一种复合结构超导谐振加速腔制造技术

本发明专利技术涉及一种复合结构超导谐振加速腔，其内层材料为高超导性能材料，因此该复合结构超导腔会具有良好的射频性能；其外层材料为高导热材料，因此可以有效增大外层材料的厚度，一方面可以显著提高复合超导腔的机械稳定性，有效抑制氦压波动、洛伦兹失谐、颤噪等因素等带来的频率失谐，另一方面可以为复合超导腔内表面功率损耗产生的热量提供良好的横向传递通道，有效减缓复合超导腔因缺陷、二次电子倍增效应、场致发射效应而出现热失超，显著提高复合超导腔运行的热稳定性。复合超导腔运行的热稳定性。复合超导腔运行的热稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种复合结构超导谐振加速腔


[0001]本专利技术涉及一种超导腔，特别是关于一种复合结构超导谐振加速腔，属于粒子加速器


技术介绍

[0002]加速器是高能物理及基础模型、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，在能源、医疗、国防等方面也有着重要的应用价值，其核心部件是超导腔。当前国内外在建、筹建及计划中的加速器前沿领域重大项目都将射频超导技术作为首选方案。目前，超导腔主要采用RRR(剩余电阻率)～300、厚度为3
‑
4mm的高纯铌板制造，应用范畴涵盖了β(相对论速度)从～0.05到1的各种带电粒子。
[0003]但是，纯铌超导腔为单层结构，其应用存在着比较严重的问题：受限于铌材较低的导热能力，纯铌超导腔的壁厚为3
‑
4mm，这样的薄壁单层结构机械稳定性和热稳定性较差，容易导致纯铌超导腔因氦压波动、洛伦兹失谐、颤噪等因素而出现频率失谐，也容易导致纯铌超导腔因缺陷、二次电子倍增效应、场致发射效应而出现热失超。
[0004]因此，上述问题限制着当前和未来高能量、高流强射频超导加速器的稳定运行及其应用。

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由高导热材料与高超导性能材料构成的复合结构超导谐振加速腔，以解决纯铌超导腔存在的机械稳定性和热稳定性差，无法满足超导加速器稳定运行的难题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种复合结构超导谐振加速腔，该超导谐振加速腔为TM复合超导腔，所述TM复合超导腔包括：加速单元，为椭球形双层壳体结构，所述加速单元的外层结构为高导热材料，内层结构为高超导性材料，所述加速单元的两侧加工有束流端口，相邻两所述加速单元之间通过束流端口依次串联，位于各所述加速单元最外侧的两束流端口分别形成束流注入口和束流引出口；束流注入管道和束流引出管道，分别与所述加速单元的束流注入口和束流引出口对接；主耦合器，与所述束流引出管道相连，所述主耦合器用于向所述TM复合超导腔内部馈入功率；高阶模耦合器，两个所述高阶模耦合器分别与所述束流注入管道和束流引出管道相连；提取端口，与所述束流引出管道相连。
[0007]所述的复合结构超导谐振加速腔，优选地，所述加速单元的外层结构厚度为4
‑
10mm，所述加速单元的内层结构厚度为0.001
‑
4mm。
[0008]所述的复合结构超导谐振加速腔，优选地，所述束流注入管道和束流引出管道为由外层高导热材料和内层高超导性能材料组成的复合材料结构；
[0009]或者，所述束流注入管道和束流引出管道为高超导性能材料组成的单层结构。
[0010]所述的复合结构超导谐振加速腔，优选地，所述主耦合器和高阶模耦合器的位置
相差38
°
。
[0011]一种复合结构超导谐振加速腔，该超导谐振加速腔为TEM复合超导腔，所述TEM复合超导腔包括：外腔筒体，形成所述TEM复合超导腔的外导体；内腔筒体，设置在所述外腔筒体的中心线上以形成所述TEM复合超导腔的内导体，且所述内腔筒体与所述外腔筒体之间形成加速环腔；环形短路板，两个所述环形短路板分别连接在所述外腔筒体和内腔筒体之间的所述加速环腔两端以形成短路端；束流管道，两个所述束流管道对称地连接在所述外腔筒体的中间部位的两侧，同时所述内腔筒体的中心位置加工有与两所述束流管道同心且相同内径的束流孔，以使所述外腔筒体与所述内腔筒体在所述束流管道位置形成开路端；功率耦合管和功率提取管，对称地连接在所述外腔筒体的中间部位的另外两侧；其中，所述外腔筒体、内腔筒体和环形短路板均为双层复合结构，即三者的外层结构均为高导热材料，内层结构均为高超导性材料。
[0012]所述的复合结构超导谐振加速腔，优选地，所述外腔筒体、内腔筒体环形短路板的内层结构厚度为0.001mm
‑
4mm，所述外腔筒体、内腔筒体和环形短路板的外层结构厚度为4mm
‑
10mm。
[0013]所述的复合结构超导谐振加速腔，优选地，在两所述环形短路板上分别设置有至少一个可开闭的清洗管，所述清洗管的一端与外界相连通，所述清洗管的另一端与所述加速环腔相连通。
[0014]所述的复合结构超导谐振加速腔，优选地，所述功率耦合管和功率提取管的方位与两所述束流管道距离所述外腔筒体一端的距离相同，但是方位相差90度。
[0015]所述的复合结构超导谐振加速腔，优选地，所述束流管道、功率耦合管、功率提取端和清洗管均为单层结构，材料为高超导性材料，厚度为3
‑
4mm。
[0016]所述的复合结构超导谐振加速腔，优选地，所述高导热材料是指在4K温度下的热导率高于100W/mK的材料；所述高超导性能材料是指零磁场下超导转变温度高于9K，同时4K温度下过热磁场高于150mT的材料。
[0017]本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
[0018]1)本专利技术提供的复合超导腔的内层材料为零磁场下超导转变温度高于9K，同时4K温度下过热磁场(SuperheatingField,H
sh
)高于150mT的高超导性能材料，因此本专利技术复合结构超导腔会具有良好的射频性能；
[0019]2)本专利技术提供的复合超导腔的外层材料为在4K温度下的热导率高于100W/mK的高导热材料，因此可以有效增大外层材料的厚度，一方面可以显著提高复合超导腔的机械稳定性，有效抑制氦压波动、洛伦兹失谐、颤噪等因素等带来的频率失谐，另一方面可以为复合超导腔内表面功率损耗产生的热量提供良好的横向传递通道，有效减缓复合超导腔因缺陷、二次电子倍增效应、场致发射效应而出现热失超，显著提高复合超导腔运行的热稳定性；
[0020]3)本专利技术提供的复合超导腔内部空间的电磁波只分布在超导材料表层约三个穿透深度范围内，因此本专利技术的复合超导腔结构可以降低内层材料的厚度，有效减小复合超导腔的制造成本；
[0021]4)本专利技术提供的复合超导腔能够为高流强超导加速器的长时间高稳定运行提供稳定性保障。
[0022]综上，本专利技术从现有的技术出发，超导腔采用高导热材料与高超导性能材料的复合结构，可以在保证超导腔良好射频性能的前提下，显著提升超导腔的机械稳定性和热稳定性，达到超导加速器高稳定运行的目的。
附图说明
[0023]图1为本专利技术实施例一提供的横磁波型复合超导腔的结构示意图；
[0024]图2为图1的剖视示意图；
[0025]图3为该实施例提供的横磁波型复合超导腔的局部结构视图；
[0026]图4为本专利技术实施例二提供的同轴线横电磁波型复合超导腔的主视图；
[0027]图5为图4的剖视示意图；
[0028]图6为该实施例提供的同轴线横电磁波型复合超导腔的俯视图；
[0029]图7为图6的剖视示意图；
[0030]图8为该实施例提供的同轴线横电磁波型复合超导腔的局部结构视本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合结构超导谐振加速腔，其特征在于，该超导谐振加速腔为TM复合超导腔(100)，所述TM复合超导腔(100)包括：加速单元(101)，为椭球形双层壳体结构，所述加速单元(101)的外层结构为高导热材料，内层结构为高超导性材料，所述加速单元(101)的两侧加工有束流端口，相邻两所述加速单元(101)之间通过束流端口依次串联，位于各所述加速单元(101)最外侧的两束流端口分别形成束流注入口和束流引出口；束流注入管道(102)和束流引出管道(103)，分别与所述加速单元(101)的束流注入口和束流引出口对接；主耦合器(104)，与所述束流引出管道(103)相连，所述主耦合器(104)用于向所述TM复合超导腔(100)内部馈入功率；高阶模耦合器(105)，两个所述高阶模耦合器(105)分别与所述束流注入管道(102)和束流引出管道(103)相连；提取端口(106)，与所述束流引出管道(102)相连。2.根据权利要求1所述的复合结构超导谐振加速腔，其特征在于，所述加速单元(101)的外层结构厚度为4
‑
10mm，所述加速单元(101)的内层结构厚度为0.001
‑
4mm。3.根据权利要求1所述的复合结构超导谐振加速腔，其特征在于，所述束流注入管道(102)和束流引出管道(103)为由外层高导热材料和内层高超导性能材料组成的复合材料结构；或者，所述束流注入管道(102)和束流引出管道(103)为高超导性能材料组成的单层结构。4.根据权利要求1所述的复合结构超导谐振加速腔，其特征在于，所述主耦合器(104)和高阶模耦合器(105)的位置相差38
°
。5.一种复合结构超导谐振加速腔，其特征在于，该超导谐振加速腔为TEM复合超导腔(200)，所述TEM复合超导腔(200)包括：外腔筒体(201)，形成所述TEM复合超导腔(200)的外导体；内腔筒体(202)，设置在所述外腔筒体(202)的中心线上以形成所述TEM复合超导腔(200)的内导体，且所述内腔筒体(202)与所述外腔筒体(201)之间形成加速环腔(203)；环形短路板(204)，两个所述环形短路板(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：何源，詹文龙，杨自钦，皇世春，徐孟鑫，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：