本發(fā)明屬于回旋加速器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種回旋加速器諧振腔可調(diào)電感耦合匹配方法和裝置。

背景技術(shù)：

回旋加速器在科學研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生物醫(yī)學等各個領(lǐng)域的應用越來越廣，在同位素生產(chǎn)以及診斷、質(zhì)子治療、高能物理、核物理、材料科學、化學、生物學等科研領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著回旋加速器研究的要求日益提高，超導回旋加速器結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)越、經(jīng)濟的特點得到重視?；匦铀倨鞯闹饕δ苁窃诖艌龅膶蛳?利用高頻電場把質(zhì)子加速到高能量。

回旋加速器虛擬樣機高頻系統(tǒng)設計的關(guān)鍵部分是諧振腔的設計，它的固有振蕩頻率不僅影響到與高頻發(fā)射機的整機匹配，也決定了加速電場的變化頻率，必須與離子的旋轉(zhuǎn)頻率同步，諧振腔的頻率也會因腔體損耗發(fā)熱等引起物理形狀的變化而變化。

耦合裝置作為連接加速器高頻系統(tǒng)兩大子系統(tǒng)——發(fā)射機和腔體的關(guān)鍵設備，對高頻系統(tǒng)的安全、可靠的運行起著非常重要的作用。耦合裝置的主要作用是將發(fā)射機輸出的高頻功率饋送到腔體，以產(chǎn)生加速離子所需要的高頻電場。

為了有效地將發(fā)射機輸出的高頻功率饋送入腔體，耦合系統(tǒng)還擔負著另一個重要任務，即阻抗變換的作用：由于發(fā)射機有可能遠離腔體，高頻功率常常需要通過較長的傳輸線輸送到腔體。一般來說，腔體是一個高阻裝置，而傳輸線一般是標準傳輸系統(tǒng)，即特性阻抗為50歐姆的傳輸線(低頻)，所以必須進行阻抗變換，即將腔體變換為50歐姆的阻抗，以便和傳輸系統(tǒng)匹配，從而得到最大功率傳輸條件。耦合的方式很多，在質(zhì)子加速器中常用的主要是感性耦合(耦合環(huán)耦合)和容性耦合(電容耦合)兩種方式；耦合部件的存在，會使諧振腔體內(nèi)電磁場的分布受到影響，從而會導致諧振頻率的變化。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種回旋加速器諧振腔可調(diào)電感耦合匹配方法和裝置，用于將高頻源功率饋入到加速器諧振腔體內(nèi)，形成離子高頻加速電場，保證了在加速器結(jié)構(gòu)緊湊的情況下，耦合匹配裝置沒有占用額外的空間，而是利用諧振腔內(nèi)桿中空間隙，實現(xiàn)可調(diào)耦合匹配。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種回旋加速器諧振腔可調(diào)電感耦合匹配方法，該匹配方法包括下述步驟：

1)根據(jù)諧振腔物理設計分析，計算出耦合環(huán)的安裝位置和有效面積；

2)在諧振腔內(nèi)桿上開口安裝耦合環(huán)，并從內(nèi)桿伸出；

3)將同軸波導外導體與諧振腔內(nèi)桿連接，將同軸波導內(nèi)導體與耦合環(huán)電接觸；

4)使用矢量網(wǎng)絡分析儀調(diào)節(jié)耦合匹配，矢量網(wǎng)絡分析儀一端接在饋線輸入端，測量反射系數(shù)S11，若S11>-25dB，觀察矢量網(wǎng)絡分析儀阻抗圓圖，若匹配點不在阻抗圓圖內(nèi)部，耦合環(huán)向外水平移動；若匹配點在阻抗圓圖內(nèi)部，耦合環(huán)向內(nèi)水平移動，當阻抗圓圖過匹配點時，停止水平移動耦合環(huán)，同時觀察S11的變化，當S11<-25dB時，這時耦合達到匹配狀態(tài)。

所述同軸波導內(nèi)導體與變徑結(jié)構(gòu)上端固定連接，變徑結(jié)構(gòu)下端與耦合環(huán)電接觸，實現(xiàn)內(nèi)桿與耦合環(huán)的良好電接觸，阻抗平滑過度，反射系數(shù)小。

所述耦合環(huán)通過水平移動結(jié)構(gòu)安裝在內(nèi)桿上，使耦合環(huán)左右滑動，改變耦合環(huán)的面積，同時確保耦合環(huán)上端與同軸波導內(nèi)導體電接觸良好，耦合環(huán)下端與諧振腔內(nèi)桿電接觸良好。

一種回旋加速器諧振腔可調(diào)電感耦合匹配裝置，該裝置包括貫穿諧振腔的內(nèi)桿，該內(nèi)桿上端與同軸波導外導體連接；諧振腔內(nèi)，內(nèi)桿上端部伸出有耦合環(huán)，所述耦合環(huán)環(huán)平面與磁場線正交，耦合環(huán)在強磁場區(qū)與諧振腔耦合，耦合環(huán)一端與同軸波導內(nèi)導體電接觸，另一端與內(nèi)桿電接觸形成能量耦合。

所述耦合環(huán)采用水平移動結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)饋線與諧振腔的耦合匹配。

所述水平移動結(jié)構(gòu)為U型耦合環(huán)，與同軸波導內(nèi)導體接觸端，垂直方向開階梯型槽，增大耦合環(huán)與內(nèi)導體接觸面積，增強耦合環(huán)上端與同軸波導內(nèi)導體電接觸性能；耦合環(huán)下端嵌在諧振腔內(nèi)桿上，確保與諧振腔內(nèi)桿電接觸良好；U型耦合環(huán)與同軸波導內(nèi)導體接觸端，垂直方向開的階梯型槽沿著水平方向延伸，保證耦合環(huán)左右滑動，改變耦合環(huán)的面積；

所述饋線與諧振腔內(nèi)桿一體化設計；所述同軸波導外導體與加速器諧振腔內(nèi)桿尺寸一致，內(nèi)桿與外導體相連接；所述同軸波導內(nèi)導體伸入內(nèi)桿，并通過變徑結(jié)構(gòu)頂端與耦合環(huán)上端面電接觸。

所述耦合環(huán)水平移動調(diào)節(jié)耦合環(huán)突出內(nèi)桿的面積，改變耦合量使得腔體與同軸波導50歐阻抗匹配。

所述的耦合環(huán)伸出在諧振腔強磁場區(qū)，位于內(nèi)桿頂端位置。

所述變徑結(jié)構(gòu)為圓臺型，由同軸波導內(nèi)導體平滑過渡到與耦合環(huán)寬度一致的尺寸，圓臺前端采用階梯型嵌在U型耦合環(huán)內(nèi)，增大與耦合環(huán)的接觸面，實現(xiàn)內(nèi)導體與耦合環(huán)電接觸良好。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明通過耦合環(huán)從加速器諧振腔內(nèi)桿伸出，放置在強磁場區(qū)域，并讓環(huán)平面與磁場線正交，流經(jīng)環(huán)的電流可以激勵起諧振腔內(nèi)的磁場，達到饋送能量進入腔體的目的，通過水平移動調(diào)節(jié)耦合環(huán)，改變了耦合環(huán)的面積，調(diào)節(jié)耦合磁通量，實現(xiàn)饋線與腔體的匹配，避免失配，引起大功率反射，損壞傳輸波導；同時饋線與諧振腔內(nèi)桿一體化設計，結(jié)構(gòu)緊湊，同軸波導饋線內(nèi)導體通過變徑結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)內(nèi)導體與耦合環(huán)的良好電接觸，阻抗的平滑過度。

附圖說明

為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。

圖1為本發(fā)明可調(diào)電感耦合環(huán)總體裝置結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明可調(diào)電感耦合環(huán)原理示意圖；

圖3為本發(fā)明諧振腔耦合匹配原理示意圖；

圖中：1-同軸波導；2-同軸波導與內(nèi)桿連接處；3-短路板；4-耦合環(huán)；5-DEE；6-探針；7-諧振腔；8-內(nèi)桿。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

一種回旋加速器諧振腔可調(diào)電感耦合匹配裝置，參見圖1，包括貫穿諧振腔7的內(nèi)桿8，該內(nèi)桿8上端與同軸波導1連接；短路板3，連接內(nèi)桿8和諧振腔7，上下滑動短路板改變諧振腔7的高度；諧振腔7內(nèi)，短路板3下端部伸出探針6，與諧振腔7耦合反饋信號給控制系統(tǒng)；諧振腔7內(nèi)，內(nèi)桿8上端部伸出有耦合環(huán)4，耦合環(huán)4在強磁場區(qū)與諧振腔7耦合，耦合環(huán)4一端與同軸波導1內(nèi)導體電接觸，另一端與內(nèi)桿8電接觸形成能量耦合；

水平移動結(jié)構(gòu)為U型耦合環(huán)，與同軸波導內(nèi)導體接觸端，垂直方向開階梯型槽，增大耦合環(huán)與內(nèi)導體接觸面積，確保耦合環(huán)上端與同軸波導內(nèi)導體電接觸良好；耦合環(huán)下端嵌在諧振腔內(nèi)桿上，與諧振腔內(nèi)桿電接觸良好；U型耦合環(huán)與同軸波導內(nèi)導體接觸端，垂直方向開的階梯型槽沿著水平方向延伸，保證耦合環(huán)左右滑動，改變耦合環(huán)的面積；

變徑結(jié)構(gòu)為圓臺型，由同軸波導內(nèi)導體平滑過渡到與耦合環(huán)寬度一致的尺寸，圓臺前端采用階梯型嵌在U型耦合環(huán)內(nèi)，增大與耦合環(huán)的接觸面，實現(xiàn)內(nèi)導體與耦合環(huán)電接觸良好。

參見圖1、圖2，一種回旋加速器諧振腔可調(diào)電感耦合匹配方法，該方法包括：將耦合環(huán)4與加速器諧振腔7的內(nèi)桿8相結(jié)合，并從加速器諧振腔內(nèi)桿8伸出，放置在強磁場區(qū)域，并讓耦合環(huán)環(huán)平面與磁場線正交，流經(jīng)耦合環(huán)的電流可以激勵起諧振腔7內(nèi)的磁場，達到饋送能量進入腔體的目的；耦合環(huán)4一端與同軸波導1內(nèi)導體電接觸，另一端與內(nèi)桿8電接觸形成能量耦合；耦合環(huán)4采用水平移動結(jié)構(gòu)，用于調(diào)節(jié)耦合環(huán)突出內(nèi)桿的面積，改變耦合量，使得諧振腔與同軸波導50歐阻抗匹配，達到最大功率饋入諧振腔；微波能量饋線同軸波導1與諧振腔內(nèi)桿8一體化設計，同軸波導1外導體與加速器諧振腔內(nèi)桿8尺寸一致，內(nèi)桿與外導體是連接在一起的，同軸波導1內(nèi)導體伸入內(nèi)桿8，并通過變徑結(jié)構(gòu)頂端與耦合環(huán)上端面電接觸。同軸波導內(nèi)導體變徑結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)內(nèi)桿與耦合環(huán)的良好電接觸，阻抗平滑過度，反射系數(shù)小。

耦合環(huán)本身必須足夠小，在不影響諧振腔諧振頻率和電磁場分布的情況下，實現(xiàn)耦合的效果，這基本決定了耦合環(huán)的尺寸。感性耦合系統(tǒng)的等效電路，如圖3所示，L、C、R代表諧振腔的等效并聯(lián)集總參數(shù)原件，這些電參數(shù)不能直接計算出來。耦合環(huán)等效線圈匝數(shù)比n與耦合環(huán)幾何參數(shù)之間的關(guān)系：

式中，φt、φc分別代表通過耦合環(huán)口所在平面和耦合環(huán)的有效磁通量的大小，Ht、Hc分別代表耦合環(huán)所在平面和耦合環(huán)面對應的平均磁場強度大小，St、Sc分別代表真空室內(nèi)耦合環(huán)所在平面和耦合環(huán)有效部分的面積大小。

利用負載和傳輸線特性阻抗共軛匹配的條件，可得到：

R＝n²Z₀

結(jié)合上面兩式，耦合環(huán)幾何參數(shù)與電參數(shù)之間的關(guān)系為

$\frac{S_c}{S_t}=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{H_t}}{\stackrel{\&OverBar;}{H_c}}\sqrt{\frac{Z_0}{R}}$

等式右邊是一個比值，與耦合端口處輸入的高頻信號功率大小無關(guān)，可以借助于本征值求解器計算耦合環(huán)位置處的磁場強度大小，即可求出耦合環(huán)的有效面積Sc。

本發(fā)明的實施方法和步驟主要如下：

1)首先根據(jù)諧振腔物理設計分析，計算出耦合環(huán)的位置和有效面積；

2)在內(nèi)桿上開口安裝耦合環(huán)，使耦合環(huán)水平移動調(diào)節(jié)時，耦合環(huán)上端不與內(nèi)桿電接觸，下端與內(nèi)桿電接觸良好；

3)同軸波導內(nèi)導體與變徑結(jié)構(gòu)上端固定連接，變徑結(jié)構(gòu)下端與耦合環(huán)電接觸，耦合環(huán)水平調(diào)節(jié)時，電接觸依然良好；同軸線外導體與諧振腔內(nèi)桿連接；

4)可調(diào)耦合匹配裝置整體安裝固定后，使用矢量網(wǎng)絡分析儀調(diào)節(jié)耦合匹配，矢量網(wǎng)絡分析儀一端接在饋線輸入端，測量反射系數(shù)S11，若S11>-25dB,觀察矢量網(wǎng)絡分析儀阻抗圓圖，若匹配點不在阻抗圓圖內(nèi)部，耦合環(huán)向外水平移動；若匹配點在阻抗圓圖內(nèi)部，耦合環(huán)向內(nèi)水平移動，當阻抗圓圖過匹配點時，停止水平移動耦合環(huán)，同時觀察S11的變化，當S11<-25dB時，這時耦合達到匹配狀態(tài)。

以上內(nèi)容僅僅是對本發(fā)明結(jié)構(gòu)所作的舉例和說明，所屬本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，只要不偏離發(fā)明的結(jié)構(gòu)或者超越本權(quán)利要求書所定義的范圍，均應屬于本發(fā)明的保護范圍。