一种用于桌面型回旋加速器的内杆直连结构高频腔体的制作方法

1.本发明属于小型回旋加速器技术领域，尤其涉及一种用于桌面型回旋加速器的内杆直连结构高频腔体。


背景技术：

2.桌面型回旋加速器只有不到2平方米大小。在研发低能小型回旋加速器时，主磁铁直径需从数米直径缩小为不到二块地板砖的大小，与此同时，导致与磁铁高度有关的磁铁谷区的高度也由600mm下降至极浅。大大缩小的体积，虽然大幅度降低了成本，但也为高频腔体的设计带来了更多限制和难度。例如：现有技术使用一台功率源驱动两个腔体则需要将两个腔体连接起来，其采用的办法是将加速器中心区的二个距离较近的三角形加速d板的头部进行过桥连接或者直接连接，由此实现一台功率源驱动两个腔体。由于桌面型小型回旋加速器的主磁铁谷区极浅，导致加速器中心区的高度相比传统的加速器中心区也缩小了一大半。在桌面型加速器中心区缩小了一大半的情况下，该中心区附近还要安装内部离子源，空间结构十分紧凑。如果采用常见的将两个腔体通过dee板头部过桥连接或者直接连接的方法是很难实现的，如果不得已而为之采用另外一种方法：使用两台功率源分别驱动两个腔体则会耗费大量不必要的成本。


技术实现要素：

3.本发明针对现有技术存在的问题，提出一种用于桌面型回旋加速器的内杆直连结构高频腔体，目的在于解决桌面型加速器中心区空间结构十分紧凑、不能采用将两个腔体通过dee板头部过桥连接或者直接连接的方法，如果使用两台功率源分别驱动两个腔体则会耗费大量不必要的成本的问题。
4.本发明为解决其技术问题采用以下技术方案：
5.一种用于桌面型回旋加速器的内杆直连结构高频腔体，包括谐振腔外壳体3、布设在该谐振腔外壳体3内的：180度对称布设且位于加速器中心平面以上的2个上内杆1、180度对称布设且位于加速器中心平面以下的2个下内杆1、2个上内杆1和2个下内杆1它们各自朝向加速器中心平面的一端还分别设有一对上三角形加速电极dee板4和一对下三角形加速电极dee板4；该一对上三角形加速电极dee板4和所述一对下三角形加速电极dee板4沿着加速器中心平面的两侧对接在一起形成束流通道；所述2个上内杆1和2个下内杆1分别在加速器中心平面两侧轴向对齐；在2个上内杆1和2个下内杆1之间还分别设有连接2个上内杆1的上内杆连接件2和连接2个下内杆1的下内杆连接件2；所述谐振腔外壳体3上设有分别设有贯穿2个上内杆1和2个下内杆1的上部、中部、下部三个凸台，该上部凸台和下部凸台分别为伸出加速器浅谷区的上部大圆筒和下部大圆筒，该两个大圆筒分别包含2个上内杆1和上内杆连接件2、以及包含2个下内杆1和下内杆连接件2，所述谐振腔外壳体3在三个凸台之间还设有上下对称的上凹陷区和下凹陷区，该上凹陷区和下凹陷区分别用于安装所述桌面型回旋加速器的上盖板和下盖板；该中部凸台的结构受到主磁铁极浅谷区结构的限制并与该极
浅谷区深度相匹配；
6.其特征在于：
7.该2个上内杆1和上内杆连接件2、以及2个下内杆1和下内杆连接件2、以及两个大圆筒均伸出加速器上盖板和下盖板以外，其在加速器中心平面一侧伸出的高度接近加速器中心平面到上盖板或下盖板的总高度的一倍；通过调节该两个大圆筒的高度和半径、以及通过调节上内杆1和下内杆1的长度、以及通过调节上内杆连接件2和下内杆连接件2的高度即可调节腔体的频率，以及提高腔体的品质因数。
8.进一步地，内杆连接件2的高度，影响了内杆的表面电流分布，其高度越高，内杆发热越往上方集中，上内杆连接件2和下内杆连接件2的高度分别距上部大圆筒顶部和下部大圆筒底部190mm。
9.进一步地，该中部凸台总高度为该浅谷区深度、其在大半径的高度包括但不限于80mm、近似为常规谷区谐振腔外壳体大半径深度的七分之一。
10.进一步地，该中部凸台总高度为该浅谷区深度、其在中心区头部的高度包括但不限于46mm、为常规回旋加速器谐振腔外壳体3在加速器中心区的高度的三分之一。
11.进一步地，所述2个上内杆1和2个下内杆1的直径受到桌面型磁极盖板开孔直径的限制，可调范围极小，大范围调节腔体频率通过上内杆1和下内杆1的长度来调整。
12.进一步地，所述2个上内杆1的高度和2个下内杆1的高度分别包括但不限于为490mm；所述2个上内杆1的高度和2个下内杆1的直径分别包括但不限于为40mm，内杆圆心距加速器中心点160mm。
13.进一步地，所述上圆台和下圆台的高度分别包括但不限于231mm、直径分别包括但不限于700mm。
14.进一步地，所述上凹陷区和下凹陷区的高度分别为240mm。
15.进一步地，所述上内杆连接件2和下内杆连接件2的宽度分别包括但不限于280mm。
16.进一步地，所述三角形加速电极dee板张角为34.29
°
、厚度为9mm、上下两dee板之间的距离为24mm。
17.本发明的优点效果
18.本发明针对桌面型回旋加速器高频系统腔体的需求，将内杆长度、内杆连直联结构、大圆筒均伸出加速器盖板以外，并且伸出的高度接近加速器中心平面以上或以下的总高度一倍的空间，本发明将这三者有机结合和相互支持，解决了桌面型加速器空间极其狭小的情况下很难实现较低的谐振频率和提高腔体品质因数的问题。此方法能满足使用一台功率源的前提，既不需要占用中心区狭小的空间，同时两个腔体内杆部分的外导体相连可以为腔体构造更大的容积，从而降低了谐振频率也提高了腔体的品质因数。此外内杆直连的结构也增强了腔体的稳定性，且易于加工和安装。
附图说明
19.图1为本发明内杆直连结构高频腔体剖面图；
20.图2为本发明内杆直连结构高频腔体尺寸图；
21.图3为加速器dee板在中心平面上下两侧放大图；
22.图4为谐振腔外壳体在中心平面上下两侧放大图；
23.图5为本发明内连杆连接件高度设计原理图。
24.图6为现有技术谐振腔外壳示意图。
25.图7为本发明谐振腔外壳体示意图；
26.图中，1：上内杆、下内杆；2：上内杆连接件、下内杆连接件；3：谐振腔外壳体；4：上三角形加速电极dee板、下三角形加速电极dee板；5：微调电容；6：耦合电容。
具体实施方式
27.本发明设计原理
28.1、设计难点在于：桌面型回旋加速器体积大幅度缩小以后，腔体的谐振频率过高难以满足要求，同时品质因数降低，腔体性能变差。所述腔体的谐振频率过高，是因为对于二分之一波长同轴谐振腔有l＝v/2f0,其中l为谐振腔轴向长度，v为电磁波的传播速度，f0为谐振频率，故其他条件不变时谐振腔尺寸越小，谐振频率越高。所述品质因数降低是因为品质因数定义为q＝ω(腔体平均储能/腔体功率损耗)，故腔体的尺寸越大,储能越大，品质因数越高。具体到本发明实施例有以下三方面的困难：第一是采用直联的方法用一台功率驱动两个腔体的方法不可行了：如图6、图7所示，外壳头部的高度由传统加速器的150mm缩小到46mm,如果在中心区将2个dee板头部过桥连接或者直接连接的方法是很难实现的，因为中心区仅剩下的46mm的空间还要布设离子源等，而如果采用两台功率源分别驱动两个腔体会耗费大量成本；第二是采用调节内杆的直径降低腔体的谐振频率的方法不可行了，内杆的直径相对细则可以降低腔体的谐振频率、解决桌面型回旋加速器体积大幅度缩小以后，腔体的谐振频率过高的难题，但是桌面型回旋加速器的内杆受到加速器整体体积大幅度缩小的影响，其内杆直径已经不能再细了，不能通过进一步将其调细的方法降低腔体的谐振频率：因为内杆里面还要安装水冷管道、同时要兼顾内杆的强度，内杆太细则强度不够也会出现问题。第三是采用增加外壳在谷区的高度提高腔体品质因数的方法不可行了：如图6所示，常规加速器的谐振腔外壳体在谷区部分大半径的高度大约为600mm，谷区部分的体积越大则腔体的品质因数越大。但是如图7所示，桌面型回旋加速器谐振腔外壳体在谷区部分大半径的高度由600mm变为80mm,缩小了将近七分之一，这是因为桌面型回旋加速器的主磁铁由很厚变得很薄的缘故。所谓谷区就是圆周方向均匀排布的四块主磁铁每相邻两块主磁铁之间的空隙。高频腔体180度对称安装在其中2个谷区内。由于桌面型回旋加速器的谷区变得极浅，使得如果采用传统腔体结构得到的品质因数极低。
29.2、本发明的创新点和解决方案。创新点在于：第一、设置内杆直联结构，包括上内杆连接件2和下内杆连接件2，通过内杆直联机构替代了在中心区进行d板头部直联的方法，解决了用一台功率驱动2个腔体的问题；第二、常规加速器内杆的高度和盖板的高度基本齐平，本发明将内杆伸出主磁铁盖板以外、并且伸出的高度接近总高度的一倍(总高度＝加速器中心区平面以上到上盖板的总高度)，通过增加内杆的长度降低腔体的谐振频率，替代了通过调节内杆的粗细降低腔体的谐振频率的方法，解决了采用调节内杆的直径降低腔体的谐振频率的方法不可行的问题；第三、设置大圆筒的直径为700毫米、厚度为231mm，本发明大圆筒的体积远远超出了传统加速器2个物理分开的内杆外壳的体积之和。如图2所示，本发明加速器中心平面上方的盖板高度为240mm，中心区向上外壳的总高度是490mm,大圆筒的高度是231mm，因此大圆筒的厚度接近盖板的高度。通过在加速器盖板以外额外地增加大
圆筒的体积，解决了桌面型加速器腔体外壳在谷区结构极薄、从而难以提高腔体品质因数的难题。
30.3、本发明设计原理。内杆长度、内杆连接件以及它的高度、大圆筒，这三者有机结合、相互依存。增加内杆长度只是代替了内杆直径不能再调细的问题，但是因为桌面型加速器总的空间是一定的，内杆的长度也不是无限延长，仅仅依靠内杆长度的增加仍然不能替代谷区厚度变薄造成的腔体谐振频率过高和品质因数降低的问题，因此还必须同时增加大圆筒的直径和高度，所增加的大圆筒的直径和高度形成的空间要能够弥补腔体在谷区谐振频率过高和品质因数的降低程度；同时，内杆直联结构的高度设计也是提高腔体品质因数的重要因素，如图2所示，当内杆连接件2的高度到达内杆的顶部时，由于内杆的顶部接地，两个内杆相当于断路，此时相当于两个腔体没有连接起来，无法用一台功率源驱动。因此，内杆连接件2的高度设计是和内杆长度、大圆筒相辅相成的，如图5所示，通过有限积分软件数值分析内杆连接件的高度对腔体性能的影响，得到图5所示曲线，其横坐标为连接件圆心距离大圆桶的距离，其纵坐标为腔体无载品质因数。从如图5看出，其连接杆圆心距大圆筒顶部的距离越大，即连接杆高度越低，腔体的无载品质因数越高。因此在有限的大圆筒空间范围内选取内杆连接件距大圆筒顶部的距离为190mm，无载品质因数为6685，腔体性能最优。
31.总之，本发明将内杆长度、内杆连接件以及它的高度、大圆筒这三者有机结合和相互支持，才解决了桌面型加速器空间极其狭小的情况下降低腔体谐振频率和提高腔体品质因数的难题。
32.基于以上发明原理，本发明设计了一种用于桌面型回旋加速器的内杆直连结构高频腔体如图1所示，包括谐振腔外壳体3、布设在该谐振腔外壳体3内的：180度对称布设且位于加速器中心平面以上的2个上内杆1、180度对称布设且位于加速器中心平面以下的2个下内杆1、2个上内杆1和2个下内杆1它们各自朝向加速器中心平面的一端还分别设有一对上三角形加速电极dee板4和一对下三角形加速电极dee板4；该一对上三角形加速电极dee板4和所述一对下三角形加速电极dee板4沿着加速器中心平面的两侧对接在一起形成束流通道；所述2个上内杆1和2个下内杆1分别在加速器中心平面两侧轴向对齐；在2个上内杆1和2个下内杆1之间还分别设有连接2个上内杆1的上内杆连接件2和连接2个下内杆1的下内杆连接件2；所述谐振腔外壳体3上设有分别设有贯穿2个上内杆1和2个下内杆1的上部、中部、下部三个凸台，该上部凸台和下部凸台分别为伸出加速器浅谷区的上部大圆筒和下部大圆筒，该两个大圆筒分别包含2个上内杆1和上内杆连接件2、以及包含2个下内杆1和下内杆连接件2，所述谐振腔外壳体3在三个凸台之间还设有上下对称的上凹陷区和下凹陷区，该上凹陷区和下凹陷区分别用于安装所述桌面型回旋加速器的上盖板和下盖板；该中部凸台的结构受到主磁铁极浅谷区结构的限制并与该极浅谷区深度相匹配；
33.其特点是：
34.该2个上内杆1和上内杆连接件2、以及2个下内杆1和下内杆连接件2、以及两个大圆筒均伸出加速器上盖板和下盖板以外，其在加速器中心平面一侧伸出的高度接近加速器中心平面到上盖板或下盖板的总高度的一倍；通过调节该两个大圆筒的高度和半径、以及通过调节上内杆1和下内杆1的长度、以及通过调节上内杆连接件2和下内杆连接件2的高度即可调节腔体的频率，以及提高腔体的品质因数。
35.进一步地，内杆连接件2的高度，影响了内杆的表面电流分布，其高度越高，内杆发热越往上方集中，上内杆连接件2和下内杆连接件2的高度分别距上部大圆筒顶部和下部大圆筒底部190mm。
36.进一步地，该中部凸台总高度为该浅谷区深度、其在大半径的高度包括但不限于80mm、近似为常规谷区谐振腔外壳体大半径深度的七分之一。
37.进一步地，该中部凸台总高度为该浅谷区深度、其在中心区头部的高度包括但不限于46mm、为常规回旋加速器谐振腔外壳体3在加速器中心区的高度的三分之一。
38.进一步地，所述2个上内杆1和2个下内杆1的直径受到桌面型磁极盖板开孔直径的限制，可调范围极小，大范围调节腔体频率通过上内杆1和下内杆1的长度来调整。
39.进一步地，所述2个上内杆1的高度和2个下内杆1的高度分别包括但不限于为490mm；所述2个上内杆1的高度和2个下内杆1的直径分别包括但不限于为40mm，内杆圆心距加速器中心点160mm。
40.进一步地，所述上圆台和下圆台的高度分别包括但不限于231mm、直径分别包括但不限于700mm。
41.进一步地，所述上凹陷区和下凹陷区的高度分别为240mm。
42.进一步地，所述上内杆连接件2和下内杆连接件2的宽度分别包括但不限于280mm。
43.进一步地，所述三角形加速电极dee板张角为34.29
°
、厚度为9mm、上下两dee板之间的距离为24mm。
44.需要强调的是，上述具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对上述实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

技术特征：
1.一种用于桌面型回旋加速器的内杆直连结构高频腔体，包括谐振腔外壳体(3)、布设在该谐振腔外壳体(3)内的：180度对称布设且位于加速器中心平面以上的2个上内杆(1)、180度对称布设且位于加速器中心平面以下的2个下内杆(1)、2个上内杆(1)和2个下内杆(1)它们各自朝向加速器中心平面的一端还分别设有一对上三角形加速电极dee板(4)和一对下三角形加速电极dee板(4)；该一对上三角形加速电极dee板(4)和所述一对下三角形加速电极dee板(4)沿着加速器中心平面的两侧对接在一起形成束流通道；所述2个上内杆(1)和2个下内杆(1)分别在加速器中心平面两侧轴向对齐；在2个上内杆(1)和2个下内杆(1)之间还分别设有连接2个上内杆(1)的上内杆连接件(2)和连接2个下内杆(1)的下内杆连接件(2)；所述谐振腔外壳体(3)上设有分别设有贯穿2个上内杆(1)和2个下内杆(1)的上部、中部、下部三个凸台，该上部凸台和下部凸台分别为伸出加速器浅谷区的上部大圆筒和下部大圆筒，该两个大圆筒分别包含2个上内杆(1)和上内杆连接件(2)、以及包含2个下内杆(1)和下内杆连接件(2)，所述谐振腔外壳体(3)在三个凸台之间还设有上下对称的上凹陷区和下凹陷区，该上凹陷区和下凹陷区分别用于安装所述桌面型回旋加速器的上盖板和下盖板；该中部凸台的结构受到主磁铁极浅谷区结构的限制并与该极浅谷区深度相匹配；其特征在于：该2个上内杆(1)和上内杆连接件(2)、以及2个下内杆(1)和下内杆连接件(2)、以及两个大圆筒均伸出加速器上盖板和下盖板以外，并且其在加速器中心平面一侧伸出的高度接近加速器中心平面到上盖板或下盖板的总高度的一倍；通过调节该两个大圆筒的高度和半径、以及通过调节上内杆(1)和下内杆(1)的长度、以及通过调节上内杆连接件(2)和下内杆连接件(2)的高度即可调节腔体的频率和提高腔体的品质因数。2.根据权利要求1所述的一种用于桌面型回旋加速器的内杆直连结构高频腔体，其特征在于：内杆连接件(2)的高度，影响了内杆的表面电流分布，其高度越高，内杆发热越往上方集中，上内杆连接件(2)和下内杆连接件(2)的高度分别距上部大圆筒顶部和下部大圆筒底部190mm。3.根据权利要求1所述的一种用于桌面型回旋加速器的内杆直连结构高频腔体，其特征在于：该中部凸台总高度为该浅谷区深度、其在大半径的高度包括但不限于80mm、近似为常规谷区谐振腔外壳体大半径深度的七分之一。4.根据权利要求1所述的一种用于桌面型回旋加速器的内杆直连结构高频腔体，其特征在于：该中部凸台总高度为该浅谷区深度、其在中心区头部的高度包括但不限于46mm、为常规回旋加速器谐振腔外壳体(3)在加速器中心区的高度的三分之一。5.根据权利要求1所述的一种用于桌面型回旋加速器的内杆直连结构高频腔体，其特征在于：所述2个上内杆(1)和2个下内杆(1)的直径受到桌面型磁极盖板开孔直径的限制，可调范围极小，大范围调节腔体频率通过上内杆(1)和下内杆(1)的长度来调整。6.根据权利要求1所述的一种用于桌面型回旋加速器的内杆直连结构高频腔体，其特征在于：所述2个上内杆(1)的高度和2个下内杆(1)的高度分别包括但不限于为490mm；所述2个上内杆(1)的高度和2个下内杆(1)的直径分别包括但不限于为40mm，内杆圆心距加速器中心点160mm。7.根据权利要求1所述的一种用于桌面型回旋加速器的内杆直连结构高频腔体，其特征在于：所述上圆台和下圆台的高度分别包括但不限于231mm、直径分别包括但不限于
700mm。8.根据权利要求1所述的一种用于桌面型回旋加速器的内杆直连结构高频腔体，其特征在于：所述上凹陷区和下凹陷区的高度分别为240mm。9.根据权利要求1所述的一种用于桌面型回旋加速器的内杆直连结构高频腔体，其特征在于：所述上内杆连接件(2)和下内杆连接件(2)的宽度分别包括但不限于280mm。10.根据权利要求1所述的一种用于桌面型回旋加速器的内杆直连结构高频腔体，其特征在于：所述三角形加速电极dee板张角为34.29
°
、厚度为9mm、上下两dee板之间的距离为24mm。

技术总结
本发明公开了一种用于桌面型回旋加速器的内杆直连结构高频腔体，包括谐振腔外壳体、布设在该谐振腔外壳体内的：180度对称布设且位于加速器中心平面以上的和以下的各2个上内杆、它们各自朝向加速器中心平面的一端还分别设有一对上三角形加速电极Dee板，其特点是：该2个上内杆1和上内杆连接件2、以及2个下内杆1和下内杆连接件2、以及两个大圆筒均伸出加速器上盖板和下盖板以外，其在加速器中心平面一侧伸出的高度接近加速器中心平面到上盖板或下盖板的总高度的一倍；本发明能满足使用一台功率源的前提，既不需要占用中心区狭小的空间，同时两个腔体内杆部分的外导体相连可以为腔体构造更大的容积，从而降低了谐振频率也提高了腔体的品质因数。高了腔体的品质因数。高了腔体的品质因数。


技术研发人员：王亚晴 纪彬 邢建升 边天剑 凌丽 魏俊逸 管锋平 张庭锋
受保护的技术使用者：中国原子能科学研究院
技术研发日：2023.08.30
技术公布日：2023/10/20