CN116133226A - 一种变径螺旋线高频谐振装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变径螺旋线高频谐振装置，包括：内导体和跑道型底座。内导体采用渐变式变径螺旋线结构，包括无氧铜渐变式螺旋线水道和不锈钢渐变型螺旋线隔板，不锈钢渐变型螺旋线隔板设置在所述无氧铜渐变式螺旋线水道内；跑道型底座与内导体焊接连接，内导体和跑道型底座的边、棱角及尖角采用倒角处理。腔体的内导体采用了一种新型的渐变式变径螺旋线结构，这种结构不仅能够极大的缩小腔体尺寸，同时还能够保证螺旋型内导体与腔体底座充分接触，增强了整个内导体结构的稳定性。

Description

一种变径螺旋线高频谐振装置

技术领域

本发明涉及高频谐振领域，具体地涉及一种变径螺旋线高频谐振装置。

背景技术

近年来，直线加速器由于其高加速梯度，高能量、高效率、优良的束流品质及其简单注入引出结构等优势，逐步取代了传统的回旋加速器，成为医用重离子治疗同步加速器及新一代强流重离子加速器首先注入器系统。直线加速器通常主要由射频四极场加速器(RFQ)、聚束器(Buncher)、散束器(Debuncher)和漂移管型直线加速器(DTL)等组成。根据终端束流能量及品质的不同需求，整个直线段上需要多个不同电压的Buncher与DeBuncher腔体对束流进行聚束或散束等操作，因此聚束器和散束器系统成为直线加速器重要的组成部分。

医用重离子治疗直线加速器为了提高束流能量及流强，束流通过高能直线段的DTL腔加速后，需要结构尺寸小，射频电压高、功率大的Buncher与DeBuncher腔体系统对束流进行聚束或散束操作，从而降低DTL腔出口束流能散，同时提高后续束线的传输效率及纵向匹配效率。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种大功率变径螺旋线高频谐振腔体及其功率传输装置来实现医用治疗重离子直线加速器中聚束器腔体提出的设计指标要求。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种变径螺旋线高频谐振装置，包括：

内导体，内导体采用渐变式变径螺旋线结构，包括无氧铜渐变式螺旋线水道和不锈钢渐变型螺旋线隔板，不锈钢渐变型螺旋线隔板设置在无氧铜渐变式螺旋线水道内；和

跑道型底座，跑道型底座与内导体焊接连接，内导体和跑道型底座的边、棱角及尖角采用倒角处理。

变径螺旋线高频谐振装置包括高频谐振腔，在高频谐振腔的外周面上依次设置有频率细调部件、准直基准靶标座、取样端口、频率粗调部件和功率耦合器。

在高频谐振腔的内周面上依次设置有：频率细调杆、频率粗调电容板和功率耦合器耦合环。

高频谐振腔体还包括三维可调支架。

变径螺旋线内导体由矩形截面旋转度而成，旋转过程中采用变径方式，螺旋线变径后的最大矩形截面充分与跑道型底座连接。

无氧铜渐变式螺旋线水道被不锈钢螺旋线隔板隔开为内导体的进水道和内导体的出水道，内导体的进水道和内导体的出水道延伸至螺旋线头部，以保证整个内导体的充分冷却。

内导体的进水道和内导体的出水道与跑道型底座相通，从跑道型底座的底面接入冷却水管以引入进水。

在跑道型底座上设置高频连接弹簧圈和真空密封圈。

变径螺旋线高频谐振装置通过传输馈线装置连接到射频功率源。

传输馈线装置包括：

内导体插芯；

外导体，内导体插芯设置在外导体内部；

同轴硬同轴馈管弯头，馈管连接到高频腔体的馈口，在同轴硬同轴馈管弯头中设置同轴硬馈管插芯，在同轴硬同轴馈管弯头外部设置同轴硬馈管喉箍和同轴硬馈管抱箍。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明提供的高频谐振腔体腔体的内导体采用了一种新型的渐变式变径螺旋线结构，这种结构不仅能够极大的缩小腔体尺寸，同时还能够保证螺旋型内导体与腔体底座充分接触，增强了整个内导体结构的稳定性。上变型式螺旋型线结构内导体设计方案成功解决了直线加速器聚束器腔体安装空间尺寸小的难题。

2、本发明的内导体采用无氧铜，无氧铜的高导热率确保内导体的有效冷却。

3、本发明不锈钢隔板的高强度有效提升了螺旋型内导体的热稳定性能。

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是任意角度功率传输装置与螺旋线高频谐振腔直连功率馈送示意图；

图2是高频谐振腔体腔体整体结构正面视图；

图3是高频谐振腔体腔体整体结构左视图；

图4是高频谐振腔体腔体整体结构斜视图；

图5是高频谐振腔体腔体整体结构底部视图；

图6是变径螺旋线高频谐振腔内部结构正视图；

图7是变径螺旋线高频谐振腔内部结构立体图；

图8是变径螺旋线高频谐振腔螺旋线内导体及其水冷结构正视图；

图9是变径螺旋线高频谐振腔螺旋线内导体及其水冷结构立体图；

图10是变径螺旋线高频谐振腔螺旋线内导体及其水冷结构立体图；

图11是变径螺旋线高频谐振腔螺旋线内导体及其水冷结构图；

图12是任意角度功率传输装置结构中功率传输装置任意角度转角部件示意图；

图13是任意角度功率传输装置结构中任意角度转水平结构示意图；

图14是任意角度功率传输装置结构中同轴硬馈直角弯头示意图；

图15是任意角度功率传输装置结构图中轴硬馈直角弯头、插芯及抱箍喉箍结构示意图。

附图中各标记表示如下：

1、螺旋线腔体；2、传输管路；3、功率源；4、频率粗调部件；5、功率耦合器；6、内导体冷却水管；7、侧板冷却水管；8、取样端口；9、真空泵接口；10、腔筒；11、右侧端板；12、三维可调支座；13、左侧端板；14、功率耦合接口；15、准直基准靶标座；16、频率细调部件；17、频率细调杆；18、渐变式变径螺旋线型内导体；19、跑道型底座；20、频率粗调电容板；21、功率耦合器耦合环；22、漂移管；23、真空密封圈；24、高频密封圈；27、内导体开路端；28、内导体倒角结构；29、跑道型底座倒角结构；30、跑道型底座高频连接弹簧圈；31、不锈钢隔板结构；32、无氧铜内导体；33、无氧铜内导体冷却水进水道；34、无氧铜内导体冷却水出水道；39、内导体插芯；40、外导体；41、转角部件；42、法兰；45、同轴硬馈管直角弯头；46、同轴硬馈管插芯结构；47、同轴硬馈管喉箍结构；48、同轴硬馈管抱箍结构。

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。

根据本申请的一种螺旋线型高频谐振腔体及其功率传输线，采用渐变式变径螺旋线结构，能够有效缩小高频谐振腔体积、节省安装空间；对该腔体螺旋线的冷却结构进行了专门的设计，大幅提高了腔体的冷却效率，使腔体在大功率条件下能够保持热稳定性，频率漂移小，整体工作可靠；重新设计了该类型腔体的功率传输线，在腔体的功率馈口为任意角度方向时，减少了传输线不必要的多次转向，具有优良的功率传输匹配参数。

根据本申请的螺旋线型高频谐振腔体是高功率渐变式螺旋线结构腔体，其中的螺旋线结构是采用渐变式变径方式，该设计根据谐振腔的实际工作特点，将螺旋线型内导体从开路端到短路端设计为尺寸(直径或边长)逐渐变大的螺旋线结构；

根据本申请的螺旋线型高频谐振腔体中的内导体螺旋线和跑道型底座结构设计中均采用倒角处理方式，使整个螺旋型内导体和跑道型底座上均无边角、尖角及棱角，有效降低整个内导体与底座表面的最大功率密度；

根据本申请的螺旋线型高频谐振腔体是一种适用于高功率工作条件下的变径螺旋线的结构腔体，该结构可大大提升了谐振腔的输出电压，在高功率工作时谐振腔高发热量通过高效的水冷方式将热量及时带走，保持谐振腔结构的热稳定性。

根据本申请的螺旋线型高频谐振腔体的结构特点，功率馈口朝向为任意角度时，都可与功率源直接匹配连接的功率传输系统，降低了功率传输系统的安转成本及复杂性，增加了传输系统的稳定可靠性。

本发明采用以下技术方案，一种大功率变径螺旋线高频谐振腔体及其功率传输装置，包括：

腔体的内导体采用了一种新型的渐变式变径螺旋线结构，这种结构不仅能够极大的缩小腔体尺寸，同时还能够保证螺旋型内导体与腔体底座充分接触，增强了整个内导体结构的稳定性。渐变式螺旋型线结构内导体设计方案成功解决了医用重离子治疗直线加速器聚束器腔体安装空间尺寸小的难题；

螺旋线新型高频谐振腔体的内导体是最主要的发热部件，通常该类型结构高频腔内导体都是采用不锈钢镀铜方式来制作，同时在不锈钢内部留冷却水道，通入一定流量的冷却水给腔体内导体冷却；但是由于不锈钢材料本身是热的不良导体，因此该制作方式无法应用与高功率高频谐振腔体；而具有良好导热率的铜材料由于硬度较低、容易形变，无法加工成为这种复杂的螺旋线结构；基于以上矛盾与难点，本申请创新性的设计了一种无氧铜渐变式螺旋线与不锈钢渐变型螺旋线隔板相结合的螺旋线内导体焊接结构，充分利用了无氧铜的高导热率来大幅提升腔体的冷却效率，同时利用了不锈钢材料的高强度来增强螺旋线内导体整体结构的稳定性，很好的解决了大功率腔体的冷却效率与结构强度相矛盾的难题，减小腔体热形变及频率漂移，使整个系统稳定工作；

螺旋线型结构腔体由于结构紧凑，纵向尺寸小，因此腔体内导体与底座连接设计非常关键，本申请中底座设计充分利用了腔体内部横向及纵向空间，设计了“跑道型”的底座防止底座与腔体侧板间距小造成尖端放电或者打火现象；底座与螺旋型内导体的连接充分考虑了面接触，使底座与螺旋型内导体连接可靠，结构稳定。同时底座与螺旋线内导体接触面积的变大，降低了接触面上的表面电流密度，使短路面与底座发热量均匀，内导体与底座热形变小，腔体高功率工作时频率稳定；

高电压高功率螺旋线腔体由于结构紧凑，尺寸小，腔体内部的打火风险提高，因此腔体设计时必须考虑限制腔体最大电场强度值，从而降低打火风险，本申请中设计的螺旋线内导体及跑道型底座中，所有边、棱角及尖角都采用倒角处理，显著降低了腔体的打火风险，有效保证了整个系统中其它设备的安全性能；同时采用的渐变型螺旋线内导体结构，大大减小了内导体表面的电流密度，从而降低了内导体表面的平均温度，保证整个系统的工作稳定性。

用于连接大功率高频谐振腔体及其功率源的功率传输系统只能采用硬同轴馈管进行连接，硬馈管无法直接转向；而螺旋线高频谐振腔体的功率馈送口通常不能设计在水平或垂直方向，因此在与功率源进行连接时，只能采用90°直角弯头对硬同轴馈管进行多次转向，增加了传输线系统的复杂程度，同时降低了安全与稳定性；本申请设计了一种角度可以任意变化的硬同轴馈管弯头，从而针对高频腔体任意角度的馈口方向，都可直接进行馈管连接，且具有较好的阻抗匹配参数；同时该弯头的反射系数S11优于-30dB，完全满足大功率传输需求，很好的解决了传输系统连接过程复杂、直角转弯多、大功率射频功率传输隐患大的问题。

图1是任意角度功率传输装置与螺旋线高频谐振腔直连功率馈送示意图。如图1所示，螺旋线腔体1通过传输管路2连接到功率源3。

图2至图5为变径螺旋线高频谐振腔整体结构图。

如图2至图5所示，变径螺旋线高频谐振腔包括：频率细调部件(fine tunner)16、准直基准靶标座15、取样端口8、频率粗调部件(coarse tunner)4、功率耦合器5、内导体冷却水管6、侧板冷却水管7、真空泵接口9、腔筒10、右侧端板11、三维可调支座12、左侧端板13和功率耦合接口14。螺旋线腔体1为环形腔体，在环形腔体的两个轴向端处分别设置有左侧端板13和右侧端板11，以使得螺旋线腔体为密封腔体。在螺旋线腔体1的环形壁面上设置有多个开口，分别连接有频率粗调部件4、功率耦合器5、取样端口8、真空泵接口9、准直基准靶标座15、频率细调部件16。

图6至图7为变径螺旋线高频谐振腔内部结构图。

如图6至图7所示，在变径螺旋线高频谐振腔的内部包括：频率细调杆17、变径螺旋线内导体18、跑道型底座19、频率粗调电容板20、功率耦合器耦合环21、漂移管22、真空密封圈23和高频密封圈24。在腔筒10与左侧端板13和右侧端板11之间设置有真空密封圈23和高频密封圈24。频率细调杆17、频率粗调电容板20和功率耦合器耦合环21从腔筒10的环形壁面向内延伸进入腔的内部。跑道型底座19设置在腔筒10的内壁上。变径螺旋线内导体18的一端连接到跑道型底座19，变径螺旋线内导体18的另一端连接到漂移管22。漂移管22设置在腔筒10的中心处。

图8至图11为变径螺旋线高频谐振腔螺旋线内导体及其水冷结构图。

如图8至图11所示，变径螺旋线高频谐振腔螺旋线内导体包括：渐变式变径螺旋线型内导体18、跑道型底座19、内导体开路端27、螺旋线内导体倒角28、跑道型底座倒角29、跑道型底座高频连接弹簧圈30、变径螺旋线型不锈钢隔板31、变径螺旋线型无氧铜内导体32、无氧铜内导体冷却水进水道33和无氧铜内导体冷却水出水道34。内导体18与漂移管22连接的一端是开路端27。在跑道型底座19的底部设置有跑道型底座高频连接弹簧圈30。无氧铜内导体32的中间设置有不锈钢隔板31。不锈钢隔板31将无氧铜内导体32的内部分隔成两个水道，一个水道作为冷却水进水道33，一个水道作为冷却水出水道34。

图12至15为任意角度功率传输装置结构图。

如图12至15所示，任意角度功率传输装置包括：内导体插芯39、外导体40、转角部件41、法兰42、同轴硬馈管直角弯头45、同轴硬馈管插芯46、同轴硬馈管喉箍47和同轴硬馈管抱箍48。内导体插芯39设置在外导体40内腔中。如图12所示，两个外导体40之间设置有转角部件41，转角部件41通过法兰42连接到外导体40。如图13所示，转角部件41的角度可以任意变化。图14和图15显示同轴硬馈管直角弯头45和同轴硬馈管插芯46的结构，同轴硬馈管插芯46设置在同轴硬馈管直角弯头45中，轴硬馈管喉箍47和同轴硬馈管抱箍48箍在硬馈管直角弯头45的外周。

以下是对本申请一种大功率变径螺旋线高频谐振腔体及一种任意角度功率传输装置的原理及特性描述详细描述，所举实例只用于解释本申请；

根据本申请实施例的一种变径螺旋线高频谐振腔体主要由螺旋线内导体18、跑道型底座19、一个直径600mm(具体数字仅用于举例)腔筒10，两个直径600mm的侧板、三个漂移管22、一个功率耦合器5、一个频率粗调部件4、一个频率细调部件16、两个电压取样器、一个真空泵接口9、一个真空规接口、四个准直靶标座15、一套三维可调支架12、一套冷却水进出水排等组成。

如图8所示，变径螺旋线内导体18由矩形截面旋转540度而成，旋转过程中采用变径方式，螺旋线变径后的最大矩形截面充分与跑道型底座19采用焊接方式连接.

如图9所示，螺旋线的四个边都经过倒角处理，跑道型底座19的所有边也采用倒角处理。内导体18和底座表面无尖锐棱角.

如图10所示，无氧铜渐变式螺旋线水道被不锈钢螺旋线隔板31隔开，两侧分别为内导体的进出水，水道延伸至螺旋线头部，保证整个内导体的充分冷却；无氧铜螺旋线壁厚大于10mm，保证其结构强度及稳定性；不锈钢隔板厚度8mm，可以起到充分支撑无氧铜螺旋线的形状，保证螺旋线热形变量足够小，对腔体谐振频率影响很小。内导体18的水道与跑道型底座19相通，从跑道型底座19的底面接入冷却水管，进水先在跑道型底座19的内表面旋转一圈后，进入到内导体18的进水水道中，流到内导体18的头部，进入内导体18的回水管路，最后从跑道型底座19的回水管路回到内导体18的回水管路。

跑道型底座19的内表面分布的水道可以对底座表面的发热量充分冷却。

如图11所示，跑道型底座19设置高频连接弹簧圈和真空密封圈，内导体18和跑道型底座19采用焊接处理。跑道型底座19底部设计有两道密封，一道为高频连接弹簧圈30，另一道为真空密封圈。

如图12至图15所示，任意角度功率传输管路2可根据不同的腔体馈口角度直接将腔体出口馈口方向转为水平或者垂直方向，直接与功率源3连接，避免了传统的传输系统连接过程复杂、直角转弯多、大功率射频功率传输隐患大等问题。

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 (10)

1.一种变径螺旋线高频谐振装置，其特征在于，包括：

内导体，所述内导体采用渐变式变径螺旋线结构，包括无氧铜渐变式螺旋线水道和不锈钢渐变型螺旋线隔板，所述不锈钢渐变型螺旋线隔板设置在所述无氧铜渐变式螺旋线水道内；和

跑道型底座，所述跑道型底座与内导体焊接连接，所述内导体和所述跑道型底座的边、棱角及尖角采用倒角处理。

2.根据权利要求1所述的变径螺旋线高频谐振装置，其特征在于，所述变径螺旋线高频谐振装置包括高频谐振腔，在所述高频谐振腔的外周面上依次设置有：频率细调部件、准直基准靶标座、取样端口、频率粗调部件和功率耦合器。

3.根据权利要求2所述的变径螺旋线高频谐振装置，其特征在于，在所述高频谐振腔的内周面上依次设置有：频率细调杆、频率粗调电容板和功率耦合器耦合环。

4.根据权利要求3所述的变径螺旋线高频谐振装置，其特征在于，所述高频谐振腔体还包括三维可调支架。

5.根据权利要求1所述的变径螺旋线高频谐振装置，其特征在于，所述变径螺旋线内导体由矩形截面旋转而成，旋转过程中采用变径方式，螺旋线变径后的最大矩形截面充分与跑道型底座连接。

6.根据权利要求5所述的变径螺旋线高频谐振装置，其特征在于，所述无氧铜渐变式螺旋线水道被不锈钢螺旋线隔板隔开为内导体的进水道和内导体的出水道，所述内导体的进水道和所述内导体的出水道延伸至螺旋线头部，以保证整个内导体的充分冷却。

7.根据权利要求6所述的变径螺旋线高频谐振装置，其特征在于，所述内导体的进水道和所述内导体的出水道与跑道型底座相通，从跑道型底座的底面接入冷却水管以引入进水。

8.根据权利要求1所述的变径螺旋线高频谐振装置，其特征在于，在所述跑道型底座上设置高频连接弹簧圈和真空密封圈。

9.根据权利要求1所述的变径螺旋线高频谐振装置，其特征在于，所述变径螺旋线高频谐振装置通过传输馈线装置连接到射频功率源。

10.根据权利要求9所述的变径螺旋线高频谐振装置，其特征在于，所述传输馈线包括：

内导体插芯；

外导体，所述内导体插芯设置在所述外导体内部；

同轴硬同轴馈管弯头，馈管连接到所述高频腔体的馈口，在所述同轴硬同轴馈管弯头中设置同轴硬馈管插芯，在所述同轴硬同轴馈管弯头外部设置同轴硬馈管喉箍和同轴硬馈管抱箍。

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