CN111526656A - 一种电流控制超宽带回旋加速器高频腔体 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电流控制超宽带回旋加速器高频腔体，包括上外壳、下外壳、加速电极Dee盒、铁氧体、调谐杆和馈电结构，上外壳和下外壳结构相同，且对称布置，上外壳和下外壳的一端连接，加速电极Dee盒设置在上外壳和下外壳之间的间隙处，加速电极Dee盒两侧与外壳之间均设有缝隙，在加速电极Dee盒的上下侧分别垂直连接一个调谐杆，且一根调谐杆设置在上外壳内，另一根调谐杆设置在下外壳内，调谐杆的末端与对应的外壳连接，在每个调谐杆的外表面均包裹铁氧体，铁氧体外接直流电流源，馈电结构由上下外壳连接端插入高频腔体内部。本发明利用铁氧体加载取代了体积庞大的圆筒形频率调谐结构，通过改变铁氧体材料的电流，实现超宽带调谐。

Description

一种电流控制超宽带回旋加速器高频腔体

技术领域

本发明属于粒子加速器领域，尤其是涉及一种电流控制超宽带回旋加速器高频腔体。

背景技术

回旋加速器可实现离子的加速及偏转，其中离子加速由高频腔体内部激励的高频电磁场实现。为将多种不同离子加速至指定的能量，回旋加速器的高频电磁场频率范围应为超宽带，其相对带宽可达中心频率的30％甚至70％。为实现工作频率的超宽带调谐，传统的回旋加速器采用的手段通常是在加速器高频腔体内加入频率调谐结构，频率调谐结构通常包括调谐杆，圆筒及短路片。调节短路片位置可改变调谐杆的有效长度，而调谐杆有效长度影响高频腔体的等效电感，等效电感将会影响高频腔体的谐振频率。因此通过改变调谐杆的位置，即可改变高频腔体的谐振频率，实现超宽带调谐。

为实现超宽带调谐，高频腔体的等效电感需要在较大范围内变化，这对频率调谐结构调谐能力提出了极高要求。为实现如此大范围的调谐，频率调谐结构的圆筒及调谐杆的长度将大幅加长，其长度可达高频腔体外壳高度的2至3倍之多。传统设计方案中，调谐杆通常垂直放置于高频腔体外壳之上，如图1所示。这导致为实现超宽带调谐，加入调谐杆后的高频腔体总高度可达原来的3至4倍之多。由此造成的问题主要有两点：第一，过高的调谐杆增加了加工难度及成本，不利于安装调试；第二，频率调谐结构过高将会与加速器其他子系统，如磁铁系统结构发生干涉，增大磁铁系统的设计难度。因此对于相对带宽超过30％的高频腔体而言，传统频率调谐结构难以满足设计要求。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种电流控制超宽带回旋加速器高频腔体，利用铁氧体加载取代了体积庞大的圆筒形频率调谐结构，通过改变铁氧体材料的电流，即可改变腔体的等效电感，进而改变腔体的谐振频率，实现超宽带调谐。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种电流控制超宽带回旋加速器高频腔体，包括上外壳、下外壳、加速电极Dee盒、铁氧体、调谐杆和馈电结构，所述的上外壳和下外壳结构相同，且对称布置，所述上外壳和下外壳之间设有间隙，所述上外壳和下外壳的一端连接，所述的加速电极Dee盒设置在上外壳和下外壳之间的间隙处，所述加速电极Dee盒左右两侧与外壳之间均设有缝隙，在加速电极Dee盒的上下侧分别垂直连接一个调谐杆，且一根调谐杆设置在上外壳内，另一根调谐杆设置在下外壳内，调谐杆的末端与对应的外壳连接，在每个调谐杆的外表面均包裹铁氧体，所述的铁氧体外接直流电流源，所述的馈电结构由上下外壳连接端插入高频腔体内部。

进一步的，所述馈电结构包括内芯和耦合电容，所述的内芯及耦合电容伸入外壳内部，且放置于加速电极Dee盒及外壳之间，在内芯上同轴设有外层导体，所述外层导体设置在外壳外部，所述外层导体与外壳连接。

进一步的，所述加速电极Dee盒为镂空扇形结构，所述上外壳和下外壳也为扇形结构。

进一步的，加速电极Dee盒的镂空处与上外壳和下外壳之间的间隙连通。

进一步的，所述铁氧体为圆环类结构。

进一步的，两个调谐杆上下正对布置。

相对于现有技术，本发明所述的一种电流控制超宽带回旋加速器高频腔体具有以下优势：

在结构上，相比于现有回旋加速器腔体必须包含调谐圆筒及短路片等结构，只有通过增加调谐圆筒的尺寸来实现工作频率变化范围越宽的情况，本发明在结构上利用铁氧体圆环取代了调谐圆筒及短路片结构，将铁氧体结构置于腔体外壳与电极之间，省去了纵向尺寸偏大的圆筒结构，因此总高度即为腔体外壳高度，从而大幅减小了设备的纵向占地尺寸。

在原理上，相比于现有的通过调节短路片的位置改变加速器的等效电感，进而改变加速器的工作频率的情况，本发明通过调节铁氧体接入的直流电流幅度来改变铁氧体的磁导率，通过磁导率的改变来调节加速器的等效电感，进而调节工作频率；本发明将原有设计的结构调谐改为电信号调谐，弥补调谐范围越大则纵向占地尺寸越大的缺陷。

与传统的设计需要改变短路片位置实现频率调谐不同的是，本发明通过改变铁氧体材料的电流，即可改变腔体的等效电感，进而改变腔体的谐振频率，实现超宽带调谐。本发明利用铁氧体加载取代了体积庞大的圆筒形频率调谐结构，降低加工难度及成本，大大降低了安装调试难度，彻底解决了与加速器其他子系统结构的干涉问题，为超宽带回旋加速器的设计提供了新的思路。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为传统宽带调谐回旋加速器高频腔体结构示意图；

图2为本发明实施例所述的一种电流控制超宽带回旋加速器高频腔体的侧视图；

图3为本发明实施例所述的一种电流控制超宽带回旋加速器高频腔体的侧视剖视图；

图4为本发明实施例所述的一种电流控制超宽带回旋加速器高频腔体的俯视图；

图5为馈电结构侧视剖视图；

图6为传统回旋加速器腔体结构改变短路片位置后的工作频率变化范围示意图；

图7为本申请腔体结构在不同偏置电流下工作频率变化范围示意图。

附图标记说明：

1-上外壳，2-加速电极Dee盒，3-调谐杆，4-铁氧体，5-馈电结构，6-外层导体，7-耦合电容，8-内芯，9-下外壳。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图2-图5所示，一种电流控制超宽带回旋加速器高频腔体，包括上外壳1、下外壳9、加速电极Dee盒2、铁氧体4、调谐杆3和馈电结构5，所述的上外壳1和下外壳9结构相同，且对称布置，所述上外壳1和下外壳9之间设有间隙，所述上外壳1和下外壳9的一端连接，所述的加速电极Dee盒2设置在上外壳1和下外壳9之间的间隙处，所述加速电极Dee盒2左右两侧与外壳之间均设有缝隙，在加速电极Dee盒2的上下侧分别垂直连接一个调谐杆3，且其中一根调谐杆3设置在上外壳1内，另一根调谐杆3设置在下外壳9内，调谐杆的末端与对应的外壳连接，在每个调谐杆3的外表面均包裹铁氧体4，所述的铁氧体4外接直流电流源，所述的馈电结构5由上下外壳连接端插入高频腔体内部。

所述馈电结构5包括内芯8和耦合电容7，所述的内芯8及耦合电容8伸入外壳内部，且放置于加速电极Dee盒2及外壳之间，在内芯8上同轴设有外层导体6，所述外层导体6设置在外壳外部，所述外层导体6与外壳连接。

所述加速电极Dee盒2为镂空扇形结构，所述上外壳1和下外壳9也为扇形结构，且扇面角度约为30度左右。

加速电极Dee盒2的镂空与上外壳1和下外壳9之间的间隙连通，为加速粒子提供通道。

所述铁氧体4为圆环类结构。两个调谐杆上下正对布置，两个调谐杆长度相同，铁氧体4的长度为调谐杆长度的3/4-5/6。铁氧体4足够的长度，能够有效改变调谐杆3的电流分布情况，进而改变调谐杆3的等效电感。

本发明的工作原理及工作过程：首先，馈电结构5将功率源产生的高频电磁能量，通过外层导体6及内芯8构成的同轴线结构传输至耦合电容7上，通过耦合电容7与加速电极Dee盒2之间的电场耦合效应传输至加速电极Dee盒2上，加速电极Dee盒2带电而外壳接地，调谐杆3连接加速电极Dee盒2与外壳，因此调谐杆3上存在较强的高频电流，可视作一个等效电感；铁氧体4放置于调谐杆3外侧，通过改变通过铁氧体4的直流偏置电流，可以改变铁氧体4的磁导率。磁导率的改变将显著改变调谐杆3的电流分布情况，进而改变调谐杆3的等效电感，导致高频腔体谐振频率的改变。因此借助铁氧体加载技术，通过改变铁氧体材料的直流偏置电流，同样可以改变高频腔体的工作频率，实现超宽带频率调谐。

由于加速电极Dee盒2带电的同时外壳接地，使得加速电极Dee盒2与外壳之间产生电压差，加速电极Dee盒2与外壳之间有两条缝隙。当离子由外部射入高频腔体，经过加速电极Dee盒2与外壳之间的第一条缝隙时，在库仑力的作用下，粒子受力并实现一次加速运动，并进入加速电极Dee盒2内部，在外加磁场的作用下做圆周运动，并运动至加速电极Dee盒2与外壳之间的第二条缝隙进行第二次加速，之后粒子射出高频腔体，在外加电场的作用下做圆周运动，旋转后将再次回到加速电极Dee盒2与外壳之间的第一条缝隙，周而复始实现连续加速。

另外，在设备调试阶段，改变铁氧体的直流偏置电流，分别测试在不同偏置电流下高频腔体的工作频率，建立直流偏置电流值及工作频率的定量关系曲线数据。在高频腔体正式运行阶段，若需改变工作频率，只需按照电流与工作频率的关系曲线设置合适的偏置电流即可。

本发明的优点如下：

第一，通过铁氧体加载调控偏置电流实现频率调节，彻底解决了常规超宽带回旋加速器高频腔体结构尺寸过大，以致与其他子系统发生干涉的问题。调节范围主要取决于铁氧体材料特性，而不受限于几何尺寸，大大减小了设计难度及结构复杂性。

第二，相比于利用短路片机械运动实现调节的传统方案，新方案利用电流控制实现调节，其调节速度远远超过机械调节，可实现更为快速灵活的控制。此外，机械结构在一定年限后将出现毛刺及磨损，不仅会导致调节准确度下降，还会导致打火及击穿现象，严重影响加速器的正常运行，且难以解决。而采用电控方案则没有出现毛刺及磨损的风险，大大增强了设备运行的稳定性。

如图6所示，图中的横坐标是指短路片的移动距离，纵坐标是指高频腔体的频率。对于传统方案而言，当短路片运动传统方案的频率调谐范围为63cm时，其工作频率可在51.7MHz至110.0MHz之间变化，纵向尺寸总长度为168cm。

如图7所示，图中的横坐标是铁氧体磁导率，纵坐标是指高频腔体的频率，对于本发明提出的新型方案而言，当铁氧体的磁导率从1变化至21时，其工作频率可在38.1MHz至110.0MHz之间变化，纵向尺寸总长度仅为22.4cm。

通过对图6和图7的对比，可见本发明提出的新型方案在没有传统设计(图1)中圆筒状频率调谐结构的前提下，其频率调谐性能超过了传统短路片调谐方案。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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 (6)

1.一种电流控制超宽带回旋加速器高频腔体，其特征在于：包括上外壳(1)、下外壳(9)、加速电极Dee盒(2)、铁氧体(4)、调谐杆(3)和馈电结构(5)，所述的上外壳(1)和下外壳(9)结构相同，且对称布置，所述上外壳(1)和下外壳(9)之间设有间隙，所述上外壳(1)和下外壳(9)的一端连接，所述的加速电极Dee盒(2)设置在上外壳(1)和下外壳(9)之间的间隙处，所述加速电极Dee盒(2)左右两侧与外壳之间均设有缝隙，在加速电极Dee盒(2)的上下侧分别垂直连接一个调谐杆(3)，且其中一根调谐杆(3)设置在上外壳(1)内，另一根调谐杆(3)设置在下外壳(9)内，调谐杆的末端与对应的外壳连接，在每个调谐杆(3)的外表面均包裹铁氧体(4)，所述的铁氧体(4)外接直流电流源，所述的馈电结构(5)由上下外壳连接端插入高频腔体内部。

2.根据权利要求1所述的一种电流控制超宽带回旋加速器高频腔体，其特征在于：所述馈电结构(5)包括内芯(8)和耦合电容(7)，所述的内芯(8)及耦合电容(8)伸入外壳内部，且放置于加速电极Dee盒(2)及外壳之间，在内芯(8)上同轴设有外层导体(6)，所述外层导体(6)设置在外壳外部，所述外层导体(6)与外壳连接。

3.根据权利要求1所述的一种电流控制超宽带回旋加速器高频腔体，其特征在于：所述加速电极Dee盒(2)为镂空扇形结构，所述上外壳(1)和下外壳(9)也为扇形结构。

4.根据权利要求3所述的一种电流控制超宽带回旋加速器高频腔体，其特征在于：加速电极Dee盒(2)的镂空与上外壳(1)和下外壳(9)之间的间隙连通。

5.根据权利要求1所述的一种电流控制超宽带回旋加速器高频腔体，其特征在于：所述铁氧体(4)为圆环类结构。

6.根据权利要求1所述的一种电流控制超宽带回旋加速器高频腔体，其特征在于：两个调谐杆上下正对布置。

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