一种无液氦射频超导加速器制造技术

本发明专利技术涉及一种无液氦射频超导加速器，其带电粒子束流经注入系统产生和引出，经束流传输系统被引入到加速模组，功率源系统向加速模组提供射频功率，低电平与控制系统监测运行、维持超导腔内的电磁场幅度和相位稳定，带电粒子在加速模组内得到加速后，再经束流传输系统被引入应用终端。本发明专利技术通过固体传导的方式对超导腔进行冷却，使超导腔在低温下稳定运行，加速带电粒子束流，摆脱当前射频超导加速腔只能浸泡在液氦里的冷却方式，省去结构复杂的液氦浸泡冷却恒温器和造价昂贵占地规模大的液氦低温站，价格便宜、占地面积小、结构简单、布局紧凑、运维方便等优点，能够显著降低射频超导加速器的应用难度，大大拓展射频超导加速器的应用范围。的应用范围。的应用范围。

【技术实现步骤摘要】
一种无液氦射频超导加速器


[0001]本专利技术涉及一种超导加速器，特别是关于一种基于固体传导冷却的无液氦射频超导加速器，属于超导


技术介绍

[0002]带电粒子加速器是高能物理、原子分子物理、生命及材料科学、核物理及放射性核素研究等领域不可缺少的研究手段。得益于射频超导加速腔(超导腔)极低的表面电阻，与常温加速器相比，超导加速器具有可工作于高占空比甚至连续波模式的优点，射频超导是现代粒子加速器的核心技术之一。
[0003]超导腔是超导加速器的核心加速部件。当前，超导腔主要采用低温超导材料金属铌制造，需浸泡在温度为2K
‑
4K的液氦里实现冷却。但是，液氦浸泡冷却方式导致制冷系统结构复杂，造价高昂，且需要高度专业的低温制冷运行与维护团队，这严重制约了当前以纯铌超导腔为核心的超导加速器的应用范围。因此，如何摆脱液氦束缚是降低超导加速器复杂程度、运维难度以及拓展超导加速器应用范围的关键。
[0004]一方面，具有高超导转变温度(T
c
)及高过热磁场的Nb3Sn、MgB2、NbN、NbTiN、铁基超导体等射频超导材料，在4.2K甚至更高温度下的射频性能可达到铌基超导腔2K下的水平；另一方面，当前的工业制冷机在4.2K低温下的制冷功率已达到2W，且其制冷功率随温度的提高而增大，具备通过固体传导的冷却方式驱动基于Nb3Sn、MgB2、NbN、NbTiN、铁基超导体等高温超导材料的超导腔稳定工作的能力。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种基于固体传导冷却的无液氦射频超导加速器，以摆脱传统超导腔必须浸泡在液氦里冷却的工作方式，降低射频超导技术的应用难度。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种无液氦射频超导加速器，包括带电粒子注入系统、束流传输系统、加速模组系统、功率源系统、低电平与控制系统和应用终端；其中，所述加速模组系统的输入端和输出端分别通过所述束流传输系统连接所述带电粒子注入系统的输出端和所述应用终端的输入端；所述带电粒子注入系统被配置为产生特定能量、特定种类、特定流强、特定参数的带电粒子束流；所述束流传输系统被配置为引导从所述带电粒子注入系统引出的带电粒子束流进入所述加速模组系统的超导腔被加速，以及引导从所述加速模组系统的超导腔引出的被加速的带电粒子束流按照指定的轨迹传输到所述应用终端；所述功率源系统与所述加速模组系统的超导腔连接，所述功率源系统被配置为向所述加速模组系统的超导腔提供射频功率，以在所述超导腔内建立射频电磁场，使带电粒子束流在所述超导腔内受电磁场作用而被加速；所述低电平与控制系统分别与所述带电粒子注入系统、束流传输系统、加速模组系统和应用终端电连接，所述低电平与控制系统被配置为通过采集加速器的温度、真空度、射频、束流位置、束流能量、束流发射度信号
并进行处理，以监测加速器的运行状态，维持所述超导腔内的电磁场幅度和相位稳定。
[0007]所述的无液氦射频超导加速器，优选地，所述加速模组系统包括：超导腔，被配置成给带电粒子束流提供能量；低温单元，被配置成向所述超导腔提供所需的低温环境；真空单元，与所述超导腔连接，所述真空单元被配置成向所述超导腔提供运行所需的腔体真空环境与夹层真空环境。
[0008]所述的无液氦射频超导加速器，优选地，所述功率源系统包括功率源和耦合器，所述耦合器与所述超导腔的耦合口连接，所述耦合器被配置为将所述功率源输出的射频功率馈入所述超导腔。
[0009]所述的无液氦射频超导加速器，优选地，所述束流传输系统包括束流管道、磁铁元件以及束流诊断元件，所述束流管道采用不锈钢加工而成并与所述加速模组系统的管道对接，所述束流管道抽真空，且真空度低于1e
‑
5Pa，所述束流管道的连接处全部采用金属密封保证高真空；所述束流管道上布置有测量带电粒子束流位置、能量、流强、发射度的束流诊断元件，所述束流管道上还布置有用于带电粒子束流偏转的二极磁铁，和/或用于带电粒子束流聚焦的螺线管和四极磁铁，和/或用于消色散的六极磁铁，和/或用于辐照所需的扫描磁铁，以及根据应用需求所需的其他磁铁元件。
[0010]所述的无液氦射频超导加速器，优选地，所述带电粒子注入系统产生的带电粒子包括电子、质子或碳离子等。
[0011]所述的无液氦射频超导加速器，优选地，所述低温单元包括：冷屏，罩设在所述超导腔的外部，所述冷屏被配制成降低所述超导腔的静态热损；磁屏蔽层，布置在所述冷屏和超导腔之间的空间内，所述磁屏蔽层被配制成屏蔽地球环境磁场，减小所述超导腔的磁通俘获；导冷块，多组所述导冷块布置在所述超导腔的发热区域，且所述导冷块的内表面与所述超导腔的外表面贴合；二级冷板，设置在所述导冷块的上方，且所述二级冷板的一侧通过柔性冷链分别与多组所述导冷块连接；制冷机，至少一台所述制冷机设置在所述二级冷板的上方，且所述制冷机的二级冷头通过柔性冷链与所述二级冷板的另一侧连接。
[0012]所述的无液氦射频超导加速器，优选地，所述导冷块为对半抱箍形式，所述导冷块的对半抱箍均通过螺钉螺母紧固相连；同时，在所述导冷块与超导腔的接触界面上以及对半抱箍连接处均布置有铟片；在所述超导腔的发热区域外表面、导冷块、二级冷板和二级冷头上均布置有温度传感器，用于监控所述超导腔的温度变化；同时，在所述二级冷头上布置有高精度加热器，用于配合温控仪和温度传感器，实现在30
‑
15K之间降温速率平稳且在1min/K
‑
5min/K之间连续可调的条件，且确保所述超导腔在轴线方向的温度梯度≤0.025K/cm；在所述超导腔的外表面布置有磁通门探头，所述磁通门探头需能够准确测量≤10mGs的磁场强度，用以剩磁测量及监测。
[0013]所述的无液氦射频超导加速器，优选地，所述真空单元包括：真空罩，罩设在所述冷屏的外部，所述真空罩被配置成在所述真空罩与所述超导腔之间形成用于降低静态热损的夹层真空环境；真空管路，两组所述真空管路的一端通过真空角阀分别与所述超导腔的两束流管道连接，两组所述真空管路的另一端穿出所述真空罩后与真空泵组连接，以在所述超导腔和真空管路所组成的超导腔
‑
管道系统内形成用于带电粒子加速的腔体真空环境。
[0014]所述的无液氦射频超导加速器，优选地，所述真空罩采用不锈钢材质，内外表面采
用抛光处理；所述真空罩的顶部具有所述制冷机的对接口，侧面具有所述真空管路的对接口，底部具有所述耦合器的对接口；所述真空罩上留有温度传感器穿墙件，用于所述温度传感器的数据线对接；所述真空罩上留有磁探头传感器穿墙件，用于所述磁通门探头的数据线对接；所述真空罩预留回填口，用于高纯氮气充气恢复真空和管道清洗。
[0015]所述的无液氦射频超导加速器，优选地，还包括设置在所述真空罩顶部的减震器，所述制冷机设置在所述减震器上；同时，通过所述制冷机的二级冷头与所述超导腔之间的柔性冷链有效隔阻所述制冷机的震动向所述超导腔传递；所述超导腔通过无磁材料制作的支本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无液氦射频超导加速器，其特征在于，包括带电粒子注入系统(10)、束流传输系统(20)、加速模组系统(30)、功率源系统(40)、低电平与控制系统(50)和应用终端(60)；其中，所述加速模组系统(30)的输入端和输出端分别通过所述束流传输系统(20)连接所述带电粒子注入系统(10)的输出端和所述应用终端(60)的输入端；所述带电粒子注入系统(10)被配置为产生特定能量、特定种类、特定流强、特定参数的带电粒子束流；所述束流传输系统(20)被配置为引导从所述带电粒子注入系统(10)引出的带电粒子束流进入所述加速模组系统(30)的超导腔被加速，以及引导从所述加速模组系统(30)的超导腔引出的被加速的带电粒子束流按照指定的轨迹传输到所述应用终端(60)；所述功率源系统(40)与所述加速模组系统(30)的超导腔连接，所述功率源系统(40)被配置为向所述加速模组系统(30)的超导腔提供射频功率，以在所述超导腔内建立射频电磁场，使带电粒子束流在所述超导腔内受电磁场作用而被加速；所述低电平与控制系统(50)分别与所述带电粒子注入系统(10)、束流传输系统(20)、加速模组系统(30)和应用终端(60)电连接，所述低电平与控制系统(50)被配置为通过采集加速器的温度、真空度、射频、束流位置、束流能量、束流发射度信号并进行处理，以监测加速器的运行状态，维持所述超导腔内的电磁场幅度和相位稳定。2.根据权利要求1所述的无液氦射频超导加速器，其特征在于，所述加速模组系统(30)包括：超导腔(1)，被配置成给带电粒子束流提供能量；低温单元(2)，被配置成向所述超导腔(1)提供所需的低温环境；真空单元(3)，与所述超导腔(1)连接，所述真空单元(3)被配置成向所述超导腔(1)提供运行所需的腔体真空环境与夹层真空环境。3.根据权利要求2所述的无液氦射频超导加速器，其特征在于，所述功率源系统(40)包括功率源和耦合器(4)，所述耦合器(4)与所述超导腔(1)的耦合口连接，所述耦合器(4)被配置为将所述功率源输出的射频功率馈入所述超导腔(1)。4.根据权利要求2所述的无液氦射频超导加速器，其特征在于，所述束流传输系统(20)包括束流管道、磁铁元件以及束流诊断元件，所述束流管道采用不锈钢加工而成并与所述加速模组系统(30)的管道对接，所述束流管道抽真空，且真空度低于1e
‑
5Pa，所述束流管道的连接处全部采用金属密封保证高真空；所述束流管道上布置有测量带电粒子束流位置、能量、流强、发射度的束流诊断元件，所述束流管道上还布置有用于带电粒子束流偏转的二极磁铁，和/或用于带电粒子束流聚焦的螺线管和四极磁铁，和/或用于消色散的六极磁铁，和/或用于辐照所需的扫描磁铁。5.根据权利要求1所述的无液氦射频超导加速器，其特征在于，所述带电粒子注入系统(10)产生的带电粒子包括电子、质子或碳离子。6.根据权利要求1所述的无液氦射频超导加速器，其特征在于，所述低温单元(2)包括：冷屏(2
‑
1)，罩设在所述超导腔(1)的外部，所述冷屏(2
‑
1)被配制成降低所述超导腔(1)的静态热损；磁屏蔽层，布置在所述冷屏(2
‑
1)和超导腔(1)之间的空间内，所述磁屏蔽层被配制成屏蔽地球环境磁场，减小所述超导腔(1)的磁通俘获；
导冷块(2
‑
2)，多组所述导冷块(2
‑
2)布置在所述超导腔(1)的发热区域，且所述导冷块(2
‑
2)的内表面与所述超导腔(1)的外表面贴合；二级冷板(2
‑
3)，设置在所述导冷块(2
‑
2)的上方，且所述二级冷板(2
‑
3)的一侧通过柔性冷链(2
‑
4)分别与多组所述导冷块(2
‑
2)连接；制冷机(2
‑
5)，至少一台所述制冷机(2
‑
5)设置在所述二级冷...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨自钦，何源，蒋天才，白峰，王志军，郭浩，徐孟鑫，张升学，刘鲁北，陈伟龙，皇世春，吴安东，初青伟，张军辉，谭腾，张生虎，
申请(专利权)人：中国科学院近代物理研究所，
类型：发明
国别省市：