CN116546718A - 一种用于加速质子的高Q双spoke超导腔制备方法 - Google Patents
一种用于加速质子的高Q双spoke超导腔制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116546718A CN116546718A CN202310672529.7A CN202310672529A CN116546718A CN 116546718 A CN116546718 A CN 116546718A CN 202310672529 A CN202310672529 A CN 202310672529A CN 116546718 A CN116546718 A CN 116546718A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- spoke
- welding
- double
- cavity
- outer conductor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 7
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims abstract description 91
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 54
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 31
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims abstract description 20
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 239000010955 niobium Substances 0.000 claims abstract description 9
- 238000003801 milling Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000011010 flushing procedure Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 20
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 claims description 10
- 238000002386 leaching Methods 0.000 claims description 9
- 230000035515 penetration Effects 0.000 claims description 6
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000000465 moulding Methods 0.000 claims description 2
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 8
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000003139 buffering effect Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000009377 nuclear transmutation Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
- H05H7/14—Vacuum chambers
- H05H7/18—Cavities; Resonators
- H05H7/20—Cavities; Resonators with superconductive walls
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
- Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Particle Accelerators (AREA)
Abstract
本发明公开了一种用于加速质子的高Q双spoke超导腔制备方法，其步骤包括：1)制备两个半片spoke柱，并将其焊接起来形成双spoke超导腔的左spoke柱；同理制备右spoke柱；2)采用两块高纯铌板制备外导体的两个半片，在每一外导体半片上分别铣出与左spoke柱基部匹配的孔，得到双spoke超导腔的左外导体；同理得到右外导体；3)将左、右spoke柱分别与左、右外导体焊接形成左、右spoke环；4)将左端盖和左spoke环焊接一起形成左半腔；5)将右spoke环和左半腔进行焊接形成双spoke环，将双spoke环和右端盖焊接，然后经过缓冲化学抛光和高压纯水冲洗后得到高Q双spoke超导腔。
Description
技术领域
本发明属于加速器技术领域，涉及一种用于加速质子的高Q双spoke超导腔制备方法。
背景技术
随着超导理论及技术的发展，新的超导材料不断被发现，新的超导工艺被应用到加速器领域。对于在超导谐振腔上的应用，基于铌材的超导射频腔技术比较成熟，生产工艺较其它超导材料相对简单，材料易成型，加速梯度与品质因素Q值高，损耗小，参数优化空间大等优点，被广泛应用于加速器领域中。超导双spoke腔具有：较高的分路阻抗，较大的速度接受度、加速间隙拥有较强的耦合度，具有较好的电场平坦度，相邻模式的频差较大，在中低β加速段中加速效率比较高等优势，离子的速度β＝离子速度/光速。由于中低β粒子在加速过程中速度变化较大，而双spoke腔具有的较大的速度接受度，有利于减少加速器腔型的种类，因此双sopke超导腔在中低β超导腔中占有很大比重。可以用在中国散裂中子源(CSNS)和加速器驱动嬗变研究装置(CiADS)等质子、重离子加速器上。
传统超导双spoke腔的方案如图1所示，其在设计上，两个端盖上无淋洗口，外导体上必须开2个淋洗口和1个耦合器口，用于缓冲化学抛光(BCP)、高压纯水冲洗(HPR)和功率耦合；由于外导体与两个spoke柱连接的位置需要挖4个开口，导致外导体开口在轴向上有重叠部分，整个外导体不能开成两半，只能做为一个整体与两个spoke柱一起焊接。由于外导体与spoke柱焊接时两者均会发生较大的形变，因此两个spoke柱焊接时必须同时装配与焊接，否则由于外导体变形过大，若其中一个spoke柱焊接好了，另外一个由于外导体变形严重会出现装配不上的情况，这必然加剧装配与焊接的难度导致成品率低。并且在焊接工艺上只能采用电子束焊一次性背成型焊接，因为两个spoke柱相互遮挡，电子束不能从腔内部将spoke柱与外导体连接的地方进质量更高的正面焊接，这就存在焊接质量不高甚至焊漏的风险。外导体与spoke柱焊接完成后，需要将其中一个端盖与外导体焊接上，然后进行内表面焊缝的打磨，由于腔比较长且有两个spoke相互部分遮挡着，耦合器口是弯转设计手不能伸进去，造成焊缝打磨不方便。最后一步是将另一个端盖与外导体焊接上，只能通过两个淋洗口观察或打磨。
焊接完后需要进行BCP处理，处理时要注意酸液流动的均匀性或产生的H2的排放，由于设计的缺陷，无法做到酸液循环的均匀和H2的排放，这存在极大的安全风险。
BCP之后要进行高压纯水冲洗(HPR)，由于淋洗口设计的不合理，腔内耦合器一侧存在HPR死角，并且由于淋洗口的非对称设计，HPR时腔要偏心放置旋转，由于其体积与重量均比较大，旋转时易与喷杆发生相对移动，为腔性能的提高埋下隐患。
通过上述分析可以确定，现有的超导双spoke腔设计有缺陷，导致spoke柱装配困难和焊接不理想，内表面机械抛光处理不方便，不利于BCP及HPR的处理，洁净组装时易受污染，影响超导腔的性能的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于加速质子的高Q双spoke超导腔制备方法，本发明能够降低双spoke超导腔的焊接技术难度、提升内表面机械抛光的可操作性，解决缓冲化学抛光(BCP)过程中的内部抛光不均匀和排放抛光过程中产生的氢气不畅、超导腔Q值不高等问题。
本发明的技术方案为：
一种用于加速质子的高Q双spoke超导腔制备方法，其步骤包括：
1)制备两个半片spoke柱，并将其焊接起来形成双spoke超导腔的左spoke柱；制备另外两个半片spoke柱，并将其焊接起来形成双spoke超导腔的右spoke柱；
2)采用两块高纯铌板制备外导体的两个半片，通过卷绕机将高纯铌板卷成圆筒状，并进行焊接、校圆。在每一外导体半片上分别铣出与左spoke柱基部匹配的孔，得到双spoke超导腔的左外导体；采用两块高纯铌板制备外导体的两个半片，通过卷绕机将高纯铌板卷成圆筒状，并进行焊接、校圆；在每一外导体半片上分别铣出与有spoke柱基部匹配的孔，得到双spoke超导腔的右外导体；
3)将右spoke柱与右外导体焊接形成右spoke环，将左spoke柱和左外导体焊接形成左spoke环；然后对左、右spoke环的焊缝进行打磨；
4)将双spoke超导腔的左端盖和左spoke环焊接一起形成左半腔，然后对左半腔的焊缝内表面进行打磨处理；
5)将右spoke环和左半腔进行焊接形成双spoke环，并对新的焊缝进行打磨；然后将双spoke环和右端盖焊接一块形成一个完整的双spoke腔，然后经过缓冲化学抛光和高压纯水冲洗后得到高Q双spoke超导腔。
进一步的，采用内外均正面焊的焊接工艺将右spoke柱与右外导体焊接形成右spoke环，采用内外均正面焊的焊接工艺将左spoke柱和左外导体焊接形成左spoke环。
进一步的，通过背成型焊接工艺将双spoke超导腔的左端盖和左spoke环焊接一起形成左半腔。
进一步的，通过背成型焊接工艺将右spoke环和左半腔进行焊接形成双spoke环。
进一步的，所述背成型焊接工艺为：对于待焊接在一起的两部分，先通过点焊将两部分焊接在一起，然后将电子束焊机的参数调整到69kV/40mA对两部分进行2mm熔深焊接，最后再将电子束焊机的参数调整到69kV/70mA对两部分进行完全熔深焊接。
进一步的，利用电子束焊接技术将两个半片spoke焊接起来形成完整的spoke柱，包括左spoke柱和右spoke柱。
进一步的，若双spoke腔内的新焊缝需要打磨，则通过右外导体上的耦合器口进行打磨处理。
进一步的，所述左端盖、右端盖上分别增设淋洗口。
本发明具有如下特点：
1、外导体可以分开分别与spoke柱进行焊接，减少工作强度，保证焊接质量。
2、端盖增加淋洗口，便于BCP和HPR,保证了内表面的处理质量，无死角。
3、减少外导体的开口数量，保证腔体的Q值及减少洁净组装时的污染几率。
4、充分利用现有的淋洗口，可以用作BCP、HPR和Pt信号采集。
本发明的优点如下：
本发明优化了电磁与机械结构设计，降低装配与焊接难度，利于内表面的机械抛光、BCP及HPR处理，减少了洁净组装时腔受到污染的概率，提升开口的利用效率，提升整腔的生产效率。
附图说明
图1为传统超导双spoke腔的结构图。
图2为本发明的双spoke超导腔机械结构图。
图3为spoke柱和端盖的结构图。
图4为双spoke腔的主要组成部分(两个端盖，两个spoke柱，两个外导体)。
图5为spoke柱与外导体焊接之后的爆炸图。
图6为左端盖与左spoke环焊接后的爆炸图。
图7为左半腔与右spoke环焊接后的爆炸图。
图8为完成全部焊接后的整腔。
图9为本采用本发明方案制作的两支腔的测试情况。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步详细描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
首先电磁设计上要达到需要的加速梯度，spoke柱基部与腔中间保留10mm间隙以使外导体能开成两半，同时要考虑机械加工的难点、BCP和HPR时便于操作等因素。尽量减少外导体开口数量，以提高外导体自身强度及避免洁净组装时的困难；在端盖上增加淋洗口，用来BCP和HPR及作为提取信号Pt的提取口。
本发明的双spoke超导腔机械结构图如图2所示。双spoke腔在制造时先用模具将半片spoke柱、端盖、鼻锥一体冲压成形，束管用铌棒铣出需要的形状。利用电子束焊接技术将两个半片spoke焊接起来形成完整的spoke柱，将端盖、鼻锥、束管、淋洗口、加强筋焊接起来形成完整的端盖，本发明的双spoke超导腔的爆炸图如图3所示。
双spoke腔在焊接过程中主要难点是spoke柱与外导体之间的焊接，其他技术方案一般是外导体做为一个单独的整体分别与两个spoke柱进行焊接。本发明的方案是外导体采用两块厚度为3.2mm的宽280mm，长1757mm的高纯铌板通过滚圆焊接、校圆而成，并通过铣床将每一个外导体铣出与spoke基部相同的孔，用以匹配spoke柱，为了安装匹配方便，右半外导体③和左半外导体④上的两个孔大小适当不同，一个紧配合，一个松配合，便于spoke柱的进出，双spoke腔的主要组成部分如图4所示。
Spoke柱与外导体配合完毕后可以进行焊接，其中spoke柱①和右外导体③焊接形成右spoke环⑦，左spoke柱②和左外导体④焊接形成左spoke环⑧，如图5所示。焊接时可以采用内外均正面焊的焊接工艺，保证焊缝的质量。焊接完后对焊缝进行机械打磨，使焊缝处光滑无尖端或暗坑。
端盖与外导体焊接时先将左端盖⑥和左spoke环⑧焊接一起形成左半腔⑨，如图6所示，由于端盖与左半腔焊接时不能进行正面焊接，只能通过背成型焊接工艺进行焊接。先通过点焊将端盖⑥和左spoke环⑧焊接在一起，然后将电子束焊机的参数调整到69kV/40mA进行2mm熔深焊接，最后再将电子束焊机的参数调整到69kV/70mA进行完全熔深焊接。焊接完后对焊缝内表面进行打磨处理。
将右spoke环⑧和左半腔⑨利用与上文所述相同的焊接工艺进行焊接形成双spoke环⑩，在焊接时要注意此时两个spoke柱是呈90度交叉焊接的，如图7所示。此时可以对新的焊缝方便地进行打磨。最后双spoke环⑩和右端盖⑤焊接一块形成一个完整的双spoke腔，如图8所示此时可以对最后一道焊缝进行观察，若焊缝不理想可以通过右外导体上的耦合器口进行打磨处理。
整腔焊接后再进行BCP和HPR后在10级洁净间中进行洁净组装，完成洁净组装后进行垂直测试了。经过两支样腔的测试其最大梯度远超7.3MV/m，且Q值达到4E10@7.3MV/m，是目前技术的2倍，两支已完成双spoke超导腔测试结果如图9所示。
尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (8)
1.一种用于加速质子的高Q双spoke超导腔制备方法，其步骤包括：
1)制备两个半片spoke柱，并将其焊接起来形成双spoke超导腔的左spoke柱；制备另外两个半片spoke柱，并将其焊接起来形成双spoke超导腔的右spoke柱；
2)采用两块高纯铌板制备外导体的两个半片，在每一外导体半片上分别铣出与左spoke柱基部匹配的孔，得到双spoke超导腔的左外导体；采用两块高纯铌板制备外导体的两个半片，在每一外导体半片上分别铣出与有spoke柱基部匹配的孔，得到双spoke超导腔的右外导体；
3)将右spoke柱与右外导体焊接形成右spoke环，将左spoke柱和左外导体焊接形成左spoke环；然后对左、右spoke环的焊缝进行打磨；
4)将双spoke超导腔的左端盖和左spoke环焊接一起形成左半腔，然后对左半腔的焊缝内表面进行打磨处理；
5)将右spoke环和左半腔进行焊接形成双spoke环，并对新的焊缝进行打磨；然后将双spoke环和右端盖焊接一块形成一个完整的双spoke腔，然后经过缓冲化学抛光和高压纯水冲洗后得到高Q双spoke超导腔。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用内外均正面焊的焊接工艺将右spoke柱与右外导体焊接形成右spoke环，采用内外均正面焊的焊接工艺将左spoke柱和左外导体焊接形成左spoke环。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过背成型焊接工艺将双spoke超导腔的左端盖和左spoke环焊接一起形成左半腔。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过背成型焊接工艺将右spoke环和左半腔进行焊接形成双spoke环。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述背成型焊接工艺为：对于待焊接在一起的两部分，先通过点焊将两部分焊接在一起，然后将电子束焊机的参数调整到69kV/40mA对两部分进行2mm熔深焊接，最后再将电子束焊机的参数调整到69kV/70mA对两部分进行完全熔深焊接。
6.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，利用电子束焊接技术将两个半片spoke焊接起来形成完整的spoke柱，包括左spoke柱和右spoke柱。
7.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，若双spoke腔内的新焊缝需要打磨，则通过右外导体上的耦合器口进行打磨处理。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述左端盖、右端盖上分别增设淋洗口。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310672529.7A CN116546718A (zh) | 2023-06-08 | 2023-06-08 | 一种用于加速质子的高Q双spoke超导腔制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310672529.7A CN116546718A (zh) | 2023-06-08 | 2023-06-08 | 一种用于加速质子的高Q双spoke超导腔制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116546718A true CN116546718A (zh) | 2023-08-04 |
Family
ID=87447238
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310672529.7A Pending CN116546718A (zh) | 2023-06-08 | 2023-06-08 | 一种用于加速质子的高Q双spoke超导腔制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116546718A (zh) |
-
2023
- 2023-06-08 CN CN202310672529.7A patent/CN116546718A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106583905B (zh) | 一种燃气轮机导向器机匣的焊接工装和焊接方法 | |
| CN104152948B (zh) | 一种制作高频波纹馈源喇叭微细结构的精密电铸方法 | |
| CN109413832B (zh) | 采用永磁四极磁铁的交叉指型纵磁模漂移管直线加速器 | |
| CN102026469A (zh) | 一种单芯棒轮辐式超导加速腔及其制造方法 | |
| CN106438109A (zh) | 一种带喉部加强衬套的液体火箭发动机推力室夹层结构 | |
| CN104703379B (zh) | 超导加速腔及超导加速腔的电解研磨方法 | |
| CN116546718A (zh) | 一种用于加速质子的高Q双spoke超导腔制备方法 | |
| CN112222584B (zh) | 一种用于超薄壁管焊接的双横向磁场磁控微束等离子弧焊缝跟踪方法 | |
| CN201565628U (zh) | 电动机壳体止口加工用胀胎 | |
| Baldin et al. | Nuclotron status report | |
| CN103167718B (zh) | 一种单芯棒轮辐式超导加速腔及其制造方法 | |
| CN101699571A (zh) | 大型高频谐振腔体内导电杆的制造方法 | |
| CN215121292U (zh) | 一种双轮辐柱轮辐超导腔 | |
| JPH0730313A (ja) | 無溶接型無線周波共振空洞の製造方法及び該方法により製造された共振空洞 | |
| CN105290614B (zh) | 一种电池金属外壳的封口方法 | |
| CN113260132A (zh) | 一种双轮辐柱轮辐超导腔及其制造方法 | |
| Kelly et al. | SRF Advances for ATLAS and other β< 1 Applications | |
| CN205881868U (zh) | 一种高磁场下微型潘宁离子源的引出结构 | |
| CN212106111U (zh) | 一种水电站挡风板支撑结构 | |
| Zhen-Yu et al. | Investigation on the fabrication of the 3rd harmonic superconducting cavity for the SSRF storage ring | |
| CN115996512A (zh) | 一种低频四分之一波长加速光速粒子的主动型超导腔 | |
| Kelly et al. | Superconducting 72 MHz beta= 0.077 Quarter-Wave Cavity for ATLAS | |
| CN117580239A (zh) | 用于医用同位素生产的超高频直线加速器及参数设计方法 | |
| CN115846842B (zh) | 一种超大型门形框结构的真空电子束焊接设备及焊接方法 | |
| CN103317130A (zh) | 一种制备永磁材料径向柱的模具及其使用方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |