CN114126183A - 一种可拆卸式离子束加速管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可拆卸式离子束加速管，包括：高压绝缘子，用于引入初聚电压；加速腔，包括螺丝连接的输入法兰、多级绝缘环以及输出法兰；每级绝缘环均为一体成型的99瓷结构，且外壁上釉；每两级绝缘环的相接位置套设一均压环，该均压环与加速腔内对应的一个屏蔽电极相连；加速腔内沿离子束行进方向通过螺丝依次安装有初聚电极、中间电极以及地电极；初聚电极通过高压绝缘子连接初聚电压，中间电极连接位于加速腔内部中间的一个屏蔽电极；地电极连接输出法兰并接地；抑制磁铁，安装于输出法兰的出口处并接地。该离子束加速管结构紧凑，在真空中放气量低，短时间内即可达到极限真空，且该离子束加速管可拆卸。

Description

一种可拆卸式离子束加速管

技术领域

本发明属于加速器技术领域，具体涉及一种可拆卸式离子束加速管。

背景技术

离子束加速管是加速器中的重要部件，主要用于对离子源产生的离子束进行加速。

现有技术中，离子束加速管的加速腔通常由石英砂和环氧树脂浇注的绝缘环粘接而成。这种材质的绝缘环在真空中放气量大，长时间暴露在大气中时，离子束加速管的加速腔需经数小时才能达到极限真空。并且，一旦某个绝缘环的绝缘强度降低，整个离子加速管都需要更换，造成浪费。

发明内容

为了克服现有技术所存在的上述问题，本发明提供了一种可拆卸式离子束加速管。

本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种可拆卸式离子束加速管，包括：高压绝缘子、加速腔和抑制磁铁；其中，

所述高压绝缘子，用于向所述离子束加速管内引入初聚电压；

所述加速腔，包括输入法兰、多级绝缘环以及输出法兰；其中，所述输入法兰所述高压绝缘子通过螺丝相连，并与第一级的所述绝缘环通过螺丝相连；每两级相邻的所述绝缘环通过螺丝相连，最后一级的所述绝缘环与所述输出法兰通过螺丝相连；每级所述绝缘环均为一体成型的99瓷结构，且外壁上釉；

每两级所述绝缘环的相接位置套设一个均压环，该均压环与所述加速腔内对应的一个屏蔽电极相连；每两级所述均压环之间连接一个均压电阻，以通过所述均压电阻均衡所述加速腔的电场；

所述加速腔内，沿离子束行进方向通过螺丝依次安装有一个初聚电极、一个中间电极以及一个地电极；其中，所述初聚电极和所述中间电极之间形成第一加速间隙，所述中间电极和所述地电极之间形成第二加速间隙，所述第一加速间隙和所述第二加速间隙均耐压150kV；所述初聚电极通过所述高压绝缘子连接所述初聚电压，所述中间电极连接位于所述加速腔内部中间的一个所述屏蔽电极；所述地电极连接所述输出法兰并接地；

所述抑制磁铁，安装于所述输出法兰的出口处并接地。

优选地，所述初聚电极，包括：第一电极筒体、第一头部端头和第一尾部端头；其中，

所述第一电极筒体和所述第一头部端头的材质为316L不锈钢，所述第一尾部端头的材质为LY-12硬铝；

所述第一头部端头与所述第一电极筒体通过螺丝相连；所述第一电极筒体和所述第一尾部端头通过热套方式实现连接。

优选地，所述中间电极，包括：第二电极筒体、第二头部端头和第二尾部端头；其中，

所述第二电极筒体的材质为316L不锈钢，所述第二头部端头和所述第二尾部端头的材质均为LY-12硬铝；

所述第二头部端头、所述第二尾部端头均与所述第二电极筒体通过热套方式实现连接。

优选地，所述地电极，包括：第三头部端头和第三电极筒体；其中，

所述第三电极筒体的材质为316L不锈钢，所述第三头部端头的材质为LY-12硬铝；

所述第三头部端头与所述第三电极筒体通过热套方式实现连接，所述第三电极筒体未连接所述第三头部端头的一端连接所述输出法兰。

优选地，所述第一头部端头、所述第一尾部端头、所述第二头部端头、所述第二尾部端头以及所述第三头部端头均做导角处理，处理后的曲率半径均为5mm。

优选地，每级所述绝缘环的两端面刻真空密封凹槽，内壁两端做45度导角处理，外壁沿圆周方向设有凹槽。

优选地，所述第一电极筒体内设有束流限制光栅，所述束流限制光栅通过螺丝安装于所述第一电极筒体内。

优选地，所述绝缘环包括9级，所述中间电极连接第5级的绝缘环与第6级的绝缘环之间的屏蔽电极。

优选地，所述初聚电极，入口内径为30mm，出口内径为80mm，最大外径100mm；

所述中间电极，入口内径和出口内径均为80mm，外径100mm；

所述地电极，入口内径为80mm，出口内径等于所述输出法兰的出口内径，最大外径100mm；

所述第一加速间隙和所述第二加速间隙的间隙距离均为40mm；

所述绝缘环，内径为246mm，高度为72mm，最大外径330mm，壁厚14mm；

所述均压环的两端面的曲率半径均为7mm。

本发明提供的可拆卸式离子束加速管中，绝缘环为一体成型的99瓷结构，99瓷的电性能、机械性能以及真空性能较高，在真空中放气量低，从而可以使离子束加速管的加速腔在短时间内便能够达到极限真空。并且，本发明中，绝缘环与输入法兰、输出法兰均通过螺丝进行连接，初聚电极，中间电极以及地电极均通过螺丝安装于加速腔内，一旦某个绝缘环的绝缘强度降低，或某个电极发生损坏，拆卸后更换新的即可，无需报废整个离子束加速管，不会造成浪费。

另外，本发明提供的可拆卸式离子束加速管具有两级加速间隙，每级加速间隙耐压150kV，加速梯度高，整个离子束加速管的工作电压可达300kV。

以下将结合附图及对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种可拆卸式离子束加速管的结构示意图；

图2是图1所示离子束加速管的初聚电极的结构示意图；

图3是图1所示离子束加速管的中间电极的结构示意图；

图4是图1所示离子束加速管的地电极的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

参见图1所示，本发明提供的可拆卸式离子束加速管包括：高压绝缘子10、加速腔20和抑制磁铁30。

其中，高压绝缘子10用于向离子束加速管内引入初聚电压。在实际应用中，该初聚电压约为-30kV，且该初聚电压以250kV左右的直流高压为参考地，由此，整个离子束加速管的工作电压约在280kV左右。

加速腔20，用于加速离子源引出的离子束。该加速腔20包括输入法兰201、多级绝缘环202以及输出法兰203；其中，输入法兰201与高压绝缘子20通过螺丝相连，并与第一级的绝缘环202通过螺丝相连；每两级相邻的绝缘环202通过螺丝相连，最后一级的绝缘环202与输出法兰203通过螺丝相连；每级绝缘环202均为一体成型的99瓷结构，且外壁上釉。这里说的99瓷指的是纯度为99％的AL₂O₃陶瓷。

每两级绝缘环202的相接位置套设一个均压环204，该均压环204与加速腔20内对应的一个屏蔽电极205相连；每两级均压环204之间连接一个均压电阻，以通过这些均压电阻均衡加速腔20的电场；该电场的最高电位等于离子束加速管的工作电压。

从图1中可以看到，均压环204的横截面呈T型，“T”的竖线对应到均压环上为一个向环心方向凸起的结构，该结构被两侧相邻的两个绝缘环202夹紧，“T”的横线对应到均压环204上为一个圆环，该圆环包覆在相邻的两个绝缘环202的相接位置上；由此，通过该均压环204，可以进一步加强加速腔20的密封性。每个屏蔽电极205同样被两个相邻的绝缘环202夹紧，这样，每个均压环204与对应的一个屏蔽电极205便可以在他们被两个绝缘环202夹紧之处实现电气连接。在实际应用中，两个相邻的绝缘环202以及他们之间的均压环204和屏蔽电极205，可以通过一个螺丝拧在一起。

该加速腔20内，沿离子束行进方向通过螺丝依次安装有一个初聚电极206、一个中间电极207以及一个地电极208；其中，初聚电极206和中间电极207之间形成第一加速间隙，中间电极207和地电极208之间形成第二加速间隙，第一加速间隙和第二加速间隙均耐压150kV；初聚电极206通过高压绝缘子10连接初聚电压，中间电极207连接位于加速腔20内部中间的一个屏蔽电极205；地电极208连接输出法兰203并接地。

可以理解的是，由于屏蔽电极205与均压环一一对应，故而中间电极207连接加速腔20内部中间的一个屏蔽电极205，即使得该中间电极207的电位与所连接的屏蔽电极205保持一致。

抑制磁铁30，安装于输出法兰203的出口处并接地。该抑制磁铁30主要用于抑制次级电子。

在实际应用中，中子发生器的离子源引出电极与初聚电极206构成初聚透镜。中子发生器的直流高压电源输出的直流高压接到离子源的高压头部电极，离子源供电电源以该高压头部电极为参考地，将0～-30kV的初聚电压通过高压绝缘子与初聚电极206相连，通过改变初聚电压实现光路匹配。其中，初聚透镜的初聚电极206可在不拆卸加速管的条件下拆卸更换。

另外，初聚电极内还可以安装一个可拆卸的束流限制光栅，用以除去引出束流中离束轴太远的杂散离子，该束流限制光栅的光阑孔径的大小可按需求选取，本发明实施例对此不做限定。

本发明提供的可拆卸式离子束加速管中，绝缘环为一体成型的99瓷结构，99瓷的电性能、机械性能以及真空性能较高，在真空中放气量低，从而可以使离子束加速管的加速腔在短时间内便能够达到极限真空。并且，本发明中，绝缘环与输入法兰、输出法兰均通过螺丝进行连接，初聚电极，中间电极以及地电极均通过螺丝安装于加速腔内，一旦某个绝缘环的绝缘强度降低，或某个电极发生损坏，拆卸后更换新的即可，无需报废整个离子束加速管，不会造成浪费。

另外，本发明提供的可拆卸式离子束加速管具有两级加速间隙，每级加速间隙耐压150kV，加速梯度高，整个离子束加速管的工作电压可达300kV。

如图2所示，初聚电极206包括：第一电极筒体A1、第一头部端头B1和第一尾部端头C1；第一电极筒体A1和第一头部端头B1的材质为316L不锈钢，第一尾部端头C1的材质为LY-12硬铝；第一头部端头B1与第一电极筒体A1通过螺丝相接；第一电极筒体A1和第一尾部端头C1通过热套方式实现连接。

如图3所示，中间电极207包括：第二电极筒体A2、第二头部端头B2和第二尾部端头C2；其中，第二电极筒体A2的材质为316L不锈钢，第二头部端头B2和第二尾部端头C2的材质均为LY-12硬铝；第二头部端头B2、第二尾部端头C2均与第二电极筒体A2通过热套方式实现连接。

如图4所示，地电极208包括：第三头部端头B3和第三电极筒体A3；其中，第三电极筒体A3的材质为316L不锈钢，第三头部端头B3的材质为LY-12硬铝；第三头部端头B3与第三电极筒体A3通过热套方式实现连接，第三电极筒体A3未连接第三头部端头B3的一端连接输出法兰203。

现有的离子束加速管中的电极大多采用不锈钢或钛材质加工。本发明为了减轻离子束加速管的重量，各种电极的筒体采用LY-12硬铝，端头则采用316L不锈钢，然后通过热套的方法将它们连为一体。另外，均压环204的材质也可以选用LY-12硬铝，加工工艺参照上述的各种电极。其中，LY-12硬铝也可以称为LY-12铝合金。由于电极表面的粗糙度对电极间的微放电和击穿电压的影响较大，故为了降低电极表面的粗糙度，还可以采用粒度从20μm到5μm逐渐减小的纯AL₂O₃粉调蒸馏水对电极的端头进行抛光，且电极在加工过程中应适当退火。

优选地，为了防止预放电发生，第一头部端头B1、第一尾部端头C1、第二头部端头B2、第二尾部端头C2以及第三头部端头B3均做导角处理，处理后的曲率半径均为5mm；每级绝缘环的内壁两端做45度导角处理；屏蔽电极的阳极材料用铝合金，阴极材料用不锈钢。

并且，所有绝缘环的内壁使用金属材料进行不透光屏蔽，以防止运行中不可避免的杂散离子和次级电子对绝缘材料的轰击，以及少量有机物蒸汽等污染物的进入而导致加速管绝缘环的绝缘性能和真空性能的下降。

另外，为了便于加工，每级绝缘环的两端面刻真空密封凹槽，外壁沿圆周方向设置凹槽。

在一个具体的实施例中，上述的绝缘环可以包括9级。此时，中间电极207具体可以连接第5级的绝缘环202与第6级的绝缘环202之间的屏蔽电极205。其中：

初聚电极206，入口内径为30mm，出口内径为80mm，最大外径100mm；

中间电极207，入口内径和出口内径均为80mm，外径100mm；

地电极208，入口内径为80mm，出口内径等于输出法兰203的出口内径，最大外径100mm；

第一加速间隙和第二加速间隙的间隙距离均为40mm；

绝缘环202，内径为246mm，高度为72mm，最大外径330mm，壁厚14mm；均压环204的两端面的曲率半径均为7mm。

该9级绝缘环的离子束加速管，结构紧凑，具有两级加速间隙，每级加间隙承受150kV的高压，故本发明提供的可拆卸式离子束加速管具有较高的加速梯度，可以工作在300kV左右。

需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种可拆卸式离子束加速管，其特征在于，包括：高压绝缘子(10)、加速腔(20)和抑制磁铁(30)；其中，

所述高压绝缘子(10)，用于向所述离子束加速管内引入初聚电压；

所述加速腔(20)，包括输入法兰(201)、多级绝缘环(202)以及输出法兰(203)；其中，所述输入法兰(201)与所述高压绝缘子(20)通过螺丝相连，并与第一级的所述绝缘环(202)通过螺丝相连；每两级相邻的所述绝缘环(202)通过螺丝相连，最后一级的所述绝缘环(202)与所述输出法兰(203)通过螺丝相连；每级所述绝缘环(202)均为一体成型的99瓷结构，且外壁上釉；

每两级所述绝缘环(202)的相接位置套设一个均压环(204)，该均压环(204)与所述加速腔(20)内对应的一个屏蔽电极(205)相连；每两级所述均压环(204)之间连接一个均压电阻，以通过所述均压电阻均衡所述加速腔(20)的电场；

所述加速腔(20)内，沿离子束行进方向通过螺丝依次安装有一个初聚电极(206)、一个中间电极(207)以及一个地电极(208)；其中，所述初聚电极(206)和所述中间电极(207)之间形成第一加速间隙，所述中间电极(207)和所述地电极(208)之间形成第二加速间隙，所述第一加速间隙和所述第二加速间隙均耐压150kV；所述初聚电极(206)通过所述高压绝缘子(10)连接所述初聚电压，所述中间电极(207)连接位于所述加速腔(20)内部中间的一个所述屏蔽电极(205)；所述地电极(208)连接所述输出法兰(203)并接地；

所述抑制磁铁(30)，安装于所述输出法兰(203)的出口处并接地。

2.根据权利要求1所述的离子束加速管，其特征在于，所述初聚电极(206)，包括：第一电极筒体(A1)、第一头部端头(B1)和第一尾部端头(C1)；其中，

所述第一电极筒体(A1)和所述第一头部端头(A1)的材质为316L不锈钢，所述第一尾部端头(C1)的材质为LY-12硬铝；

所述第一头部端头(A1)与所述第一电极筒体(A1)通过螺丝相连；所述第一电极筒体(A1)和所述第一尾部端头(C1)通过热套方式实现连接。

3.根据权利要求2所述的离子束加速管，其特征在于，所述中间电极(207)，包括：第二电极筒体(A2)、第二头部端头(B2)和第二尾部端头(C2)；其中，

所述第二电极筒体(A2)的材质为316L不锈钢，所述第二头部端头(B2)和所述第二尾部端头(C2)的材质均为LY-12硬铝；

所述第二头部端头(B2)、所述第二尾部端头(C2)均与所述第二电极筒体(C2)通过热套方式实现连接。

4.根据权利要求3所述的离子束加速管，其特征在于，所述地电极(208)，包括：第三头部端头(B3)和第三电极筒体(A3)；其中，

所述第三电极筒体(A3)的材质为316L不锈钢，所述第三头部端头(B3)的材质为LY-12硬铝；

所述第三头部端头(B3)与所述第三电极筒体(A3)通过热套方式实现连接，所述第三电极筒体(A3)未连接所述第三头部端头(B3)的一端连接所述输出法兰(203)。

5.根据权利要求4所述的离子束加速管，其特征在于，所述第一头部端头(B1)、所述第一尾部端头(C1)、所述第二头部端头(B2)、所述第二尾部端头(C2)以及所述第三头部端头(B3)均做导角处理，处理后的曲率半径均为5mm。

6.根据权利要求1所述的离子束加速管，其特征在于，每级所述绝缘环(202)的两端面刻真空密封凹槽，内壁两端做45度导角处理，外壁沿圆周方向设有凹槽。

7.根据权利要求5所述的离子束加速管，其特征在于，所述第一电极筒体(A1)内设有束流限制光栅，所述束流限制光栅通过螺丝安装于所述第一电极筒体(A1)内。

8.根据权利要求1-7任一项所述的离子束加速管，其特征在于，所述绝缘环(202)包括9级，所述中间电极(207)连接第5级的绝缘环(202)与第6级的绝缘环(202)之间的屏蔽电极(205)。

9.根据权利要求8所述的离子束加速管，其特征在于，

所述初聚电极(206)，入口内径为30mm，出口内径为80mm，最大外径100mm；

所述中间电极(207)，入口内径和出口内径均为80mm，外径100mm；

所述地电极(208)，入口内径为80mm，出口内径等于所述输出法兰(203)的出口内径，最大外径100mm；

所述第一加速间隙和所述第二加速间隙的间隙距离均为40mm；

所述绝缘环(202)，内径为246mm，高度为72mm，最大外径330mm，壁厚14mm；

所述均压环(204)的两端面的曲率半径均为7mm。

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