CN202085387U - 功率射频耦合器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种功率射频耦合器：转换馈头和耦合环，转换馈头和耦合环钎焊连接。其中，转换馈头包括导体外环、导体内环、过渡环、电极组件、陶瓷管、导体外环法兰、活套法兰和固定法兰；导体内环通过过渡环与电极组件相连接；陶瓷管包括第一端口和第二端口，第一端口与电极组件采用真空氢焊的方式连接，第二端口与导体外环法兰采用真空氢焊的方式连接。本实用新型的同轴线馈头转换部分在保持高真空度的同时，兼具极低射频损耗的特性；并且，本实用新型实现了谐振腔的输入阻抗的快速、方便调节。

Description

功率射频耦合器

技术领域

本实用新型涉及射频加速器技术领域，尤其涉及高真空加速器腔的高脉冲功率的耦合馈送问题的研究。

背景技术

伴随着现代射频加速器的广泛运用，对其实际的加速腔的耦合结构的研究和设计也渐渐变得必要和普遍。

目前已有的射频功率耦合器的缺点体现在两个方面：第一、同轴线馈头转换部分结构简单，无法满足高真空的需要，且在调整耦合环角度的时候需拆卸调整，比较麻烦；第二、腔内耦合环部分所能承受的功率较低，通常在200KW以下。

实用新型内容

本实用新型提供了一种高真空高脉冲的功率射频耦合器。基于本实用新型的同轴线馈头转换部分可以很好的满足高真空的需要，且方便耦合环的更换。

本实用新型公开了一种功率射频耦合器，包括：转换馈头和耦合环，所述转换馈头和所述耦合环钎焊接连接；其中，所述转换馈头包括导体外环、导体内环、过渡环、电极组件、陶瓷管和导体外环法兰；所述导体内环通过所述过渡环与所述电极组件相连接；所述陶瓷管包括第一端口和第二端口，所述第一端口与所述电极组件采用真空氢焊的方式连接，所述第二端口与所述导体外环法兰采用真空氢焊的方式连接。

上述功率射频耦合器中，还包括活套法兰和固定法兰，所述导体外环法兰与所述固定法兰上的活套法兰盘连接；在所述导体外环法兰与所述固定法兰间还设置有密封圈。

上述功率射频耦合器中，所述耦合环为空心的铜管，双管并行，构成水冷循环环路，端口与所述转换馈头的水冷循环管钎焊连接。

相对于现有技术而言，本实用新型的同轴线馈头转换部分在保持高真空度的同时，兼具极低的射频损耗的特性；同时，由于其结构的优越性，实现了谐振腔的输入阻抗的快速、方便调节。另外，本实用新型的耦合环部分可根据实际需要塑形或更换，操作简单易行。

附图说明

图1为本实用新型功率射频耦合器实施例的结构示意图；

图2为在特定频率下的RFQ腔整体等效成一RLC并联回路的等效电路图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

由于腔体结构对高真空性(10^-5Pa量级)的要求，为了保护馈头刀口，应尽量少拆卸馈头或不拆卸馈头，但在调节耦合环与腔体之间阻抗匹配的时候，细调环节中需不断调整耦合环的偏置角度，综合以上要求，50欧姆同轴线转换馈头部分采用陶瓷管作为50欧姆同轴线与射频腔体之间的真空隔离，该陶瓷管5两端分别与50欧姆硬馈管的导体内环和导体外环进行焊接，导体内环又通过耦合环与导体外环连接。

实施例一

具体结构参照图1所示。参照图1，图1为本实用新型功率射频耦合器实施例的结构示意图，包括：转换馈头和耦合环，转换馈头和所述耦合环钎焊连接；其中，转换馈头包括导体外环1、导体内环2、过渡环3、电极组件4、陶瓷管5、导体外环法兰6、活套法兰7和固定法兰8。导体内环2通过过渡环3与电极组件4相连接；陶瓷管5包括第一端口和第二端口，第一端口与电极组件4采用真空氢焊的方式连接，第二端口与导体外环法兰6采用真空氢焊的方式连接。导体内环2又通过耦合环与导体外环1连接。

上述结构将陶瓷管作为50欧姆同轴线与射频腔体之间的真空隔离，保持了高真空度、又保证了极低的射频损耗。

实施例二

还可以对上述实施例1进行进一步的改进，该实施例中，该功率射频耦合器进一步包括活套法兰7和固定法兰8，导体外环法兰6与活套法兰7连接；在导体外环法兰6与固定法兰8之间还设置有密封圈9。

通过上述结构，该实施例除具有保持了高真空度、保证了极低的射频损耗的优点的同时，还可以实现谐振腔的输入阻抗的快速、方便调节。

实施例三

进一步的，实施例一和实施例二中的耦合环采用空心的铜管，双管并行，构成水冷循环环路，端口与转换馈头水冷循环管钎焊连接。该耦合环可根据实际需要塑形或更换，操作方便易行。

该水冷设计很好地解决了功率热耗散，使功率射频耦合器可以工作于更高的射频功率(≥200KW)，从而提供更高能量加速粒子。

也就是说，该实施例从水冷循环热耗散的角度，使该耦合器工作能在200kW以上的高脉冲功率情况正常工作而不发热变形，同时，也可以不用拆卸馈头或少拆卸馈头，调整腔内耦合环的具体形状，配合馈头部分偏置角度的调整，方便且快速地实现高功率高频电源与射频腔的阻抗匹配，提高了射频谐振腔工作的稳定性。

并且，本实用新型可以针对不同谐振频率的加速器腔，设计相对应的匹配耦合环结构，再与通用耦合器馈头部分钎焊即可，简便、实用性强。各型射频加速器都可以采用，并将在射频耦合器的功率馈送稳定性方面发挥重要作用。

下面，对本实用新型做进一步的详细说明。

1、耦合环的阻抗匹配设计

耦合环及与之相连的电极杆可以看作一个λ/4(λ为高频信号波长)谐振单元：每个单元中，电极杆之间具有电容，而电极杆通过支撑板和底板形成的电流回流路径具有电感，因此每个单元可以看作一个RLC回路。对于作为λ/4共振腔的RFQ(高频四极透镜直线加速器)腔，发射机的功率可以通过电场区的探针天线耦合馈入，也可以通过磁场区的磁耦合环馈入。由四杆型RFQ结构的特征可知，腔体内部电磁场的激励模式为四极场模式，电场主要分布在电极杆之间，而磁场主要分布在支撑板之间，外腔体腔壁附近电场和磁场均很弱，因此，采用磁耦合的耦合方式。

将在某一特定频率下的RFQ腔整体等效成一RLC并联回路，通过磁耦合环将高频机产生的功率馈送到RFQ加速器内，此时整个结构可以等效为图2所示的电路。其中，V_in为输入电压，L_C为耦合环自感，i₁为输入电流，M为耦合环与腔体的互感，L为腔体等效电感，C为腔体等效电容，i₂为腔体等效总电流，V为腔体等效电压，R_p为腔体并联等效电阻。

通过求解回路方程得到RFQ腔体的输入阻抗R_in，令其虚部为零，实部等于同轴线的特性阻抗R₀，即同轴线与加速器完全匹配(临界耦合)，得：

$M=\frac{\sqrt{{R_{0}R}_p/2}}{{\mathrm{\ω}}_0{Q}_0};$ $L_C=\frac{R_0}{{\mathrm{\ω}}_0{Q}_0}(1+{Q_0}^2\frac{{\mathrm{\ω}}^2-{{\mathrm{\ω}}_0}^2}{{{\mathrm{\ω}}_0}^2})$

其中，Q₀为加速器腔的固定品质因数，ω₀为加速器腔谐振角频率，ω为输入高频信号角频率。上两式即为达到理想匹配所要求互感M及自感L_C。不同频率对应不同值，而中子照相系统用RFQ腔固定运行于201.5MHz，可针对性地设计合适的耦合环：

首先，可以用德国三维电磁场运算软件CST计算出带有耦合装置的RFQ腔体的Q值及并联阻抗，然后得到M和L_C的计算值；然后，以上得到的计算值就是实际设计耦合环所要满足的值。对于实际耦合环的M和L_C，一般情况下，耦合环的尺寸相对于腔体来说要小得多，可直接将耦合环内杆其看做一无限长载流导线，求出其互感。由于RFQ实际的腔耗受加工、焊接等诸多因素的影响，其值与计算结果必然不同，耦合环的最终大小必须由试验来确定。

2、耦合环功率热耗散设计

设计腔内耦合环部分时，既要考虑到传输线与RFQ阻抗的匹配，同时也不能忽视耦合环的发热变形，采用空心铜管引入水循环解决功率热耗散。

利用同轴线中传输的功率和同轴线上电流之间的关系求得耦合环上的电流强度。在工作频率为201.5MHz，峰值功率为400KW的情况下，耦合环上的感生电动势的最大值及相对应的耦合环电流值为：

$U_{\max }=\sqrt{2R_0{P}_{\mathrm{coupler}}}=6324.6v$

I＝126.5A

实验中，假设选择实心耦合环的材料为铜，则可以得到耦合环上的功耗：

$P_{\mathrm{coupler}}=\frac{R_S}{2}\underset{A}{\∫\∫}{H}^2\mathrm{ds}\≈\frac{1}{2}\mathrm{\α}{R}_S{I}^2$

式中：α为耦合环的长度l₁与导线横截面的周长l₂的比值，α＝l₁/l₂；A表示耦合环的表面，R_S为耦合环的表面电阻，可通过下式求得

$R_S=\frac{1}{\mathrm{\σ\δ}}=\frac{1}{\mathrm{\σ}\sqrt{2/\mathrm{\σ}{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\ω}}}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\ω}}{2\mathrm{\σ}}}\≈4.9\×{10}^{-3}\mathrm{\Ω}$

这里σ，δ分别为铜的电导率和表面趋肤深度。耦合环的长度l₁＝320mm(图2，由于实际耦合环置于两支撑板之间，与初始设计有较大差异，导致耦合环实际长度变大)，最后可得耦合环的功耗

$P_{\mathrm{coupler}}=\frac{1}{2}\mathrm{\α}{R}_S{I}^2\≈\frac{12545.8}{l_2}=\frac{12545.8}{\mathrm{\πD}}\≈\frac{3993.4}{D}W$

采用的耦合环导线的横截面形状为圆形，且直径为D(单位为mm)。以上计算表明耦合环本身所消耗的功率与耦合环导线的直径成反比，即耦合环导线横截面越小，耦合环的功耗越大，因此更容易发热变形，从而改变耦合环的面积，影响耦合环的工作。另一方面，耦合环导线的横截面越大，耦合环在RFQ中所占的体积越大，势必对RFQ中高频电磁场分布的影响也越大。下面以耦合环导线中间的温升Δθ等于10℃为例来估算一下耦合环导线横截面的直径。假定耦合环仅在与同轴线接触的地方有热交换，那么

$P_{\mathrm{coupler}}t-2\mathrm{\λ\π}{(D/2)}^2\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂z}t=2\mathrm{\π}{(D/2)}^2{C}_1{\∫}_0^{l_2/2}\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂z}\mathrm{zdz}\≈0$

式中：C₁＝835.2J/(℃·m³)为铜的比热容；t＝1s为单位时间；λ＝393W//(℃·m)；

为温度梯度。最后可得

D≈46mm

显然，该直径远远超过了理想直径范围，或者说仅仅依靠腔内耦合环与馈头连接处的热交换，远远不能消耗掉RFQ腔高功率所引起的耦合环热效应。因此，选择空心铜管(外径Φ6/内径Φ5，即D＝6mm)构建腔内耦合环(20℃，201.5MHz时，铜的趋肤深度δ＝4.66×10^-6m)，

P_couplert＝C₂ρLtΔθ

式中：C₂＝1.0×10³J/(℃·m³)为水的比热容；ρ＝1.0×10³kg/m³，t＝1s为单位时间；取温升Δθ＝10℃，则

L≈0.057m³/h

而现有实验条件下，耦合环内水循环流量L最大可达0.127m³/h，故能很好地满足功率耗散要求。

以上对本实用新型所提供的一种功率射频耦合器进行详细介绍，本文中应用了具体实施例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (3)

1.一种功率射频耦合器，其特征在于，包括：转换馈头和耦合环，所述转换馈头和所述耦合环钎焊连接；其中，

所述转换馈头包括导体外环、导体内环、过渡环、电极组件、陶瓷管和导体外环法兰；

所述导体内环通过所述过渡环与所述电极组件相连接；

所述陶瓷管包括第一端口和第二端口，所述第一端口与所述电极组件采用真空氢焊的方式连接，所述第二端口与所述导体外环法兰采用真空氢焊的方式连接。

2.根据权利要求1所述的功率射频耦合器，其特征在于，还包括活套法兰和固定法兰，所述导体外环法兰与所述固定法兰上的活套法兰盘连接；在所述导体外环法兰与所述固定法兰间还设置有密封圈。

3.根据权利要求2所述的功率射频耦合器，其特征在于，所述耦合环为空心的铜管，双管并行，构成水冷循环环路，所述耦合环的端口与所述转换馈头钎焊连接。

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