專利名稱：一種單芯棒輪輻式超導(dǎo)加速腔及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種強(qiáng)流質(zhì)子加速腔，特別是關(guān)于一種針對最優(yōu)β (相對論速度)范圍為0.1 0.2，且能夠抑制二次電子倍增效應(yīng)的單芯棒輪輻式超導(dǎo)加速腔及其制造方法。
背景技術(shù)：
近年來，核能的利用在我國得到迅速發(fā)展，核能利用的安全性及核廢料處理等問題成為未來限制核能發(fā)展的主要問題。作為核能利用問題的解決方案之一的加速器驅(qū)動嬗變系統(tǒng)，主要由強(qiáng)流質(zhì)子直線加速器以及高通量靶組成。單芯棒輪輻式超導(dǎo)腔是強(qiáng)流質(zhì)子直線加速器的重要組成部分之一(如圖5 圖7所示)，尤其針對中低能段進(jìn)行加速。其主要優(yōu)勢在于分路阻抗高，在束流通過的路徑上沒有橫向作用場，以及可以獨立相位控制等，非常適合用于強(qiáng)流質(zhì)子直線加速器的低能段加速。從1989年首次提出單芯棒輪輻式超導(dǎo)腔的概念以來，經(jīng)過20多年的發(fā)展，該類型超導(dǎo)腔的應(yīng)用范疇、腔形優(yōu)化設(shè)計方法、制造加工工藝技術(shù)水平、超導(dǎo)腔后處理工藝水平、以及超導(dǎo)腔的性能等各方面都得到了顯著的提高。目前，由美國費米實驗室最新設(shè)計制造的單芯棒輪輻式超導(dǎo)腔，最大加速梯度可以達(dá)到23MV/m，遠(yuǎn)超過該能量段加速器的運行梯度要求。但是，單芯棒輪輻式超導(dǎo)腔仍存在較嚴(yán)重的問題。在2MV/m到十幾MV/m的較寬加速梯度范圍內(nèi)，存在嚴(yán)重的二次電子倍增效應(yīng)。而該類型超導(dǎo)腔的運行梯度一般選取7 10MV/m。二次電子倍增效應(yīng)會大量損耗微波能量，增大超導(dǎo)腔的負(fù)載，產(chǎn)生強(qiáng)烈的X射線輻射，造成加速器運行的不穩(wěn)定。該問題將會限制單芯棒輪輻式超導(dǎo)腔的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種針對最優(yōu)β (相對論速度)范圍為0.1
0.2，且適用于加速器驅(qū)動嬗變系統(tǒng)注入器的單芯棒輪輻式超導(dǎo)加速腔及其制造方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:一種單芯棒輪輻式超導(dǎo)加速腔，其特征在于:它包括一腔體，所述腔體由兩個形狀相同的半腔體焊接而成，所述腔體中心內(nèi)凹、外端鼓起，輪廓呈橢球形；所述腔體的中心內(nèi)凹處對稱設(shè)置有一對束管孔，兩所述束管孔內(nèi)分別焊接有一束管，兩所述束管的外側(cè)分別焊接有一與外接裝置連接的法蘭；與兩所述束管連線方向垂直，在所述腔體上對稱設(shè)置了一對芯棒孔，與兩所述芯棒孔間隔90°的所述腔體上對稱設(shè)置有一對清潔孔；兩所述芯棒孔內(nèi)焊接有一由兩半薄壁腔焊接而成的芯棒，所述芯棒的中間段呈直筒形，兩端呈對稱的漏斗形，兩所述漏斗形的端口處分別焊接在相應(yīng)的芯棒孔上；所述芯棒的中間段穿設(shè)并焊接有一中心束管，所述中心束管與兩端所述束管位于同一軸線上；兩清潔孔內(nèi)分別焊接有一清潔管，兩所述清潔管的外側(cè)分別焊接有一與外接裝置連接的法蘭。所述腔體、束管、芯棒、中心束管和清潔管均采用高純鈮材料制作而成。所述束管和清潔管連接的各所述法蘭均采用鈮鈦合金制作而成。
一種單芯棒輪輻式超導(dǎo)加速腔的制造方法，其包括以下步驟:1)采用RRR值大于300的高純鈮材料，通過沖壓模具制作出兩個半腔體和兩個半芯棒；2)用車床加工出兩個束管、一個中心束管、兩個清潔管、以及連接所述束管和清潔管的法蘭；3)用超聲清洗裝置，對經(jīng)步驟I)和步驟2)完成的零件進(jìn)行超聲清洗，清洗時間不少于40分鐘；4)采用氫氟酸、硝酸、磷酸按1:1:2體積比組成的混合酸，對步驟3)中完成的零件進(jìn)行化學(xué)清洗，化學(xué)清洗的酸液溫度控制在20°C以內(nèi)，清洗時間為10 40分鐘；5)用電阻率不小于18ΜΩ.cm的超純水清洗步驟4)中完成的零件，并在優(yōu)于1000級的超凈室中晾干；6)利用真空電子束焊機(jī)對經(jīng)步驟5)得到的零件進(jìn)行焊接，真空電子束焊機(jī)的工作電壓為60KV，工作電流為5 50mA ；7)制造完成。所述步驟6)中，焊接包括以下步驟:①將兩束管分別對應(yīng)焊接在兩半腔體內(nèi)凹處束管孔上；②將兩個半腔體焊接成完整的腔體；③將兩個半芯棒焊接成芯棒，并將中心束管穿入芯棒，且焊接成一體；④將焊接完成的芯棒通過芯棒孔穿入焊接完成的腔體，并焊接成一體將兩清潔管分別對應(yīng)焊接在腔體兩側(cè)的清潔孔上；⑥將對應(yīng)的法蘭分別焊接在兩清潔管和兩束管上。

本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點:1、本發(fā)明由于對腔體的形狀進(jìn)行了改變，腔體外周由圓柱形改為類橢球形，將腔體外圍表面電場極小值區(qū)域向腔體與芯棒連接處壓縮，由于二次電子倍增的穩(wěn)定振蕩軌道發(fā)生在電場強(qiáng)度極小值區(qū)域，腔體外圍產(chǎn)生的二次電子向芯棒方向移動，與發(fā)生在腔體外圍的二階及高階二次電子倍增效應(yīng)的二次電子向弱場區(qū)(清潔孔處)移動的特征行為相反，破壞了二階及高階二次電子倍增效應(yīng)的場強(qiáng)度諧振條件，從而抑制了二階及高階二次電子倍增效應(yīng)。2、本發(fā)明由于在芯棒的漏斗形的端部沒有設(shè)置導(dǎo)角，縮短了二次電子振蕩的軌道長度，破壞了一階二次電子倍增的相位諧振條件，從而抑制了在運行梯度范圍附近的一階二次電子倍增效應(yīng)，使二次電子倍增效應(yīng)在較低的加速梯度下發(fā)生，避開了加速器運行的梯度范圍，從而降低了二次電子倍增的強(qiáng)度，降低了超導(dǎo)腔高功率鍛煉的難度。3、本發(fā)明由于減少了加工零件的數(shù)量，簡化了制造加工的復(fù)雜程度和電子束焊接的次數(shù)，因此縮短制造工期并降低其造價，為加速器建造所需的大量超導(dǎo)腔批量生產(chǎn)打下基礎(chǔ)。


圖1是本發(fā)明立體結(jié)構(gòu)示意2是圖1的剖視側(cè)視示意3是本發(fā)明結(jié)構(gòu)分解示意4是本發(fā)明與已有技術(shù)在二次電子倍增效應(yīng)的原理性結(jié)果比較圖，橫坐標(biāo)為加速梯度(MV/m)，縱坐標(biāo)為二次電子增長率(每次碰撞)，“……”表示高價MP_目前已有的，
“---”表不聞價!^^本發(fā)明的,“———，，表不一階MP_目前已有的,“.....................................................”表不一階!^^本
發(fā)明的圖5是已有技術(shù)立體結(jié)構(gòu)示意6是圖5的剖視側(cè)視示意7是已有技術(shù)分解示意圖
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。如圖1 圖3所示，本發(fā)明裝置包括一腔體1，腔體I由兩個形狀完全相同的半腔體I焊接而成，腔體I中心內(nèi)凹、外端鼓起，輪廓為類橢球形。腔體I的中心內(nèi)凹處對稱設(shè)置有一對束管孔2，兩束管孔2內(nèi)分別焊接有一束管3，兩束管3的外側(cè)分別焊接有一法蘭(圖中未示出)，通過法蘭可以與外接裝置連接。與兩束管3的連線方向垂直的腔體上對稱設(shè)置了一對芯棒孔4，與兩芯棒孔4間隔90°的腔體I上對稱設(shè)置有一對清潔孔5。在兩芯棒孔4內(nèi)焊接有一由兩半薄壁腔焊接而成的芯棒6，芯棒6的中間段呈直筒形61，兩端呈對稱的漏斗形62，兩漏斗形62的端口處沒有設(shè)置導(dǎo)角，且分別對應(yīng)焊接在芯棒孔4上，使腔體I與芯棒6之間形成一加速腔。芯棒6的中間段穿設(shè)并焊接有一中心束管7，中心束管7與兩端束管3位于同一軸線上。兩清潔孔5內(nèi)分別焊接有一清潔管8，兩清潔管8的外側(cè)分別焊接有一法蘭(圖中未示出)，通過法蘭可以與外接裝置連接。上述實施例中，腔體1、束管3、芯棒6、中心束管7和清潔管8均采用高純鈮材料制作而成，考慮到密封性和對材料的硬度和韌性的要求，與束管3和清潔管8連接的各個法蘭采用鈮鈦合金制作而成。本發(fā)明內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且采用薄壁結(jié)構(gòu)，盡管本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比零件的數(shù)量有所減少，但是整個腔體仍需要拆解為多個零件，進(jìn)行單獨加工，再通過焊接組裝配合在一起形成完整的加速結(jié)構(gòu)。本發(fā)明采用超導(dǎo)材料，為了不影響超導(dǎo)材料的物性，以致影響超導(dǎo)腔的最終性能，需要對各部分的加工零件進(jìn)行超聲清洗和化學(xué)處理等操作。如圖3所示，本發(fā)明的制造方法包括以下步驟:I)采用RRR (剩余電阻率比值，表征材料的純度，對于制造超導(dǎo)腔的鈮材，一般鈮材的RRR值約為40，高純鈮材的要求為RRR>300)值大于300的高純鈮材料，通過沖壓模具制作出兩個半腔體I和兩個半芯棒6 ；2)用車床加工出兩個束管3、一個中心束管7、兩個清潔管8、以及連接束管3和清潔管8的法蘭；3)用超聲清洗裝置，對經(jīng)步驟I)和步驟2)完成的零件進(jìn)行超聲清洗，清洗時間不少于40分鐘；4)采用氫氟酸、硝酸、磷酸按1:1:2體積比組成的混合酸，對步驟3)中完成的零件進(jìn)行化學(xué)清洗；化學(xué)清洗的酸液溫度控制在20°C以內(nèi)，清洗時間為10 40分鐘；5)用電阻率不小于18ΜΩ.Cm的超純水清洗步驟4)中完成的零件，并在優(yōu)于1000級的超凈室中晾干；6)利用真空電子束焊機(jī)對經(jīng)步驟5)得到的零件進(jìn)行焊接，真空電子束焊機(jī)的工作電壓為60KV，工作電流為5 50mA ;焊接包括以下步驟:①將兩束管3分別對應(yīng)焊接在兩半腔體I內(nèi)凹處束管孔2上；②將兩個半腔體I焊接成完整的腔體I ;③將兩個半芯棒6焊接成芯棒6，并將中心束管7穿入芯棒6，且焊接成一體；④將焊接完成的芯棒6通過芯棒孔4穿入焊接完成的腔體I,并焊接成一體；⑤將兩清潔管8分別對應(yīng)焊接在腔體I兩側(cè)的清潔孔5上；⑥將對應(yīng)的法蘭分別焊接在兩清潔管8和兩束管3上；
7)制造完成。上述制造方法涉及機(jī)械加工、沖壓成形、真空電子束焊接、超聲清洗、化學(xué)處理等工藝，并且需要配合加工零件的微波性能測量進(jìn)行加工件質(zhì)量控制。如圖4所示，采用本發(fā)明方法制作的本發(fā)明裝置在實際使用中，與已有技術(shù)(如圖5 7)相比具有特別突出的效果，本發(fā)明不僅降低一階及更高價的二次電子增長率，而且減少它們二次電子倍增效應(yīng)所發(fā)生的加速梯度范圍。上述各實施例僅用于說明本發(fā)明，其中各部件的結(jié)構(gòu)、連接方式等都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn)，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。
權(quán)利要求
1.一種單芯棒輪輻式超導(dǎo)加速腔，其特征在于:它包括一腔體，所述腔體由兩個形狀相同的半腔體焊接而成，所述腔體中心內(nèi)凹、外端鼓起，輪廓呈橢球形；所述腔體的中心內(nèi)凹處對稱設(shè)置有一對束管孔，兩所述束管孔內(nèi)分別焊接有一束管，兩所述束管的外側(cè)分別焊接有一與外接裝置連接的法蘭；與兩所述束管連線方向垂直，在所述腔體上對稱設(shè)置了一對芯棒孔，與兩所述芯棒孔間隔90°的所述腔體上對稱設(shè)置有一對清潔孔；兩所述芯棒孔內(nèi)焊接有一由兩半薄壁腔焊接而成的芯棒，所述芯棒的中間段呈直筒形，兩端呈對稱的漏斗形，兩所述漏斗形的端口處分別焊接在相應(yīng)的芯棒孔上；所述芯棒的中間段穿設(shè)并焊接有一中心束管，所述中心束管與兩端所述束管位于同一軸線上；兩清潔孔內(nèi)分別焊接有一清潔管，兩所述清潔管的外側(cè)分別焊接有一與外接裝置連接的法蘭。
2.如權(quán)利要求1所述的一種單芯棒輪輻式超導(dǎo)加速腔，其特征在于:所述腔體、束管、芯棒、中心束管和清潔管均采用高純鈮材料制作而成。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種單芯棒輪輻式超導(dǎo)加速腔，其特征在于:所述束管和清潔管連接的各所述法蘭均采用鈮鈦合金制作而成。
4.一種如權(quán)利要求1或2或3所述的單芯棒輪輻式超導(dǎo)加速腔的制造方法，其包括以下步驟: O采用RRR值大于300的高純鈮材料，通過沖壓模具制作出兩個半腔體和兩個半芯棒; 2)用車床加工出兩個束管、一個中心束管、兩個清潔管、以及連接所述束管和清潔管的法蘭； 3)用超聲清洗裝置，對經(jīng)步驟I)和步驟2)完成的零件進(jìn)行超聲清洗，清洗時間不少于40分鐘； 4)采用氫氟酸、硝酸、磷酸按1:1:2體積比組成的混合酸，對步驟3)中完成的零件進(jìn)行化學(xué)清洗，化學(xué)清洗的酸液溫度控制在20°C以內(nèi)，清洗時間為10 40分鐘； 5)用電阻率不小于18ΜΩ.cm的超純水清洗步驟4)中完成的零件，并在優(yōu)于1000級的超凈室中晾干； 6)利用真空電子束焊機(jī)對經(jīng)步驟5)得到的零件進(jìn)行焊接，真空電子束焊機(jī)的工作電壓為60KV，工作電流為5 50mA ； 7 )制造完成。
5.如權(quán)利要求4所述的一種單芯棒輪輻式超導(dǎo)加速腔的制造方法，其特征在于:所述步驟6)中，焊接包括以下步驟: ①將兩束管分別對應(yīng)焊接在兩半腔體內(nèi)凹處束管孔上； ②將兩個半腔體焊接成完整的腔體； ③將兩個半芯棒焊接成芯棒，并將中心束管穿入芯棒，且焊接成一體； ④將焊接完成的芯棒通過芯棒孔穿入焊接完成的腔體，并焊接成一體； ⑤將兩清潔管分別對應(yīng)焊接在腔體兩側(cè)的清潔孔上； ⑥將對應(yīng)的法蘭分別焊接在兩清潔管和兩束管上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種最優(yōu)β范圍為0.1～0.2的單芯棒輪輻式超導(dǎo)加速腔及其制造方法，包括一腔體，腔體由兩個形狀相同的半腔體焊接而成，腔體輪廓呈類橢球形；腔體的中心對稱設(shè)置有一對束管孔，兩束管孔內(nèi)分別焊接有一束管，兩束管的外側(cè)分別焊接有一法蘭；與兩束管連線方向垂直，在腔體上對稱設(shè)置了一對芯棒孔，與兩芯棒孔間隔90°的腔體上對稱設(shè)置有一對清潔孔；兩芯棒孔內(nèi)焊接有一由兩半薄壁腔焊接而成的芯棒，芯棒的中間段呈直筒形，兩端呈對稱的漏斗形，兩漏斗形的端口處分別焊接在相應(yīng)的芯棒孔上；芯棒的中間段穿設(shè)并焊接有一中心束管，中心束管與兩端束管位于同一軸線上；兩清潔孔內(nèi)分別焊接有一清潔管，兩清潔管的外側(cè)分別焊接有一與外接裝置連接的法蘭。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于加速器驅(qū)動嬗變系統(tǒng)的注入器中。
文檔編號H05H9/00GK103167718SQ20131006125
公開日2013年6月19日 申請日期2013年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月27日
發(fā)明者魯向陽, 姚中元, 周奎, 楊柳, 楊自欽 申請人:北京大學(xué)