生了本发明径向靶驱动结构的设计。
基于以上发明原理，本发明设计了一种高能等时性FFAG加速器径向靶结构。
如图1、图2、图5所示，该径向靶结构包括靶杆、靶头2、以及径向靶驱动装置3，其特征在于：所述靶杆为布设在真空室1内部的真空室横梁支撑管道1-1，该真空室横梁支撑管道1-1沿加速器径向分别焊接在对应的真空室侧壁上；所述靶头2通过径向靶驱动装置3的环形磁芯3-4可移动地套接在真空室横梁支撑管道1-1外表面；所述径向靶驱动装置3驱动靶头2沿着真空室支撑横梁管道1-1-1作直线往复运动；所述径向靶驱动装置3采用磁耦合原理，通过设置在其圆磁芯和环形磁芯之间的真空室横梁支撑管道1-1、以及圆磁芯3-3和环形磁芯3-4之间的间接驱动，进而实现真空室运动部件与外界大气隔绝，提高了加速器内部真空度。
如图3、图5所示，所述径向靶驱动装置3包括电机3-1、运动支撑导轨3-2、圆磁芯3-3、环形磁芯3-4；环形磁芯3-4上装有靶头2；所述运动支撑导轨3-2从一端到另一端横向穿过真空室横梁支撑管道1-1内壁，且一端连接电机3-2，在运动支撑导轨3-2路径上还设有一段周向环绕导轨的圆磁芯3-3、该圆磁芯3-3外表面环绕一个环形磁芯3-4；所述电机3-2利用运动支撑导轨3-2推动该导轨上的圆磁芯3-3沿着导轨作直线往复运动，同时，圆磁芯3-2通过磁力带动环形磁芯3-4和环形磁芯3-4上的靶头同步作直线往复运动；所述的运动支撑导轨为丝杠组件。
所述径向靶驱动装置的横截面从里到外依次为：丝杠组件3-2、丝杠组件外层的圆磁芯3-3、圆磁芯3-3和环形磁芯3-4之间为真空室横梁支撑管道1-1；所述圆磁芯3-3和环形磁芯3-4之间的真空室横梁支撑管道1-1为非导磁的金属材质制作，所述采用非金属材质制作用以保证不会把磁场吸收、并保证磁力线能够穿透；所述圆磁芯3-3和真空室横梁支撑管道1-1之间、真空室横梁支撑管道1-1和环形磁芯3-4之间的缝隙宽度以不产生摩擦阻力和不影响磁力驱动为标准。
如图4所示，所述靶头2包括靶头支撑装置2-1、阶梯薄片靶头2-2、丝状靶头2-3；所述阶梯薄片靶头2-2和丝状靶头2-3用于靶头在运动过程中测量束流轴向和径向分布情况；靶头还可任意更换其它结构靶头，可满足不同设计需要。
所述真空室运动部件与外界大气隔绝是：将包括环形磁芯3-4的真空室横梁支撑管道1-1以外的真空环境、与包括圆形磁芯3-3的真空室横梁支撑管道1-1以内的大气环境进行隔绝。
该阶梯薄片靶头采用不同高度薄片结构，可测量轴向束流分布情况。
本发明所述的方法并不限于具体实施方式中所述的实施例，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 (6)

1.一种高能等时性FFAG加速器径向靶结构，该径向靶结构包括靶杆、靶头、以及径向靶驱动装置，其特征在于：所述靶杆为布设在真空室内部的真空室横梁支撑管道，该真空室横梁支撑管道沿加速器径向分别焊接在对应的真空室侧壁上；所述靶头通过径向靶驱动装置的环形磁芯可移动地套接在真空室横梁支撑管道外表面；所述径向靶驱动装置驱动靶头沿着真空室支撑横梁管道作直线往复运动；所述径向靶驱动装置采用磁耦合原理，通过设置在其圆磁芯和环形磁芯之间的真空室横梁支撑管道、以及圆磁芯和环形磁芯之间的间接驱动，进而实现真空室运动部件与外界大气隔绝，提高了加速器内部真空度。
2.如权利要求1所述的一种高能等时性FFAG加速器径向靶结构，其特征是：所述径向靶驱动装置包括电机、运动支撑导轨、圆磁芯、环形磁芯；环形磁芯上装有靶头；所述运动支撑导轨从一端到另一端横向穿过真空室横梁支撑管道内壁，且一端连接电机，在运动支撑导轨路径上还设有一段周向环绕导轨的圆磁芯、该圆磁芯外表面环绕一个环形磁芯；所述电机利用运动支撑导轨推动该导轨上的圆磁芯沿着导轨作直线往复运动，同时，圆磁芯通过磁力带动环形磁芯和环形磁芯上的靶头同步作直线往复运动；所述的运动支撑导轨为丝杠组件。
3.如权利要求2所述的一种高能等时性FFAG加速器径向靶结构，其特征是：所述径向靶驱动装置的横截面从里到外依次为：丝杠组件、丝杠组件外层的圆磁芯、圆磁芯和环形磁芯之间为真空室横梁支撑管道；所述圆磁芯和环形磁芯之间的真空室横梁支撑管道为非导磁的金属材质制作，所述采用非金属材质制作用以保证不会把磁场吸收、并保证磁力线能够穿透；所述圆磁芯和真空室横梁支撑管道之间、真空室横梁支撑管道和环形磁芯之间的缝隙宽度以不产生摩擦阻力和不影响磁力驱动为标准。
4.如权利要求1所述的一种高能等时性FFAG加速器径向靶结构，其特征是：所述靶头包括靶头支撑装置、阶梯薄片靶头、丝状靶头；所述阶梯薄片靶头和丝状靶头用于靶头在运动过程中测量束流轴向和径向分布情况；靶头还可任意更换其它结构靶头，可满足不同设计需要。
5.如权利要求1所述的一种高能等时性FFAG加速器径向靶结构，其特征是：所述真空室运动部件与外界大气隔绝是：将包括环形磁芯的真空室横梁支撑管道以外的真空环境、与包括圆形磁芯的真空室横梁支撑管道以内的大气环境进行隔绝。
6.如权利要求4所述的一种高能等时性FFAG加速器径向靶结构，其特征是：该阶梯薄片靶头采用不同高度薄片结构，可测量轴向束流分布情况。
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