CN114040561B - 一种翼型射频腔体的冷却系统及冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种翼型射频腔体的冷却系统及冷却方法。冷却系统包括：翼冷却通路，其沿周向在每两个相邻内腔相连处分布，贯通腔体的两端；壁冷却通路，包括角位壁冷却通路和边位壁冷却通路，壁冷却通路沿周向在大于翼冷却通路距离所述腔体中心的径向的外围分布，其中角位壁冷却通路在腔体横截面上位于角落处，边位壁冷却通路在腔体横截面上位于角落之间，角位壁冷却通路和边位壁冷却通路均贯通腔体的两端，并在腔体的一端处，相邻的角位壁冷却通路与边位壁冷却通路串联连接。本发明提高了RFQ腔体中电磁场在纵向的均匀性，使束流的传输更加接近设计情况，从而提高了束流品质和减小了束流损失，进而提高了整个离子加速器的稳定性与可靠性。

Description

一种翼型射频腔体的冷却系统及冷却方法

技术领域

本发明涉及离子加速器技术领域，具体涉及一种翼型射频(RFQ)腔体射频场纵向均匀性控制领域，更具体涉及一种翼型射频腔体的冷却系统及冷却方法。

背景技术

目前的离子加速器大科学装置(如CiADS、HIAF)通常由常温RFQ加速器和超导直线加速器组成，束流从RFQ出来后经匹配进入超导加速腔体。RFQ出口的束流品质对超导直线加速器的运行状况具有十分重要的影响，因此，目前大科学装置中的RFQ加速器的设计一直在以提高束流品质、减小纵向发射度、提高RFQ加速器稳定性等性能为目标。RFQ加速器性能的提高将能够极大提高整个加速器系统乃至整个装置的稳定性及可靠性。

除了在设计时对RFQ加速器进行优化外，对于连续波(CW)运行模式的RFQ加速器，冷却系统设计对于其性能的提高同样至关重要。目前的RFQ腔体水路布局普遍采用了在腔体的纵向贯通各个独立的水冷通路，即采用将所有水路全并联的冷却方案，没有考虑水路的设置方式对加载功率后腔体局部谐振频率(或局部电磁场强度)沿纵向的变化。经过多物理场分析发现，由于冷却水沿纵向逐渐升温，对流换热系数沿纵向在逐渐变化，在水路全并联布局方式下，腔体内的电磁场分布与设计值有较大的偏离，这将影响RFQ加速器的束流品质和超导直线加速器的运行稳定性。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明旨在提供一种翼型射频腔体的冷却系统及冷却方法，考虑水路的设置方式对加载功率后腔体局部谐振频率(或局部电磁场强度)沿纵向的变化，从而提高对腔体射频场纵向均匀性的控制。

本发明首先提出一种翼型射频腔体的冷却系统，所述翼型射频腔体包括一组在周向上分布的呈多个翼的内腔，所述冷却系统包括：

翼冷却通路，其沿周向在每两个相邻内腔边界的翼内分布，贯通所述腔体的两端；

壁冷却通路，包括角位壁冷却通路和边位壁冷却通路，所述壁冷却通路沿周向在大于所述翼冷却通路距离所述腔体中心的径向的外围分布，其中所述角位壁冷却通路在所述腔体横截面上位于角落处，所述边位壁冷却通路在所述腔体横截面上位于所述角落之间，所述角位壁冷却通路和边位壁冷却通路均贯通所述腔体的两端，并在所述腔体的一端处，相邻的所述角位壁冷却通路与所述边位壁冷却通路串联连接。

根据本发明的一种实施方式，所述串联的方式围绕所述腔体的束轴呈旋转对称的形式。

根据本发明的一种实施方式，所述边位壁冷却通路距所述腔体束轴小于所述角位壁冷却通路距所述腔体束轴的距离。

根据本发明的一种实施方式，每一路所述翼冷却通路在以所述腔体的中心为圆心的径向上分布有至少一路所述边位壁冷却通路，相邻的所述翼冷却通路与所述边位壁冷却通路的流向不同。

根据本发明的一种实施方式，所述壁冷却通路的入口位于所述角位壁冷却通路上，所述翼冷却通路的入口与所述壁冷却通路的入口在纵向上处于所述腔体的同侧。

根据本发明的一种实施方式，所述壁冷却通路的入口位于所述边位壁冷却通路上，所述翼冷却通路的入口与所述壁冷却通路的入口在纵向上处于所述腔体的两端。

根据本发明的一种实施方式，所述翼型射频腔体为四翼型射频四极场加速器腔体，所述内腔分别位于四个象限，所述翼冷却通路分布于处于极轴的翼内，所述角位壁冷却通路均匀分布于相邻的极轴之间壁内，所述边位壁冷却通路分布于距离坐标中心大于所述翼冷却通路的极轴上，每个象限的角位壁冷却通路与其相邻的边位壁冷却通路串联。

本发明还提出一种根据所述的翼型射频腔体的冷却系统的冷却方法，所述方法包括：

将相邻的所述角位壁冷却通路与所述边位壁冷却通路串联连接对所述腔体进行冷却。

根据本发明的一种实施方式，将所述翼冷却通路的冷却流向设置为与相邻的所述边位壁冷却通路的冷却流向不同。

根据本发明的一种实施方式，在所述腔体的束流流出端侧将所述相邻的所述角位壁冷却通路与所述边位壁冷却通路串联连接，

当所述壁冷却通路的入口位于所述角位壁冷却通路上，则所述翼冷却通路的入口与所述壁冷却通路的入口在纵向上处于所述腔体的同侧；

当所述壁冷却通路的入口位于所述边位壁冷却通路上，则所述翼冷却通路的入口与所述壁冷却通路的入口在纵向上处于所述腔体的两端；

优选地，所述壁冷却通路的冷却温度高于所述翼冷却通路的冷却温度，更优先地，所述壁冷却通路的冷却温度高于所述翼冷却通路的冷却温度不超过2摄氏度。

本发明通过对RFQ腔体的冷却通路进行合理布置并有效串联连接，并对冷却流动方向、温度设置进行规定，本发明提高了RFQ腔体中电磁场在纵向的均匀性，使束流的传输更加接近设计情况，从而提高了束流品质和减小了束流损失，进而提高了整个离子加速器的稳定性与可靠性。

附图说明

图1为本发明一实施例冷却系统通路在横截面上的位置示意图；

图2为本发明一实施例未显示腔体的冷却通路围绕束流中心呈旋转对称串联方式的立体示意图；

图3为本发明一实施例冷却液流动方向示意图；

图4本发明另一实施例冷却液流动方向示意图；

图5为本发明的实施实例分析结果示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

本发明的一种提高四翼型RFQ加速器腔体中电磁场沿纵向均匀性的方案，不改变现有腔体结构，通过冷却通道的布置形式以及控制特定通路流通的方向，进一步提高腔体内电磁场沿纵向分布的均匀性，同时可以减少冷却水路监测元件的数量，降低整个加速器系统的造价。

本发明首先提出一种四翼型RFQ腔体的冷却系统，四翼型RFQ腔体包括一组在周向上分布的呈多个翼的内腔，所述冷却系统包括：

翼冷却通路10，其沿周向在每两个相邻内腔相连处分布，贯通所述腔体的两端；

壁冷却通路20，包括角位壁冷却通路201和边位壁冷却通路202，所述壁冷却通路20沿周向在大于所述翼冷却通路10距离所述腔体A中心的径向的外围分布，其中所述角位壁冷却通路201在腔体横截面上位于角落处，边位壁冷却通路202在腔体横截面上位于角落之间，角位壁冷却通路201和边位壁冷却通路202均贯通腔体A的两端，并在腔体A的一端处，相邻的角位壁冷却通路201与边位壁冷却通路202串联连接。

上述技术方案摒弃了常用的在腔体纵向并列设置多个冷却通道对腔体进行冷却的形式，而是根据内腔的布置形式设置了由内圈到外围的围绕内腔的冷却通路，且将最外围角落处的通路与相对位于中间位置的通路串联，形成与最内圈通路的并列通路，使得腔体的纵向方向的冷却不再呈现逐渐递减效果，而是呈现一种较均匀的温差较小的效果，从而能够将腔体的频率偏差降低，进而使腔体沿纵向的电磁场不均匀性降低。

优选地，串联的方式围绕腔体A的束轴呈旋转对称的形式。

优选地，边位壁冷却通路202距腔体A束轴小于角位壁冷却通路201距腔体A束轴的距离。

根据本发明的一种实施方式，每一路翼冷却通路10在以腔体A的中心为圆心的径向上分布有至少一路边位壁冷却通路202，相邻的翼冷却通路10与边位壁冷却通路202的流向不同。

根据本发明的一种实施方式，壁冷却通路20的入口位于角位壁冷却通路201上，翼冷却通路10的入口与壁冷却通路20的入口在纵向上处于腔体A的同侧。如图3所示，壁冷却通路串联后，冷却液从角位壁冷却通路201进入从边位壁冷却通路202流出，此时翼冷却通路10的入口与壁冷却通路20的入口在腔体A的同一端。

根据本发明的一种实施方式，壁冷却通路20的入口位于边位壁冷却通路202上，翼冷却通路10的入口与壁冷却通路20的入口在纵向上处于腔体A的两端。如图4所示，壁冷却通路202串联后，冷区液如水从边位壁冷却通路202进入而从角位壁冷却通路201流出，此时翼冷却通路10的入口与壁冷却通路20的入口不在腔体的同一端。

根据本发明的一种实施方式，翼型射频腔体为四翼型射频四极场加速器腔体，所述内腔分别位于四个象限，所述翼冷却通路分布于该象限的极轴上，所述角位壁冷却通路均匀分布于相邻的极轴之间，所述边位壁冷却通路分布于距离坐标中心大于所述翼冷却通路的极轴上，每个象限的角位壁冷却通路与其相邻的边位壁冷却通路串联。

本发明还提出一种根据所述的翼型射频腔体的冷却系统的冷却方法，所述方法主要包括：

将相邻的所述角位壁冷却通路201与所述边位壁冷却通路202串联连接对腔体A进行冷却。

根据本发明的一种实施方式，进一步将翼冷却通路10的冷却流向设置为与相邻的边位壁冷却通路202的冷却流向不同。

根据本发明的一种实施方式，在腔体A的束流流出端侧将相邻的角位壁冷却通路201与边位壁冷却通路202串联连接。

当壁冷却通路20的入口位于角位壁冷却通路201上，则翼冷却通路10的入口与壁冷却通路20的入口在纵向上处于腔体A的同侧；

当壁冷却通路20的入口位于边位壁冷却通路202上，则翼冷却通路10的入口与壁冷却通路20的入口在纵向上处于腔体A的两端。

优选地，壁冷却通路20的冷却温度高于翼冷却通路10的冷却温度，更优先地，相邻的壁冷却通路20的冷却温度高于翼冷却通路10的冷却温度不超过2摄氏度。根据计算，虽然相邻的壁冷却通路20的冷却温度高于翼冷却通路10的冷却温度有好的效果，但考虑水冷机制冷效率，又希望这个温差要小，所以优选高出数值在0-2℃之间，包括2℃。

本发明通过对RFQ腔体的冷却通路进行合理布置并有效串联连接，并对冷却流动方向、温度设置进行规定，提高了RFQ腔体中电磁场在纵向的均匀性，使束流的传输更加接近设计情况，从而提高了束流品质和减小了束流损失，进而提高了整个离子加速器的稳定性与可靠性。

实施例

该实施例所述RFQ腔体为CiADS(中国加速器驱动次临界系统)直线加速器RFQ腔体。

将四翼型RFQ腔体单段腔体共设置12路水路进行冷却，其中每个翼接近束流中心(即腔体中心)处的水路为翼冷却通路10，接入翼水冷机形成回路，共4路；靠外侧为壁冷却通路20，接入壁水冷机形成回路，共8路，其中处于角上的称为角位壁冷却通路201，处于边上的称为边位壁冷却通路202。

将角位壁冷却通路201与边位壁冷却通路202在单段腔体末端相连，形成串联回路。水路在腔体A内一侧的转弯处可由钎焊进行封闭。

翼冷却通路10的冷却水温度设置低于相邻壁冷却通路20的冷却水温度，可将腔体初始频率调至低于运行值。这是由于翼水温频率变化关系(系数为负值)与壁水温频率变化关系(系数为正值)相反，所以如果初始频率低于运行值，则需要调高壁水温或调低翼水温(或同时调整)，这样就实现了达到运行频率时壁水温高于翼水温。

如图1所示为冷却水路在横截面上的位置分布，在不串联的情况下整个腔体共12路冷却水，靠近束流中心为4路翼冷却通路10，其他8路为壁冷却通路20，壁冷却通路20根据其位置分为两类：角位壁冷却通路201和边位壁冷却通路202，其位置如图1所示。

如图2所示，将每个象限的角位壁水冷孔与其相邻的边位壁水冷孔串联，形成新的壁冷却通路。

如图3所示，串联后水从壁冷却通路20的角位壁冷却通路201进入、边位壁冷却通路202流出时，翼冷却通路10的入口与壁冷却通路20的入口在纵向上处于腔体A的同侧。

根据运行经验及多物理场计算，无串联(即所有水路并联)情况下单路冷却水由腔体入口(表1中Z1的位置)到出口(表1中Z3的位置)的温升约1～2℃，现假定此温升为1℃，则在腔体中间位置(表1中Z2的位置)的温升为0.5℃。

如表1所示，仅示出腔体横截面1/4的温度示意，对于全并联方案，腔体的冷却水温度在位置Z1处均为25℃，在位置Z2处均为25.5℃，在位置Z3处均为26℃；对于本发明，在Z1处，角位壁冷却通路201和翼冷却通路10的入口水温为25℃，边位壁冷却通路202的出口水温为27℃；在Z2处，角位壁冷却通路201和翼冷却通路10的水温为25.5℃，边位壁冷却通路202的水温为26.5℃；在Z3处，所有通路的水温均为26℃。

表1

根据表1实例温度设置对腔体3个纵向横截面位置的水温设定条件进行腔体多物理场分析，得到三个位置处全并联方案与本发明的腔体沿纵向的频率偏差(实际频率与设计频率的差)，如图5所示。可以看出，与全并联方案相比，采用本发明的水路布局时腔体的频率偏差大大降低，从而使腔体沿纵向的电磁场不均匀性大幅降低。

根据实例分析，壁冷却通路温度高于翼冷却通路温度时，腔体沿纵向的电磁场均匀性进一步得到提高。

需要说明的是，在本文中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

此外，在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中实施例的各零部件、装置都是可以有所变化的，各实施方式都可根据需要进行组合或删减，附图中并非所有部件都是必要设置，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所述的这些实施例，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (12)

1.一种翼型射频腔体的冷却系统，所述翼型射频腔体包括一组在周向上分布的呈多个翼的内腔，其特征在于，所述冷却系统包括：

翼冷却通路，其沿周向在每两个相邻内腔边界的翼内分布，贯通所述腔体的两端；

壁冷却通路，包括角位壁冷却通路和边位壁冷却通路，所述壁冷却通路沿周向在大于所述翼冷却通路距离所述腔体中心的径向的外围腔壁内分布，其中所述角位壁冷却通路在所述腔体横截面上位于角落处，所述边位壁冷却通路在所述腔体横截面上位于所述角落之间，所述角位壁冷却通路和边位壁冷却通路均贯通所述腔体的两端，并在所述腔体的一端处，相邻的所述角位壁冷却通路与所述边位壁冷却通路串联连接。

2.根据权利要求1所述的翼型射频腔体的冷却系统，其特征在于，所述串联的方式围绕所述腔体的束轴呈旋转对称的形式。

3.根据权利要求1或2所述的翼型射频腔体的冷却系统，其特征在于，所述边位壁冷却通路距所述腔体束轴小于所述角位壁冷却通路距所述腔体束轴的距离。

4.根据权利要求3所述的翼型射频腔体的冷却系统，其特征在于，每一路所述翼冷却通路在以所述腔体的中心为圆心的径向上分布有至少一路所述边位壁冷却通路，相邻的所述翼冷却通路与所述边位壁冷却通路的流向不同。

5.根据权利要求1或2或4所述的翼型射频腔体的冷却系统，其特征在于，所述壁冷却通路的入口位于所述角位壁冷却通路上，所述翼冷却通路的入口与所述壁冷却通路的入口在纵向上处于所述腔体的同侧。

6.根据权利要求1或2或4所述的翼型射频腔体的冷却系统，其特征在于，所述壁冷却通路的入口位于所述边位壁冷却通路上，所述翼冷却通路的入口与所述壁冷却通路的入口在纵向上处于所述腔体的两端。

7.根据权利要求1或2或4所述的翼型射频腔体的冷却系统，其特征在于，所述翼型射频腔体为四翼型射频四极场加速器腔体，所述内腔分别位于四个象限，所述翼冷却通路分布于该象限的极轴处的翼内，所述角位壁冷却通路均匀分布于相邻的极轴之间的腔壁内，所述边位壁冷却通路分布于距离坐标中心大于所述翼冷却通路的极轴处的翼内，每个象限的角位壁冷却通路与其相邻的边位壁冷却通路串联。

8.一种根据权利要求1至7任一项所述的翼型射频腔体的冷却系统的冷却方法，其特征在于，所述方法包括：

将相邻的所述角位壁冷却通路与所述边位壁冷却通路串联连接对所述腔体进行冷却。

9.根据权利要求8所述的冷却方法，其特征在于，将所述翼冷却通路的冷却流向设置为与相邻的所述边位壁冷却通路的冷却流向不同。

10.根据权利要求9所述的冷却方法，其特征在于，在所述腔体的束流流出端侧将所述相邻的所述角位壁冷却通路与所述边位壁冷却通路串联连接，

当所述壁冷却通路的入口位于所述角位壁冷却通路上，则所述翼冷却通路的入口与所述壁冷却通路的入口在纵向上处于所述腔体的同侧；

当所述壁冷却通路的入口位于所述边位壁冷却通路上，则所述翼冷却通路的入口与所述壁冷却通路的入口在纵向上处于所述腔体的两端。

11.根据权利要求10所述的冷却方法，其特征在于，所述壁冷却通路的冷却温度高于所述翼冷却通路的冷却温度。

12.根据权利要求11所述的冷却方法，其特征在于，所述壁冷却通路的冷却温度高于所述翼冷却通路的冷却温度不超过2摄氏度。