一种Spoke超导腔调谐器制造技术

本发明专利技术公开了一种Spoke超导腔调谐器。本发明专利技术的Spoke超导腔调谐器包括位于恒温器内部的调谐臂、压电陶瓷固定座、力矩转向装置、压电陶瓷以及位于该恒温器外部的步进电机；其中，所述压电陶瓷安装于所述压电陶瓷固定座上，所述力矩转向装置一端通过一调谐器主轴与所述步进电机连接，另一端与所述压电陶瓷连接，所述力矩转向装置用于将步进电机的旋转力矩转变设定角度后传动到所述压电陶瓷，所述压电陶瓷固定座与所述调谐臂连接。与现有技术相比，本发明专利技术大大改善了调谐器的机械调谐范围，且便于维护。

【技术实现步骤摘要】
一种Spoke超导腔调谐器
本专利技术涉及一种Spoke超导腔调谐器，属于粒子加速器、超导低温

技术介绍
Spoke超导腔调谐器是重离子直线加速器超导高频系统的重要组成部分，是一套机电混合系统。其主体执行机构工作在2K(或4K)低温、高真空、辐射的恶劣环境中，用来控制Spoke超导腔的工作频率：补偿或阻尼超导腔运行时由于洛伦兹力、束流负载效应、麦克风效应等影响造成的超导腔频率变化，以及改变静态失谐频率。为了更有效、安全地解决核废料问题，核物理学家们提出了加速器驱动次临界系统(ADS)。该系统被科学界公认为是解决大量放射性废物、降低深埋储藏风险的最具潜力的技术途径。2011年，中国科学院启动战略性先导科技专项——未来先进核裂变能——ADS嬗变系统项目，大大推进了ADS相关的研究工作。强流质子超导直线加速器是ADS装置的重要组成部分，对此项目和技术的成败起着决定性的作用。目前强流质子加速器前端注入段和主加速段拟采用Spoke超导腔来加速束流。为了提高Spoke超导腔的加速效率，稳定超导腔的频率，提高束流质量，减小反射功率等，需要频率调谐器对超导腔的频率进行控制。国际上美国费米实验室研制的Spoke超导腔调谐器结构及工作原理示意图如图1所示：此调谐器由机械调谐器和压电陶瓷构成。其中机械调谐器由主臂、副臂、弹性臂和低温电机构成。弹性臂固定在超导腔液氦槽的一侧，主臂中间的凸起部分顶住超导腔的端盖。当低温电机转动时，副臂向下运行，并通过压电陶瓷将力作用在主臂上，带动主臂向下运动，从而压缩超导腔使其在轴向产生形变，进而改变腔的频率。此调谐器主臂减速比为2:1，副臂减速比为3:1，因此调谐臂整体的减速比为6:1，即调谐器副臂端施加的作用力与腔轴向受力比为1:6。此方案存在以下缺点和不足：(1)机械调谐范围小，约135kHz：由于采用双杠杆结构，虽然增大了调谐的减速比，但由于压电陶瓷不能承受过大的横向剪切力，因此限制了副臂向下运行的位移量，导致调谐范围小。由于超导腔加工制造以及焊接、组装等过程中影响其频率变化的因素很多，因此当腔的频率超出135kHz的范围后，会导致超导腔无法在预先设计的工作频率上运行。(2)此调谐器采用低温电机，成本高，维修困难：恒温器内部调谐器部分的工作温度约为5K，如此低的温度需要采用运行可靠的电机，目前基本上采用进口的德国步进电机，一套电机约十几万，成本较高；并且工作在低温、辐射、真空的环境中，当电机出现问题后需要将整个恒温器进行复温，然后才能打开恒温器对电机进行更换维修，增大了故障的风险和维修难度，并且维修周期长。(3)此种调谐器自身没有运行监测和保护设备：调谐器的执行机构工作在真空密闭的低温环境中，如果自身没有监测和保护设备，无法实时监测调谐器的运行状态，容易导致误操作，造成设备损坏。(4)此调谐器主臂作用到超导腔端盖上的力集中在两个点上，受力不均，易造成局部应力过大、形变大。以上四点在一定程度上降低了费米实验室调谐器的性能，不利于加速器的调试和稳定运行。
技术实现思路
针对现有技术中存在的技术问题，本专利技术的目的在于提供一种Spoke超导腔调谐器。本专利技术具有以下特点：(1)增大调谐器的机械调谐范围：将调谐臂的双杠杆结构改为单杠杆结构，调谐臂和下拉臂之间通过转动轴连接，并将压电陶瓷固定在U型架内，通过直线导轨保证陶瓷两端压板没有横向位移，由压电陶瓷带动下拉臂向下运动，从而带动调谐臂压缩超导腔，避免了由于二级杠杆(副臂)运动幅度过大导致调谐臂与下拉臂间局部应力变形过大(费米设计方案中主臂和下拉臂间采用的是固定连接)，以及陶瓷受横向剪切力损坏的问题，增大了调谐范围，为超导腔频率调谐留有足够余量，减小了超导腔加工制造、焊接及组装过程的技术难度，并且使设备在满足工作要求的情况下更加简化。(2)采用常温步进电机：设计合理的机械传动机构将电机从真空低温密闭容器引至常温大气环境中，并充分考虑调谐器的热损，以及与恒温器之间的真空密封问题；(3)增加调谐器的监测和保护设备：通过增加监测传感器和保护设备，可以实时掌握调谐器的运行状态，保证设备的稳定运行，又能够防止电机误动作造成设备损坏；(4)增大调谐器力臂与超导腔端盖的受力面积，使作用力尽量均匀。本专利技术的技术方案为：一种Spoke超导腔调谐器，其特征在于，包括位于恒温器内部的调谐臂、压电陶瓷固定座、力矩转向装置、压电陶瓷以及位于该恒温器外部的步进电机；其中，所述压电陶瓷安装于所述压电陶瓷固定座上，所述力矩转向装置一端通过一调谐器主轴与所述步进电机连接，另一端与所述压电陶瓷连接，所述力矩转向装置用于将步进电机的旋转力矩转变设定角度后传动到所述压电陶瓷，所述压电陶瓷固定座与所述调谐臂连接。进一步的，所述压电陶瓷固定座包括一顶杆、一通过横梁连接的两下拉臂、一U型支架，该两下拉臂另一端与所述调谐臂连接；该U型支架的顶部开口端与一支架连接梁连接，该顶杆一端与该横梁连接，另一端穿过该U型支架底部与一下端陶瓷压板连接，一对导轨一端穿过该上端陶瓷压板，另一端与一下端陶瓷压板固定连接，该上端陶瓷压板能够沿该对导轨上下移动，压电陶瓷安装在该U型支架内的上端陶瓷压板与下端陶瓷压板之间；所述力矩转向装置的一端穿过该支架连接梁与该上端陶瓷压板连接。进一步的，所述力矩转向装置包括两匹配的锥形齿轮和一丝杠；其中，第一锥形齿轮经一转动轴与所述调谐器主轴连接，第二锥形齿轮经一转动轴与该丝杠一端连接；该丝杠通过一转动轴承与所述支架连接梁连接，该丝杠另一端与该上端陶瓷压板连接。进一步的，该第一锥形齿轮与该第二锥形齿轮咬合接触，角度相差90°、齿数比为1:3。进一步的，两所述调谐臂两端设有固定连接杆、中间设有加强臂；与所述调谐臂固定的顶柱末端安装有压力传感器，压力传感器的信号线与该恒温器外部的显示仪表连接；其中，顶柱末端为与超导腔端盖接触的一端。进一步的，所述顶柱末端分别与同一加强环连接。进一步的，所述压电陶瓷固定座还包括一用于夹紧压电陶瓷的挡板。进一步的，所述调谐器主轴包括一隔热节和一柔性铰链联轴器；隔热节内部为中空结构，位于恒温器外筒内侧，一端采用法兰结构与所述力矩转向装置连接，另一端通过法兰结构与该柔性铰链联轴器；该柔性铰链联轴器另一端通过法兰连接结构与一波纹管联轴器连接，该波纹管联轴器另一端与所述步进电机连接。进一步的，一所述下拉臂上设有限位开关，所述上端陶瓷压板上连接一移动挡块，该移动挡块的一端该限位开关内，与该限位开关相连接的信号线与该恒温器外部的继电保护装置连接；另一所述下拉臂上设有位移传感器，该位移传感器的位移尺末端与该移动挡块的另一端固定连接，该位移传感器的信号传输线与该恒温器外部的位移显示表连接。与现有技术相比，本专利技术具有下列有益效果：调谐器的调谐臂采用一级杠杆结构，简化了调谐臂的复杂度；设计了压电陶瓷座，当调谐臂端部位移过大时，压电陶瓷不会受到横向的剪切力作用，同时丝杠的长度和运动空间也进行了增大调整，大大改善了调谐器的机械调谐范围，使其由现有调谐器的135kHz增大到1MHz，提高了调谐器的工作能力，减小了超导腔制造和组装过程中频率控制的技术难度，并且此种设计结构可以通过接口的适当调整应用到其它的低温机械传动装置上；采用大推力的压电陶瓷，进一步增大了快调谐的范围本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Spoke超导腔调谐器，其特征在于，包括位于恒温器内部的调谐臂、压电陶瓷固定座、力矩转向装置、压电陶瓷以及位于该恒温器外部的步进电机；其中，所述压电陶瓷安装于所述压电陶瓷固定座上，所述力矩转向装置一端通过一调谐器主轴与所述步进电机连接，另一端与所述压电陶瓷连接，所述力矩转向装置用于将步进电机的旋转力矩转变设定角度后传动到所述压电陶瓷，所述压电陶瓷固定座与所述调谐臂连接。

【技术特征摘要】
1.一种Spoke超导腔调谐器，其特征在于，包括位于恒温器内部的调谐臂、压电陶瓷固定座、力矩转向装置、压电陶瓷以及位于该恒温器外部的步进电机；其中，所述压电陶瓷安装于所述压电陶瓷固定座上，所述力矩转向装置一端通过一调谐器主轴与所述步进电机连接，另一端与所述压电陶瓷连接，所述力矩转向装置用于将步进电机的旋转力矩转变设定角度后传动到所述压电陶瓷，所述压电陶瓷固定座与所述调谐臂连接；所述压电陶瓷固定座包括一顶杆、一通过横梁连接的两下拉臂、一U型支架，该两下拉臂另一端与所述调谐臂连接；该U型支架的顶部开口端与一支架连接梁连接，该顶杆一端与该横梁连接，另一端穿过该U型支架底部与一下端陶瓷压板连接，一对导轨一端穿过上端陶瓷压板，另一端与一下端陶瓷压板固定连接，该上端陶瓷压板能够沿该对导轨上下移动，压电陶瓷安装在该U型支架内的上端陶瓷压板与下端陶瓷压板之间；所述力矩转向装置的一端穿过该支架连接梁与该上端陶瓷压板连接。2.如权利要求1所述的Spoke超导腔调谐器，其特征在于，所述力矩转向装置包括两匹配的锥形齿轮和一丝杠；其中，第一锥形齿轮经一转动轴与所述调谐器主轴连接，第二锥形齿轮经一转动轴与该丝杠一端连接；该丝杠通过一转动轴承与所述支架连接梁连接，该丝杠另一端与该上端陶瓷压板连接。3.如权利要求2所述的Spoke超导腔调谐器，其特征在于，该第一锥形齿轮与该第二锥形齿轮...

【专利技术属性】
技术研发人员：米正辉，孙毅，潘卫民，马强，
申请(专利权)人：中国科学院高能物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11