CN116033642B - 一种强流超导回旋加速器高频装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种强流超导回旋加速器高频装置，主要由外罩筒、直边加螺旋形Dee盒、前内杆和后内杆、耦合器、调谐器以及配套的功率源等部分组成。采用双内杆结构、内杆独立耦合、四腔体独立调谐以及直边加螺旋等结构，大大提高了回旋加速器的每圈能量增益，减轻了强流束中空间电荷效应对束流品质的影响，增加了强流超导回旋加速器的引出流强和引出效率。本发明可以满足强流超导回旋加速器对高频系统的要求，为应用型强流回旋加速器的产业化提供了强有力的支持。

Description

一种强流超导回旋加速器高频装置

技术领域

本发明涉及回旋加速器领域，具体地涉及一种强流超导回旋加速器高频装置。

背景技术

强流回旋加速器是目前回旋加速器发展的主要方向之一，在科研和应用型加速器方面均有很强的竞争力。特别在面对应用型加速器的需求，结合超导磁铁等技术，强流超导回旋加速器成为回旋加速器目前的重点发展方向之一。强流回旋加速器面对的空间电荷效应问题是限制强流技术的关键难点，而且超导技术的应用使得加速器的尺寸进一步减小，传统的高频系统在强流紧凑型加速器中能量增益低，加速圈数较多，圈间距较小，最终造成束流品质下降、引出效率降低等问题，限制了引出流强的提升。

为满足强流超导回旋加速器在紧凑型的条件下对高能量增益等的需求，我们发明了一种用于强流超导回旋加速器的高频系统。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的为满足强流超导回旋加速器对高能量增益的需求，解决螺旋扇型高频腔有效电压降低的问题等，使得回旋加速器的每圈能量增益大于1MeV，进而减少加速圈数，增加圈间距，减轻空间电荷效应对束流品质的影响，增加回旋加速器的引出流强和引出效率，满足强流应用的需求。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种强流超导回旋加速器高频装置，包括多个高频腔体，多个高频腔体围绕强流超导回旋加速器高频装置的中心线均匀布置，多个高频腔体的每一个包括外罩筒、Dee盒、前内杆、后内杆、耦合器以及调谐电容，Dee盒设置在高频腔体腔体的中心平面处，多个高频腔体通过各自的耦合器连接到一个功率源。

Dee盒在高频腔体腔体1的中心平面处形成两个20mm的加速间隙，对束流进行加速。

Dee盒为直边加螺旋形，包括小半径的直边部分和大半径的螺旋边部分。

Dee盒的顶端到强流超导回旋加速器高频装置的中心线的距离为L，距离L能够调节。

多个高频腔体包括四个完全独立的高频腔体，四个完全独立的高频腔体为第一高频腔体、第二高频腔体、第三高频腔体和第四高频腔体，第一高频腔体通过第一耦合器连接到功率源，第二高频腔体通过第二耦合器连接到功率源，第三高频腔体通过第三耦合器连接到功率源，和第四高频腔体通过第四耦合器连接到功率源。

第一高频腔体包括第一Dee盒，第二高频腔体包括第二Dee盒，第三高频腔体包括第三Dee盒，第四高频腔体包括第四Dee盒，第一Dee盒的顶端到强流超导回旋加速器高频装置的中心线的距离为L1，第二Dee盒的顶端到强流超导回旋加速器高频装置的中心线的距离为L2，第三Dee盒的顶端到强流超导回旋加速器高频装置的中心线的距离为L3，第四Dee盒的顶端到强流超导回旋加速器高频装置的中心线的距离为L4，其中，L4大于L3，L3大于L2，L2大致等于L1。

前内杆和后内杆穿透高频腔体的外壳体设置，前内杆与后内杆的长度一致，直径不同。

前内杆比后内杆更靠近强流超导回旋加速器高频装置的中心线设置。

耦合器设置接近后内杆，进行耦合，并且连接到功率源。

调谐电容位于每个高频腔体的尾部处，对腔体的频率进行精细调谐。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

通过采用双内杆结构、内杆独立耦合、四腔体独立调谐以及直边加螺旋等结构，大大提高了目前回旋加速器的能量增益，增加了圈间距，减轻了强流束中空间电荷效应对束流品质的影响，增加了强流超导回旋加速器的引出流强和引出效率，为应用型强流回旋加速器的产业化提供了强有力的支持。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1是根据本申请的实施例的强流超导回旋加速器高频装置的结构示意图；

图2是根据本申请的实施例的强流超导回旋加速器高频装置的第一高频腔体的结构示意图；

图3是根据本申请的实施例的强流超导回旋加速器高频装置的第一高频腔体的Dee盒的结构示意图。

图4-7是根据本申请的实施例的强流超导回旋加速器高频装置的Dee盒的顶端到中心线的距离示意图。

附图中各标记表示如下：

O、强流超导回旋加速器高频装置中心线；1、第一高频腔体；2、第二高频腔体；3、第三高频腔体；4、第四高频腔体；5、前内杆；6、后内杆；7、前孔；8、后孔；9、调谐电容；10、第一Dee盒；11、第一Dee盒直边部分；12、第一Dee盒螺旋边部分；13、屏蔽罩；14、功率源；15、耦合器；20、第二Dee盒；21、第二Dee盒直边部分；22、第二Dee盒螺旋边部分；30、第三Dee盒；31、第三Dee盒直边部分；32、第三Dee盒螺旋边部分；40、第四Dee盒；41、第四Dee盒直边部分；42、第四Dee盒螺旋边部分。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明的强流超导回旋加速器高频系统由四个完全独立的高频腔体、配套的功率源和低电平系统组成。

根据本申请的一些实施例，强流超导回旋加速器高频装置包括四个完全独立的高频腔体，如图1所示，四个完全独立的高频腔体为第一高频腔体1、第二高频腔体2、第三高频腔体3和第四高频腔体4。高频腔体通过耦合器12连接到功率源11。第一高频腔体1通过耦合器12连接到功率源11，第二高频腔体2通过耦合器连接到功率源11，第三高频腔体3通过耦合器连接到功率源11和第四高频腔体4通过耦合器连接到功率源11。

每个高频腔体包括外壳体、Dee盒、前内杆、后内杆、耦合器以及调谐电容。

如图2所示，第一高频腔体1包括外壳体、第一Dee盒10、前内杆5、后内杆6、调谐电容9以及耦合器15。

直边加螺旋形Dee盒10位于腔体1的中心平面处，形成两个10mm的加速间隙，对束流进行加速。

直边加螺旋形Dee盒10包括小半径的直边部分和大半径的螺旋边部分。

如图4所示，第一Dee盒10包括第一Dee盒直边部分11和第一Dee盒螺旋边部分12。

如图5所示，第二Dee盒20包括第二Dee盒直边部分21和第二Dee盒螺旋边部分22。

如图6所示，第三Dee盒30包括第三Dee盒直边部分31和第三Dee盒螺旋边部分32。

如图7所示，第四Dee盒40包括第四Dee盒直边部分41和第四Dee盒螺旋边部分42。

如图4-7所示，Dee盒的顶端到强流超导回旋加速器高频装置的中心线的距离为L，具体地，第一Dee盒10到中心线的距离为L1，第二Dee盒20到中心线的距离为L2，第三Dee盒30到中心线的距离为L3，第四Dee盒40到中心线的距离为L4，其中，L1大致等于L2，L4大于 L3，L3大于L2和L1。以上关于距离L的限定仅仅是示例性的，Dee盒的顶端到强流超导回旋加速器高频装置的中心线的距离L还可以是其他的设置方式。

直边加螺旋形Dee盒的小半径的直边部分可以提高中心区的腔压利用率，提高强流束的加速效率，减轻空间电荷效应对低能强流束的影响。

特别地，Dee盒的头部采取特殊设计，有效地利用反射镜的异形屏蔽罩13的空间，将某个Dee盒头部的相对初始位置往内延伸，或Dee盒头部的相对初始位置往外避让，可以精细设计中心区的电场分布，更加精准的操控束流的传输和加速，将束流更平稳的送入加速平衡轨道。

前内杆5和后内杆6合理地布局在高频腔体，两内杆的长度一致，但粗细不同。在一些实施例中，前内杆5较细，后内杆6较粗，以便可以给出满足物理加速需求的电压分布。

前内杆5比后内杆6更靠近强流超导回旋加速器高频装置的中心线设置。

前内杆5通过前孔7穿透第一高频腔体1设置，后内杆6通过后孔8穿透第一高频腔体1设置。

耦合器位于每个高频腔的前内杆和后内杆之间，并且连接到功率源14。采用独立耦合的设计，可以降低耦合器的设计难度，提高系统的稳定性。独立耦合指四个高频腔采用各自独立的耦合方式。

如图2所示，耦合器15设置在第一高频腔体1的上表面上，并且位于第一高频腔体1的前内杆5和后内杆6之间。

调谐电容9位于每个高频腔体的尾部处，即采用独立的粗、细调谐设计，可以对腔体的频率进行精细调谐，避免温漂等问题对束流的影响，更加精确地操控束流的加速过程。

如图2所示，调谐电容9位于第一高频腔体1的尾部处，连接到第一高频腔体1的外周表面处。

本发明的关键点

1)采用双内杆结构，可以更好地产生物理加速需求的电压分布，即随半径增大而升高的电压分布，增大大半径处的圈间距；

2)采用内杆独立耦合的结构，减小了耦合器的功率负载，降低了耦合器的设计难度，提高了高频系统的稳定性；

3)采取四腔体独立调谐的结构，使得每个腔可以各自采取不同的频率调谐，减小温漂等问题对束流的影响，为强流束加速提供了更加精确的束流操控方法；

4)采用小半径直边和大半径螺旋的Dee盒结构，提高中心区的腔压，进而提高强流束的加速效率，减轻空间电荷效应对低能强流束的影响。

5)Dee盒头部采用的特殊设计，完全填充由静电反射镜异形屏蔽罩而留出的空间，使得其中第三个腔的Dee盒头部往延伸或往外避让，可以更好地设计中心区的加速电场，更加精准的操控束流的传输和加速，将束流更平稳的送入加速平衡轨道。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种强流超导回旋加速器高频装置，其特征在于，包括多个高频腔体，所述多个高频腔体围绕所述强流超导回旋加速器高频装置的中心线均匀布置，每一个高频腔体包括外罩筒、Dee盒、前内杆、后内杆、耦合器以及调谐电容，所述Dee盒设置在高频腔体腔体的中心平面处，所述多个高频腔体通过各自的耦合器连接到一个功率源；

所述Dee盒的顶端到强流超导回旋加速器高频装置的中心线的距离为L，距离L能够调节；所述多个高频腔体包括四个完全独立的高频腔体，所述四个完全独立的高频腔体为第一高频腔体、第二高频腔体、第三高频腔体和第四高频腔体，所述第一高频腔体通过第一耦合器连接到功率源，所述第二高频腔体通过第二耦合器连接到功率源，所述第三高频腔体通过第三耦合器连接到功率源，和所述第四高频腔体通过第四耦合器连接到功率源；第一高频腔体包括第一Dee盒，第二高频腔体包括第二Dee盒，第三高频腔体包括第三Dee盒，第四高频腔体包括第四Dee盒，第一Dee盒的顶端到强流超导回旋加速器高频装置的中心线的距离为L1，第二Dee盒的顶端到强流超导回旋加速器高频装置的中心线的距离为L2，第三Dee盒的顶端到强流超导回旋加速器高频装置的中心线的距离为L3，第四Dee盒的顶端到强流超导回旋加速器高频装置的中心线的距离为L4，其中， L4大于L3，L3大于L2，L2等于L1；

所述Dee盒为直边加螺旋形，包括小半径的直边部分和大半径的螺旋边部分；

前内杆与后内杆的长度一致，直径不同，前内杆比后内杆更靠近强流超导回旋加速器高频装置的中心线设置。

2.根据权利要求1所述的强流超导回旋加速器高频装置，其特征在于，所述Dee盒在高频腔体的中心平面处形成两个20mm的加速间隙，对束流进行加速。

3.根据权利要求1所述的强流超导回旋加速器高频装置，其特征在于，前内杆和后内杆穿透高频腔体的外壳体设置。

4.根据权利要求1所述的强流超导回旋加速器高频装置，其特征在于，耦合器设置接近后内杆，进行耦合，并且连接到功率源。

5.根据权利要求1所述的强流超导回旋加速器高频装置，其特征在于，调谐电容位于每个高频腔体的尾部处，对腔体的频率进行精细调谐。