連續波射頻四級加速器水冷系統及其製造方法
2023-12-02 05:34:16
專利名稱：連續波射頻四級加速器水冷系統及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種水冷系統及其製造方法，特別是一種連續波射頻四級加速器水冷系統及其製造方法。
背景技術：
射頻四極場(Radio Frequency Quadrupole, RFQ)加速器是一種能同時用其射頻電場的徑向分量進行聚焦和縱向分量進行加速、適用於從質子到鈾離子等各種低速帶電粒子的高效直線加速結構。它集匹配、成形、聚束和加速等多種功能於一身，可直接接受從離子源引出的低速強流連續束流，並以極高的俘獲效率和較低的發射度增長把粒子加速到每核子幾個MeV的能量。另外，由於體積小巧和使用方便等優點，RFQ加速器不管作為大型加速器的注入裝置還是作為獨立使用的設備都極具研究和實用價值。近年來，國內外對於散裂中子源、加速器驅動潔淨核能源和其它高功率質子束所呈現的廣泛興趣，以及由此引起的對強流、高功率質子加速器的迫切要求，更對用作它們前級加速結構的射頻四級加速器提出了種種新的要求，特別是對射頻四級加速器能在高佔空t匕、甚至在連續波工作狀態下加速強流質子束，對其運行的穩定性和可靠性提出了空前嚴格的要求。射頻四級加速器在運行過程中產生的大量熱會引起加速器的頻率漂移，因此冷卻結構是保證它穩定運行的前提，目前的常溫射頻四級加速器都採用水冷的方式，水冷具有兩方面作用，首先它可以把射頻場發熱帶走，維持射頻四級加速器腔的熱穩定性且限制了腔體形變幅度；其次，當射頻四級加速器失諧時，它還可以用來進行調諧而不影響射頻場分布。附圖1是脈衝射頻四級加速器其翼片剖視圖，顯示了水冷系統，常溫射頻四級加速器的水冷系統一般由翼片上的一根或數根通透直線水冷管路組成，該結構會導致以下兩個問題1、翼片散熱不均勻，靠近水冷管路的地方最先得到冷卻；2、在連續波狀態下，翼片和整個射頻四級加速器的溫度不能有效精確控制，結果面臨的應用困難是其冷卻問題和由於溫度變化引起的頻率飄逸。為了解決這兩個問題，國內外的研究機構把精力集中於多開幾根通透直線水冷管路且在開通位置上進行優化。1980年，Los Alamos國家實驗室在其射頻四級加速器系統的銅腔上，每個電極開了一個水冷管路。隨後，他們建議的ADS系統工作於連續波狀態下，為了檢驗系統的可行性，他們製成了一臺低能示範加速器，在低能示範加速器系統中，為了使射頻四級加速器腔的電極得到良好的冷卻，每節腔的四翼電極上都有6個水冷管路，腔的調諧通過控制冷卻水的水溫來實現。韓國原子能研究院PEFP研究項目組研製的射頻四級加速器工作於脈衝模式下，內部開了一個水冷管路。中國科學院高能物理研究所通過ANSYS程序設計了用於中國散裂中子源射頻四級加速器的水冷管路的位置、尺寸、流量等基本參數，最後確定了用5個水冷管路來保證高功率運行下腔體的熱變形得以有效控制，該射頻四級加速器工作於脈衝模式；運行在連續波狀態下的射頻四級加速器，產生的熱量明顯增力口，中國潔淨核能源用射頻四級加速器工作於連續波模式，仍然採用5個水冷管路來保證電極翼片的熱穩定性。連續波射頻四級加速器運行過程中產生的熱量遠高於脈衝射頻四級加速器，而散熱性的好壞會直接影響射頻四級加速器的工作穩定性。如果單靠增加水冷管路的數目來保證散熱性，可能不能滿足冷卻要求，而且可能帶來加工困難和隨之而來有可能產生的系統漏水問題，且使得外圍配套設備複雜化。
發明內容
發明目的針對上述問題，本發明的目的是提供一種解決連續波射頻四級加速器散熱問題的水冷系統；本發明的另一目的是提供這種水冷系統的製造方法。技術方案一種連續波射頻四級加速器水冷系統，翼片內設有水冷管路，所述翼片為分片結構，所述水冷管路呈盤盒蛇形開設於所述翼片的分片的對接面上，所述水冷管路周圍開設焊料槽。所述水冷管路沿所述翼片長度方向分段開設，每段的進口和出口分別引出。所述水冷管路在所述分片的對接面上開設的位置、形狀相對應。上述一種連續波射頻四級加速器水冷系統的製造方法，包括以下步驟(I)將整體翼片線切割成兩個分片；(2)在切割面上開設水冷管路；(3)在切割面上水冷管路周圍開設焊料槽，在焊接槽中放入焊料；(4)將兩個分片的翼片從切割面對合，對合的接縫用電子束焊接合成；(5)用數控工具機對合成翼片按照PARMTEQM輸出結果進行加工；( 6 )用電子束焊接或者釺焊焊接四片射頻四級加速器翼片。所述切割面偏移於所述整體翼片的中分面。所述焊接槽中放入釺焊焊料。有益效果與現有技術相比，本發明的優點是蛇形水冷管路相比於通透直線水冷管路體積增加，水冷透徹、效率高，解決了射頻四級加速器在連續波運行下的散熱問題，散熱性得到大幅提升，能夠更加精準地控制射頻四級加速器的頻率，保證束流穩定性，從而使加速性能得到有效的穩定和提高。製造過程中電子束焊保證焊後翼片內部水冷管路長時間運行的密封性和無氧銅材料的高純度，釺焊進一步加強了分片翼片的整體性和堅固性，保證了水冷系統的水流通暢，同時也保證了連續波射頻四級加速器的結構可靠和工作穩定性。
圖1為脈衝射頻四級加速器其翼片剖視圖；圖2為本發明翼片的分片立體結構示意圖；圖3為本發明中對整體翼片線切割成兩片的切割位置示意圖；圖4為本發明翼片外部結構示意圖；圖5為本發明翼片的主視透視圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍，在閱讀了本發明之後，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落於本申請所附權利要求所限定的範圍。如附圖2、4、5所示，一種連續波射頻四級加速器水冷系統，作為電極的翼片內設有水冷管路1，該翼片為分片結構，水冷管路I開設於翼片的分片2的對接面3上。水冷管路I在對接面3上呈盤盒蛇形開設，且沿翼片長度方向分設多段，每段的進口 5和出口 6分別引出，該分設段數和每段蛇形管中冷卻水流動的方向在具體應用中按相關的優化設計方法確定，附圖中所示為3段。水冷管路I可以在一片分片上開設，也可以在兩片分片上均開設，在兩片分片上均開設時，注意開設的位置、形狀相對應，保證兩片分片對合時形成一致的水冷管路。水冷管路I周圍開設焊料槽4。下表所列為直管和蛇形管冷卻流量的對比關係
權利要求
1.一種連續波射頻四級加速器水冷系統，翼片內設有水冷管路(1)，其特徵在於所述翼片為分片結構，所述水冷管路(I)呈盤盒蛇形開設於所述翼片的分片(2)的對接面(3)上，所述水冷管路(I)周圍開設焊料槽(4 )。
2.根據權利要求1所述的連續波射頻四級加速器水冷系統，其特徵在於所述水冷管路(I)沿所述翼片長度方向分段開設，每段的進口(5)和出口(6)分別引出。
3.根據權利要求1所述的連續波射頻四級加速器水冷系統，其特徵在於所述水冷管路(I)在所述分片(2)的對接面(3)上開設的位置、形狀相對應。
4.一種權利要求1所述的連續波射頻四級加速器水冷系統的製造方法，其特徵在於包括以下步驟 (1)將整體翼片線切割成兩個分片； (2)在切割面上開設水冷管路； (3)在切割面上水冷管路周圍開設焊料槽，在焊接槽中放入焊料； (4)將兩個分片的翼片從切割面對合，對合的接縫用電子束焊接合成； (5)用數控工具機對合成翼片按照PARMTEQM輸出結果進行加工； (6)用電子束焊接或者釺焊焊接四片射頻四級加速器翼片。
5.根據權利要求4所述的製造方法，其特徵在於所述切割面偏移於所述整體翼片的中分面。
6.根據權利要求4所述的製造方法，其特徵在於所述焊接槽中放入釺焊焊料。
全文摘要
本發明公開了一種連續波射頻四級加速器水冷系統，翼片內設有水冷管路，翼片為分片結構，水冷管路呈盤盒蛇形開設於翼片的分片的對接面上，水冷管路周圍開設焊料槽；同時公開了這種水冷系統的製造方法。本發明的優點是蛇形水冷管路相比於通透直線水冷管路體積增加，水冷透徹、效率高，解決了射頻四級加速器在連續波運行下的散熱問題，散熱性得到大幅提升，能夠更加精準地控制射頻四級加速器的頻率，保證束流穩定性，從而使加速性能得到有效的穩定和提高。製造過程中電子束焊保證焊後翼片內部水冷管路長時間運行的密封性和無氧銅材料的高純度，釺焊進一步加強了分片翼片的整體性和堅固性以及連續波射頻四級加速器的結構可靠和工作穩定性。
文檔編號H05H7/00GK103068143SQ20121055563
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月19日 優先權日2012年12月19日
發明者孫安, 張力平, 劉克, 薛培培 申請人:江蘇安德信超導加速器科技有限公司, 南京大學, 長安大學, 江蘇德佐電子科技有限公司