CN113113749B - 一种陶瓷窗可拆卸型高功率输入耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种陶瓷窗可拆卸型高功率输入耦合器。所述高功率输入耦合器的一端与功率源相连，输入微波功率，另一端与超导腔体或常温腔体法兰相连，为腔体提供电磁场；所述高功率输入耦合器包括可拆卸式陶瓷窗和真空钎焊陶瓷窗。所述可拆卸型陶瓷结构使两个窗体可以单独清洗，避免了两个窗体之间真空空间清洗不干净的缺点，同时拆卸陶瓷窗不用与同轴线内外导体焊接，不但降低了双窗焊接难度，而且节省了焊接费用。

Description

一种陶瓷窗可拆卸型高功率输入耦合器
技术领域
本发明涉及一种陶瓷窗可拆卸型高功率输入耦合器，属于粒子加速器领域。
背景技术
高功率输入耦合器是一种微波器件，是射频超导系统关键设备之一，其主要功能是为超导腔体提供微波电磁场，同时实现功率源阻抗与腔-束流系统阻抗匹配的功能(图1)。由于超导腔体内部为高真空状态及其工作温度为2K或4.2K的液氦环境，高功率输入耦合器起到室温到液氦温区的低漏热过渡连接和通过陶瓷窗隔绝真空等多重功能。然而陶瓷的韧性差，在高功率输入耦合器运行过程中极易损坏，一旦陶瓷窗破裂，将会导致整个粒子加速器无法运行，需要花费很大的人力和物力去修复，因此，研究性能可靠的新型结构高功率输入耦合器是有必要的。
目前高功率输入耦合器陶瓷窗的结构为单窗或者双窗，相对单窗结构，双窗结构可以增加高功率输入耦合器的真空安全系数。在双窗结构中，其中一只窗体工作环境为液氮环境，另外一个窗体的工作环境为室温，该结构称为冷热双窗结构，在安装时冷窗在百级洁净间与超导腔体进行装配，而热窗一般在临时搭建的千级或者万级洁净间进行装配，这样的双窗结构及装配方式会造成冷窗和热窗的二次污染且增加装配难度。而两只窗体的工作环境均为室温，称为双热窗结构，该结构中双窗之间的空间难以清洗，致使该结构高功率输入耦合器在运行时经常出现打火，降低高功率输入耦合器的性能。上述的高功率输入耦合器窗体均为通过真空钎焊使陶瓷窗与同轴线的内外导体焊接，无法进行窗体与同轴线内外导体分离，导致窗体破裂后更换成本高。目前陶瓷窗主要采用Al2O3陶瓷，其导热性能差，使窗体在运行时温度过高，也是窗体破裂的主要原因。因此，有必要增加Al2O3陶瓷的导热性能，即陶瓷掺杂导热系数大的材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种陶瓷窗可拆卸型高功率输入耦合器，具有易清洗、成本低、焊接难度小、真空安全系数高等优点。
本发明所提供的陶瓷窗可拆卸型高功率输入耦合器，其一端与功率源相连，输入微波功率，另一端与超导腔体或常温腔体法兰相连，为腔体提供电磁场；其特征在于：
包括可拆卸式陶瓷窗和真空钎焊陶瓷窗；
所述可拆卸式陶瓷窗与所述真空钎焊陶瓷窗之间形成真空空间，所述真空空间上设有真空抽口和真空计安装口。
上述的高功率输入耦合器中，所述可拆卸式陶瓷窗设于近所述功率源端；
所述可拆卸式陶瓷窗的外缘通过第一法兰和第二法兰形成的第一凹槽固定，内缘通过功率源端内导体与焊接陶瓷窗内导体之间形成的第二凹槽固定。
优选地，所述第一凹槽的一端面上设有第一密封槽，所述第一密封槽内设有第一氟胶圈，在所述第一法兰和所述第二法兰在螺栓力的作用下挤压所述第一氟胶圈，从而使第一氟胶圈密封真空，所述第一法兰和所述第二法兰的材质为无氧铜。
优选地，所述第一法兰与所述第二法兰通过不锈钢螺栓固定。
上述的高功率输入耦合器中，所述功率源端内导体与所述焊接陶瓷窗内导体通过中空螺栓连接；
所述中空螺栓的中间孔内通入一根冷却空气管道，为耦合器内导体提供冷却通道。
优选地，所述第二凹槽的一端面上设有第二密封槽，所述第二密封槽内设有第二氟胶圈，所述功率源端内导体和所述焊接陶瓷窗体内导体在螺栓力的作用下挤压第二氟胶圈，从而使第二氟胶圈密封真空；
所述中空螺栓优选为镀银螺栓；
所述镀银螺栓与所述功率源端内导体和所述焊接陶瓷窗内导体之间设有不锈钢螺套结构。
上述的高功率输入耦合器中，所述真空钎焊陶瓷窗的外缘和内缘分别与焊接陶瓷窗内导体和焊接陶瓷窗外导体通过真空钎焊方式的连接。
所述真空钎焊陶瓷窗靠近腔体侧设置一个打火监测口、一个暗电子流监测口和一个真空计安装口；
本发明高功率输入耦合器中，焊接陶瓷窗组件外导体与腔体端外导体通过刀口法兰进行连接，并利用无氧铜密封圈进行真空密封；腔体端外导体设置两个法兰，其中平面法兰与低温恒温器相连，另外的刀口法兰与腔体相连。
上述的输入耦合器中，所述可拆卸式陶瓷窗和所述真空钎焊陶瓷窗均为板结构，其材料均为掺杂石墨烯的Al2O3陶瓷。
本发明高功率输入耦合器的输出端的同轴线缆特征阻抗为75或50欧姆。
腔体为超导腔体或常温腔体；
高功率输入功率耦合器运行模式为连续波或者脉冲波，连续模式功率为20kW～80kW，脉冲模式平均功率为30kW～1000kW；
高功率输入耦合器工作频率为70MHz～1300MHz。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
可拆卸型陶瓷结构使两个窗体可以单独清洗，避免了两个窗体之间真空空间清洗不干净的缺点，同时拆卸陶瓷窗不用与同轴线内外导体焊接，不但降低了双窗焊接难度，而且节省了焊接费用。
附图说明
图1为现有技术中高功率输入耦合器在射频超导系统中的位置示意图。
图2为本发明提供的可拆卸型功率输入耦合器的结构示意图。
图3为如图2所示的沿A-A面剖开后的剖面结构示意图。
图4为如图2所示的可拆卸陶瓷窗结构剖面示意图(局部放大图)。
图5为高功率输入耦合器优化时可调节的变量。
图6为频率为81.25MHz的功率输入耦合器反射系数随频率变化曲线。
图中各标记如下：
1-功率源端外导体；2-功率源端内导体；3-第一法兰；4-第二法兰；5-第一凹槽；6-第二凹槽；7-中空螺栓；8-第二密封槽；9-第一密封槽；10-可拆卸式陶瓷窗；11-焊接陶瓷窗内导体；12-焊接陶瓷窗外导体；13-焊接陶瓷窗；14-双陶瓷窗真空抽口；15-双窗体窗真空计安装口；16-打火监测口；17-真空计安装口；18-电子流监测口；19-第三法兰；20-第四法兰；21-第五法兰；22-腔体端内导体；23-腔体端外导体；24-第六法兰；25-冷空气入口管；26-无氧铜真空密封圈；27-第一氟胶圈；28-第二氟胶圈。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
本发明提供了一种陶瓷窗可拆卸型高功率输入耦合器，包括两个处于室温环境的陶瓷窗，其中一个陶瓷窗为可拆卸式结构，通过氟胶圈密封真空，另外一个陶瓷窗为真空钎焊结构，通过无氧铜密封圈进行真空密封；两个陶瓷窗之间处于真空环境；该耦合器一端与功率源相连，输入功率，另外一端与超导腔体或常温腔体法兰相连，为腔体提供电磁场。该种结构的耦合器极易清洗、成本低、焊接难度小、真空安全系数高等特点，保证了高功率输入耦合器具有高的可靠性。
以工作频率为81.25MHz的电耦合陶瓷窗可拆卸型高功率输入耦合器为例，详细说明本发明高功率输入耦合器的具体结构：
本发明提供的陶瓷窗可拆卸型高功率输入耦合器，包括功率输入端、可拆卸陶瓷组件、焊接陶瓷组件、与腔体相连端。如图2～图4所示，功率源端外导体1与功率源馈管外导体相连，功率源端内导体2与功率源馈管内导体相连，第一法兰3和第二法兰4通过螺栓相连，其组成的第一凹槽5起到定位可拆卸式陶瓷窗10外缘的作用，在第一凹槽5的一个端面设置有一个第一密封槽9，其内部放置第一氟胶圈27，第一法兰3和第二法兰4在螺栓力的作用下会挤压第一氟胶圈，从而使氟胶圈密封真空，第一法兰3和第二法兰4的材质均为无氧铜。
功率源端内导体2和焊接陶瓷窗内导体11通过中空螺栓7相连，其组成的第二凹槽6起到定位可拆卸式陶瓷窗10的内缘的作用，在第二凹槽6的一个端面设置有一个第二密封槽8，其内部放置第二氟胶圈28，功率源端内导体2和焊接陶瓷窗内导体11在螺栓力的作用下会挤压第二氟胶圈，从而使氟胶圈密封真空。中空螺栓7与功率源端内导体2和焊接陶瓷窗内导体11之间设置不锈钢螺套结构，使它们相连。为了使中空螺栓7的导电性好，其材料为镀银螺栓，中空螺栓7的中间孔可以使冷空气入口管穿透(如冷空气入口管25)，从而使焊接陶瓷窗内导体11和腔体端内导体22得到冷却。
焊接陶瓷窗13与焊接陶瓷窗内导体11和焊接陶瓷窗外导体12通过真空钎焊方式进行连接，在两个陶瓷窗之间的空间有两个开口，其中一个为真空抽口14和另外一个为真空计安装口15，其中14和15的法兰型号为刀口CF16，其材料为304不锈钢。在焊接陶瓷窗13右侧设置3个开口，分别为打火监测口16、真空计安装口17和电子流监测口18，其法兰型号为刀口CF16，其材质为304不锈钢。焊接窗体组件(即焊接陶瓷窗内导体11、焊接陶瓷窗外导体12、焊接陶瓷窗13)通过第三法兰19和腔体端外导体23上第四法兰20相连(两者之间设置无氧铜真空密封圈26)，其中第三法兰19和第四法兰20为刀口法兰，其材质为316LN不锈钢，为了便于清洗焊接陶瓷窗第四法兰20的内径大于第六法兰，其中第六法兰24与腔体上法兰相连，其型号为刀口法兰，材质为316LN不锈钢。如果该功率输入耦合器用于常温谐振腔，则第五法兰21不需要，如果用于超导谐振腔，则第五法兰21与低温恒温器法兰相连。
本发明中，陶瓷窗材料为掺杂石墨烯的Al2O3陶瓷。
可以通过更改图5中的变量优化陶瓷窗的尺寸，使功率输入耦合器在不同频率点的反射系数S11在中心频率处＜-30dB，从而实现了功率匹配传输。
图6为中心频率为81.25MHz的功率输入耦合器反射系数随频率变化曲线，频率为81.25MHz时其反射系数为-38.5dB，带宽大于40MHz，满足设计要求。

Claims (2)

1.一种陶瓷窗可拆卸型高功率输入耦合器，其一端与功率源相连，输入微波功率，另一端与超导腔体或常温腔体法兰相连，为腔体提供电磁场；其特征在于：
包括可拆卸式陶瓷窗和真空钎焊陶瓷窗；
所述可拆卸式陶瓷窗设于近所述功率源端，所述可拆卸式陶瓷窗与所述真空钎焊陶瓷窗之间形成真空空间，所述真空空间上设有真空抽口和真空计安装口；
所述可拆卸式陶瓷窗的外缘通过第一法兰和第二法兰形成的第一凹槽固定，内缘通过功率源端内导体与焊接陶瓷窗口内导体之间形成的第二凹槽固定；
所述第一凹槽的一端面上设有第一密封槽，所述第一密封槽内设有氟胶圈；
所述第二凹槽的一端面上设有第二密封槽，所述第二密封槽内设有氟胶圈；
所述第一法兰与所述第二法兰通过不锈钢螺栓固定；
所述功率源端内导体与所述焊接陶瓷窗口内导体通过中空螺栓连接；
所述中空螺栓的中间孔为空气冷却高功率输入耦合器内导体提供通道；
所述中空螺栓为镀银螺栓；
所述镀银螺栓与所述功率源端内导体和所述焊接陶瓷窗口内导体之间设有不锈钢螺套结构；
所述可拆卸式陶瓷窗和所述真空钎焊陶瓷窗均为板结构，其材料均为掺杂石墨烯的Al2O3陶瓷。
2.根据权利要求1所述的高功率输入耦合器，其特征在于：所述输入耦合器的工作频率为70MHz～1300MHz。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115103504A (zh) * 2022-08-24 2022-09-23 合肥中科离子医学技术装备有限公司 陶瓷窗、耦合器及加速器
KR102650852B1 (ko) * 2022-10-04 2024-03-25 주식회사 한울이엔지 냉각효율 및 성능이 향상된 안테나를 포함하는 rf 파워 커플러

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201966174U (zh) * 2010-11-27 2011-09-07 中国科学院近代物理研究所 真空管道式束流调节器
CN202797219U (zh) * 2012-08-20 2013-03-13 中国科学院等离子体物理研究所 射频高功率同轴传输线密封水冷结构
CN103906339A (zh) * 2013-09-28 2014-07-02 中国科学院近代物理研究所 离子加速器注入装置及使用方法
CN108736110A (zh) * 2018-07-10 2018-11-02 上海克林技术开发有限公司 一种功率传输耦合器

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6612143B2 (ja) * 2016-02-05 2019-11-27 三菱重工機械システム株式会社 加速空洞用入力カプラ及び加速器
AU2018261199A1 (en) * 2017-02-12 2019-08-29 Brilliant Light Power, Inc. Magnetohydrodynamic electric power generator

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201966174U (zh) * 2010-11-27 2011-09-07 中国科学院近代物理研究所 真空管道式束流调节器
CN202797219U (zh) * 2012-08-20 2013-03-13 中国科学院等离子体物理研究所 射频高功率同轴传输线密封水冷结构
CN103906339A (zh) * 2013-09-28 2014-07-02 中国科学院近代物理研究所 离子加速器注入装置及使用方法
CN108736110A (zh) * 2018-07-10 2018-11-02 上海克林技术开发有限公司 一种功率传输耦合器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"双热窗耦合器研制及稳定性问题研究;蒋天才;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库（博士） 工程科技Ⅱ辑》;20210115(第01期);第14-103页 *

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