【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于射频超导加速器领域，涉及一种传导冷却型dc-srf电子枪。
技术介绍
1、电子枪是电子加速器装置中的重要组件，其性能直接影响着加速器的电子束品质。射频超导电子枪，能大大降低腔壁上的功率损耗，可在连续波模式下运行，并且超导腔所处的低温环境有利于高真空的获得。北京大学在2001年提出了直流-射频超导(dc-srf)电子枪。该电子枪将阴极从超导腔中移出并放置在皮尔斯电极的阴极上，超导腔半腔后壁和皮尔斯电极的阳极固定在一起，超导腔和直流电极之间通过小孔连接，从而很大程度上避免了阴极对超导腔性能的影响。目前，该电子枪已经发展了两代，并获得了极低发射度的电子束。
2、射频超导电子枪主要包括阴极、超导腔、高功率耦合器、高电压结构、调谐系统、热屏蔽与磁屏蔽结构、液氮与液氦冷却系统等几个部分。液氦通常由大型低温系统制得，并存储在低温冷箱中。然后通过绝热管道引入电子枪中的液氦罐与液氦槽，用于超导腔的冷却。液氮则被引入到盘在热屏蔽结构上的液氮管道中，用于铜屏的冷却。
3、目前，世界上的射频超导电子枪均需要使用液氦为超导腔提供低温环境，因此往往配备大型的低温液氦系统。这些设备复杂，对人员的要求较高，需要专业的团队进行操作和维护，因此目前仅用于大型科学装置和部分实验室的科学研究中。在引入液氮与液氦后，恒温器内需布置液体和气体的通路，增加了恒温器的设计和建造难度。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种传导冷却型dc-srf电子枪，使超导
2、本专利技术的技术方案为：
3、一种传导冷却型dc-srf电子枪，其特征在于，包括基于传导冷却技术的低温恒温器1、阴极2、直流高压组件3、功率馈入系统4、射频超导腔组件5；其中，
4、所述低温恒温器1，用于为所述阴极2、直流高压组件3、功率馈入系统4、射频超导腔组件5提供低温、无磁、真空的环境；
5、所述阴极2，用于产生电子束并输入到所述直流高压组件3；
6、所述直流高压组件3，用于将电子束引至所述射频超导腔组件5的射频超导腔5-1内；
7、所述功率馈入系统4与所述射频超导腔5-1连接，用于在所述射频超导腔5-1内建立射频电磁场；
8、所述射频超导腔组件5，用于对从所述直流高压组件3引出的电子束进行加速。
9、进一步的，所述低温恒温器1包括恒温器外壳1-1、小型低温制冷机1-2、悬挂支撑组件1-3、热反射屏1-4、磁屏蔽结构1-5、支撑骨架1-6、束管组件1-7、一级冷头软连接件1-8、制冷机波纹管组件1-9和多个热锚；所述小型低温制冷机1-2为商用双级制冷机，二级冷头制冷温度可达4k温区；所述悬挂支撑组件1-3包括支撑杆和位置调节结构，所述位置调节结构用于调节支撑杆在所述悬挂支撑组件1-3内部移动，从而调节所述射频超导腔5-1和支撑骨架1-6在所述低温恒温器1内的位置；所述支撑骨架1-6用于为磁屏蔽结构1-5提供安装位置；磁屏蔽结构1-5用于屏蔽地磁，减小射频超导腔5-1的磁通俘获。所述热反射屏1-4通过螺栓安装在所述支撑骨架1-6的外部，所述小型低温制冷机1-2的二级冷头通过二级冷头软连接件5-3与射频超导腔5-1连接，所述小型低温制冷机1-2的一级冷头通过所述一级冷头软连接件1-8与所述热反射屏1-4连接，所述制冷机波纹管组件1-9用于连接所述小型低温制冷机1-2与恒温器外壳1-1，所述热反射屏1-4与悬挂支撑组件1-3、束管组件1-7、低漏热高功率输入耦合器4-1之间设有所述热锚，用于减小静态热损。所述束管组件1-7含有无磁波纹管与闸板阀，分别连接阴阳极外筒3-8与射频超导腔5-1，用于提供真空抽口，同时便于各组件的安装，无磁波纹管上布置有所述热锚，用于减小来自室温的漏热。
10、进一步的，所述阴极2为光阴极、场致发射阴极或其他阴极，位于所述直流高压组件3中的阴极头3-6表面。
11、进一步的，所述射频超导腔组件5包括射频超导腔5-1、高纯金属环5-2、二级冷头软连接件5-3，低温导热片5-4、低温导热半环5-5；所述射频超导腔5-1的腔型为椭球腔，内表面形成有铌三锡薄膜或其他在零磁场时超导转变温度高于10k的超导薄膜，所述高纯金属环5-2电子束焊接在所述射频超导腔5-1的外表面，所述低温导热片5-4一端与所述二级冷头软连接件5-3的一端硬区连接、另一端与所述低温导热半环5-5连接，所述低温导热半环5-5与所述高纯金属环5-2连接。
12、进一步的，所述直流高压组件3包括外高压3-1、内高压线3-2、波纹管调节组件3-3、陶瓷组件3-4、阳极盘3-5、阴极头3-6、阴极球3-7、阴阳极外筒3-8；阳极盘3-5、阴极球3-7位于所述阴阳极外筒3-8内，所述阴极头3-6固定在所述阴极球3-7上；所述阴阳极外筒3-8与焊接在射频超导腔5-1上的纯铌法兰通过铟丝密封，用于与所述低温恒温器1内的真空分隔开；阳极盘3-5连接固定在射频超导腔5-1的小束管上；所述外高压3-1通过法兰连接在恒温器外壳1-1上，陶瓷组件3-4一端与阴极球3-7连接、另一端通过波纹管调节组件3-3与所述支撑骨架1-6，所述内高压线3-2一端与所述外高压3-1连接、另一端经所述波纹管调节组件3-3、陶瓷组件3-4与阴极球3-7连接。
13、进一步的，所述功率馈入系统4由功率源及微波传输系统组成。微波传输系统根据不同应用场景可为不同形式，优选低漏热高功率输入耦合器4-1，可在传输大功率微波的同时，对低温系统有较小的漏热，降低热负荷；低漏热高功率输入耦合器4-1通过波纹管与恒温器外壳1-1连接，可调节耦合器的位置及耦合度。在仅需传输百瓦以下功率时，也可使用微波传输线，简化结构。
14、进一步的，所述恒温器外壳1-1的外壳采用碳钢材质，或选择不锈钢材质并内衬磁屏蔽层；所述支撑杆材质为无磁不锈钢、g-10或高强度钛。
15、本专利技术通过合理的导冷结构设计，实现使用商用小型低温制冷机对射频超导腔的传导冷却，使超导腔无需液氦浸泡便可在连续波模式下运行。在实际应用中，避免了dc-srf电子枪工作时对液氦系统的需求，降低了投资和运行成本，扩展了超导电子枪的用途。具体部分如下：
16、1)使用小型低温制冷机替代传统大型液氦与液氮低温系统，可以研制传导冷却型dc-srf电子枪，扩展超导电子枪的用途。
17、2)使用高导热柔性传导冷却结构，可实现超导腔的传导冷却以及连续波模式运行。
18、3)设计了适用于传导冷却的直流高压组件及与超导腔的密封方式，实现高压结构对4k温区的低漏热，实现超导腔与高压结构的真空独立，有利于电子枪性能提升。
19、4)通过多个吊杆、支撑杆、波纹管组件以及软连接的配合使用，可实现超导腔在恒温器内位置的调整，有利于电子枪的装配与稳定运行。
20、本专利技术的优点如下：
21、通过本专利技术本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种传导冷却型DC-SRF电子枪，其特征在于，包括基于传导冷却技术的低温恒温器(1)、阴极(2)、直流高压组件(3)、功率馈入系统(4)、射频超导腔组件(5)；其中，所述低温恒温器(1)，用于为所述阴极(2)、直流高压组件(3)、功率馈入系统(4)、射频超导腔组件(5)提供低温、无磁、真空的环境；
2.根据权利要求1所述的传导冷却型DC-SRF电子枪，其特征在于，所述低温恒温器(1)包括恒温器外壳(1-1)、小型低温制冷机(1-2)、悬挂支撑组件(1-3)、热反射屏(1-4)、磁屏蔽结构(1-5)、支撑骨架(1-6)、束管组件(1-7)、一级冷头软连接件(1-8)、制冷机波纹管组件(1-9)和多个热锚；所述小型低温制冷机(1-2)为商用双级制冷机，二级冷头制冷温度能够达到4K温区；所述悬挂支撑组件(1-3)包括支撑杆和位置调节结构，所述位置调节结构用于调节支撑杆在所述悬挂支撑组件(1-3)内部移动，从而调节所述射频超导腔(5-1)和支撑骨架(1-6)在所述低温恒温器(1)内的位置；所述支撑骨架(1-6)用于为磁屏蔽结构(1-5)提供安装位置；磁屏蔽结构(1-5)用
3.根据权利要求2所述的传导冷却型DC-SRF电子枪，其特征在于，所述射频超导腔组件(5)包括射频超导腔(5-1)、高纯金属环(5-2)、二级冷头软连接件(5-3)，低温导热片(5-4)、低温导热半环(5-5)；所述射频超导腔(5-1)的腔型为椭球腔；所述高纯金属环(5-2)焊接在所述射频超导腔(5-1)的外表面，所述低温导热片(5-4)一端与所述二级冷头软连接件(5-3)的一端硬区连接、另一端与所述低温导热半环(5-5)连接，所述低温导热半环(5-5)与所述高纯金属环(5-2)连接。
4.根据权利要求3所述的传导冷却型DC-SRF电子枪，其特征在于，所述低温导热片(5-4)与低温导热半环(5-5)材质为高纯铜或高纯铝，在使用前用铜清洗剂或氢氧化钠溶液去除低温导热片(5-4)与低温导热半环(5-5)表面的氧化层；所述低温导热片(5-4)与所述低温导热半环(5-5)、二级冷头软连接件(5-3)通过316L无磁螺钉、硅青铜螺母与所述高纯金属环(5-2)连接，使用无磁垫片增加紧固力，预紧力不低于10kN，接触面涂抹低温导热脂或垫0.1mm厚的铟箔，以减小接触热阻至1×10-4(K·m2/W)以下，提升热稳定性。
5.根据权利要求3所述的传导冷却型DC-SRF电子枪，其特征在于，所述射频超导腔(5-1)的腔型为椭球腔，内表面覆有铌三锡薄膜或其他在零磁场时超导转变温度高于10K的超导薄膜。
6.根据权利要求2所述的传导冷却型DC-SRF电子枪，其特征在于，所述直流高压组件(3)包括外高压(3-1)、内高压线(3-2)、波纹管调节组件(3-3)、陶瓷组件(3-4)、阳极盘(3-5)、阴极头(3-6)、阴极球(3-7)、阴阳极外筒(3-8)；阳极盘(3-5)、阴极球(3-7)位于所述阴阳极外筒(3-8)内，所述阴极头(3-6)固定在所述阴极球(3-7)上；所述阴阳极外筒(3-8)与焊接在射频超导腔(5-1)上的纯铌法兰通过铟丝密封，用于与所述低温恒温器(1)内的真空分隔开；阳极盘(3-5)连接固定在射频超导腔(5-1)的小束管上；所述外高压(3-1)通过法兰连接在恒温器外壳(1-1)上，陶瓷组件(3-4)一端与阴极球(3-7)连接、另一端通过波纹管调节组件(3-3)与所述支撑骨架(1-6)，所述内高压线(3-2)一端与所述外高压(3-1)连接、另一端经所述波纹管调节组件(3-3)、陶瓷组件(3-4)与阴极球(3-7)连接。
7.根据权利要求6所述的传导冷却型DC-SRF电子枪，其特征在于，所述阴极(2)为光阴极、场致发射阴极或其他阴极，位于所述直流高压组件(3)中的阴极头(3-6)表面。
8.根...
【技术特征摘要】
1.一种传导冷却型dc-srf电子枪，其特征在于，包括基于传导冷却技术的低温恒温器(1)、阴极(2)、直流高压组件(3)、功率馈入系统(4)、射频超导腔组件(5)；其中，所述低温恒温器(1)，用于为所述阴极(2)、直流高压组件(3)、功率馈入系统(4)、射频超导腔组件(5)提供低温、无磁、真空的环境；
2.根据权利要求1所述的传导冷却型dc-srf电子枪，其特征在于，所述低温恒温器(1)包括恒温器外壳(1-1)、小型低温制冷机(1-2)、悬挂支撑组件(1-3)、热反射屏(1-4)、磁屏蔽结构(1-5)、支撑骨架(1-6)、束管组件(1-7)、一级冷头软连接件(1-8)、制冷机波纹管组件(1-9)和多个热锚；所述小型低温制冷机(1-2)为商用双级制冷机，二级冷头制冷温度能够达到4k温区；所述悬挂支撑组件(1-3)包括支撑杆和位置调节结构，所述位置调节结构用于调节支撑杆在所述悬挂支撑组件(1-3)内部移动，从而调节所述射频超导腔(5-1)和支撑骨架(1-6)在所述低温恒温器(1)内的位置；所述支撑骨架(1-6)用于为磁屏蔽结构(1-5)提供安装位置；磁屏蔽结构(1-5)用于屏蔽地磁，减小射频超导腔(5-1)的磁通俘获；所述热反射屏(1-4)通过螺栓安装在所述支撑骨架(1-6)的外部，所述小型低温制冷机(1-2)的二级冷头通过二级冷头软连接件(5-3)与射频超导腔(5-1)连接，所述小型低温制冷机(1-2)的一级冷头通过所述一级冷头软连接件(1-8)与所述热反射屏(1-4)连接，所述制冷机波纹管组件(1-9)用于连接所述小型低温制冷机(1-2)与恒温器外壳(1-1)，所述热反射屏(1-4)与悬挂支撑组件(1-3)、束管组件(1-7)、低漏热高功率输入耦合器(4-1)之间设有所述热锚，用于减小静态热损；所述束管组件(1-7)含有无磁波纹管与闸板阀，分别连接阴阳极外筒(3-8)与射频超导腔(5-1)，用于提供真空抽口，无磁波纹管上布置有所述热锚，用于减小来自室温的漏热。
3.根据权利要求2所述的传导冷却型dc-srf电子枪，其特征在于，所述射频超导腔组件(5)包括射频超导腔(5-1)、高纯金属环(5-2)、二级冷头软连接件(5-3)，低温导热片(5-4)、低温导热半环(5-5)；所述射频超导腔(5-1)的腔型为椭球腔；所述高纯金属环(5-2)焊接在所述射频超导腔(5-1)的外表面，所述低温导热片(5-4)一端与所述二级冷头软连接件(5-3)的一端硬区连接、另一端与所述低温导热半环(5-5)连接，所述低温导热半环(5-5)与所述高纯金属环(5-2)连接。
4.根据权利要求3所述的传导冷却型dc-srf电子枪，其特征在于，所述低温导热片(5-4)与低温导热半环(5-5)材质为高纯铜...
【专利技术属性】
技术研发人员：任满乾，冯立文，郝建奎，黄森林，焦飞，李天一，林林，刘克新，全胜文，王芳，谢华木，徐航，颜学庆，姚泽钦，朱凤，朱昆，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：
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