【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于加速器物理、超导高频腔领域，涉及一种用于高能同步辐射光源高阶模深度抑制的166mhz四分之一波长超导腔的酸洗工装。
技术介绍
1、超导腔是超导加速器的核心部件。在运行过程中，腔内充满高频电磁场。电磁场与腔的内表面相互作用，为束流提供能量。大部分超导腔采用高纯铌作为原材料。理想状态下，超导腔的内表面应光滑、平整、无杂质，超导腔在运行中的峰值磁场能够接近甚至达到铌材的超导理论极限。在超导腔制造过程中，铌材经过轧制、冲压、机加工、焊接等制造工艺，表面会产生划痕、凹坑、嵌入物、焊接飞溅、沾染油污等。超导腔内表面的这些缺陷，将导致高频腔出现场致发射、磁致失超、二次电子倍增等物理现象，降低超导腔的物理性能，甚至不能正常运行，最终导致研制失败。
2、为了消除超导腔内表面的污染层，通常采用化学抛光的方法来实现。超导腔缓冲化学抛光(bcp)工艺是将氢氟酸hf、硝酸hno3、磷酸h3po4按照体积1:1:2的比例配制成bcp酸液，bcp酸液注入腔内，并在腔内循环流动，使腔内表面的铌材与酸发生蚀刻反应，去除铌材表面100～150μm的污染层。
3、在酸洗过程中，铌和酸化学反应放热，会导致酸温升高，进一步加快化学反应，产生大量氢气，氢气渗入铌材中腐蚀晶格，则可能产生超导腔氢中毒的现象，降低腔的测试性能。所以，酸洗过程中需要设置制冷系统，将酸温控制在15℃以下。如果酸洗工装回路设计不合理，将产生不合理的酸液流向及比例分配，气泡不能及时排除，聚集在腔体的内表面上，阻碍酸液和铌材的蚀刻反应，最终导致超导腔内表面的蚀刻不均
4、高阶模深度抑制的166mhz四分之一波长超导腔，由于频率极低，所以腔的体积较大。即使采用四分之一波长结构，较椭球腔的尺寸大幅降低，但腔的尺寸仍然很大。该腔的外导体直径400mm，腔的轴向法兰间长度为880mm，容积为100l左右。高阶模深度抑制的166mhz四分之一波长超导腔的模型如图1所示。根据工程需要，腔体上有7个开口，且尺寸多样，包括：1个内径为505mm的大束管、1个内径为80mm的小束管、1个内径为100mm的耦合器口、4个内径为30mm的淋洗口等，其中大束管的内径是淋洗口内径的17倍。多达7个的超导腔开口、悬殊的口径比(最大/最小～17倍)、以及位于外导体内部与大束管相对的内导体，直接影响酸液在腔内的流向和流量分配，为超导腔酸洗工装的设计提出了巨大挑战。鉴于高阶模深度抑制的166mhz四分之一波长超导腔结构的复杂性，导致酸液在腔内的流动路径非常复杂，酸液流速的分布不均匀，所以腔体均匀抛光的难度很大。
5、由于高阶模深度抑制的166mhz四分之一波长超导腔的酸洗挑战很大，在采用普通酸洗工装进行酸洗后，发现在大束管过渡段上产生了线条状沟槽缺陷。每一条沟槽的宽约1mm，长约60mm，呈放射状分布在大束管过渡段区域。由于超导腔的性能对内表面的质量极其敏感，上述缺陷是不能接受的。这就需要重新设计酸洗工装，消除酸洗缺陷，恢复腔体内表面的平滑、洁净、无缺陷，保证超导腔的测试性能。
6、国际上，美国阿贡国家实验室在轮辐型超导腔上也发现了线条状沟槽缺陷。美国阿贡国家实验室在轮辐型超导腔的研制过程中，在中间的内导体柱上发现了类似线条状沟槽酸印。但是公知领域内未找到它的解决方案。
7、目前在公知领域没有解决高阶模深度抑制的166mhz四分之一波长超导腔酸洗过程中出现线条状沟槽缺陷的技术方案。
8、高能物理研究所在高能同步辐射光源预研阶段，成功研制了166mhz超导原型腔(166mhz pop腔)，该166mhz pop腔的酸洗工艺是与本专利技术最接近的技术方案。
9、166mhz pop腔的酸洗工装包括密封法兰和连接管路。其中，用于密封酸液的密封法兰由耐酸的聚偏氟乙烯(pvdf)制成，用于法兰之间连接的管路由可溶性聚四氟乙烯(pfa)制成。
10、为了保证166mhz pop腔壁厚去除量的均匀性，超导腔酸洗分为两步。
11、第一步，大束管进液酸洗。166mhz pop腔的大束管朝下，酸液从大束管密封法兰进入腔内，在腔内完成化学蚀刻，通过耦合器密封法兰、信号提取密封法兰、四个淋洗口密封法兰、小束管密封法兰，最后从小束管上的主管道流出。模型如图2所示。酸洗时长为60分钟。
12、酸洗工装共分为2部分：第一部分大束管侧工装(内孔44mm)，第二部分为小束管侧组合工装。
13、第一部分大束管侧工装(内孔44mm)：一个内径44mm pvdf管路作为进液口，一个外径228mm的pvdf法兰作为大束管密封法兰，pvdf的管路与pvdf的法兰连接，作为酸洗工装的第一部分，用于酸液的导入。
14、第二部分小束管侧组合工装：耦合器密封法兰、信号提取密封法兰、四个淋洗口密封法兰、小束管密封法兰均由pvdf材料制成，小束管法兰上侧设置一个内径44mm的pvdf管作为出液口主管道；小束管密封法兰、四个淋洗口密封法兰通过内径20mm的pvdf管和内径44mm的pvdf出液口主管道相连；由于耦合器密封法兰、信号提取密封法兰距离出液口主管道较远，需要一定的灵活性，所以采用内径20mm的pfa软管和内径44mm的pvdf出液口主管道相连。内径44mm的pvdf出液口主管道构成了一个6通。
15、第二步，小束管进液酸洗。166mhz pop腔倒转180度，超导腔的小束管朝下。酸液从小束管下方进入主管道，然后通过小束管密封法兰、四个淋洗法兰、耦合器密封法兰、信号提取密封法兰进入腔内，在腔内完成化学蚀刻，通过大束管密封法兰流出。模型如图3所示。酸洗时长为60分钟。
16、酸洗工装共分为2部分：第一部分为大束管侧工装(内孔20mm)，第二部分为小束管侧组合工装。
17、第一部分大束管侧工装(内孔20mm)：一个内径20mm pvdf管路作为出液口，一个外径228mm的pvdf法兰作为大束管密封法兰，pvdf的管路与pvdf的法兰连接。该部分工装作为超导腔酸液的出口与酸洗系统相连。
18、第二部分小束管侧组合工装：采用第一步中小束管侧的工装，倒转180度后使用。该部分工装作为超导腔酸液的入口与酸洗系统相连。
19、借鉴高能同步辐射光源预研阶段、166mhz pop腔的酸洗工艺设计，对高能同步辐射光源高阶模深度抑制的166mhz四分之一波长超导腔进行了酸洗。虽然166mhz pop腔酸洗后内表面光滑、无酸洗缺陷，满足缓冲化学抛光的要求，但是由于高阶模深度抑制的166mhz四分之一波长超导腔的结构更加复杂、腔上开口多且口径尺寸差异巨大(最大/最小～17倍)，酸液在腔内的流动路径复杂，酸液的流速分布不均匀，导致其酸洗的难度更大。对于高阶模深度抑制的166mhz四分之一波长超导腔，在大束管进液酸洗后，发现在腔的大束管过渡段上产生了线条状沟槽缺陷，破坏了超本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于166MHz四分之一波长超导腔的酸洗工装，其特征在于，包括大束管侧工装、小束管侧组合工装和酸液导流工装；
2.根据权利要求1所述的酸洗工装，其特征在于，所述酸液导流工装包括导酸圆筒(18)和环状圆盘(19)；所述导酸圆筒(18)的底端通过所述腔大束管法兰(1)密封连接与所述大束管侧工装密封连接，顶端的端口封闭；所述环状圆盘(19)套装在所述导酸圆筒(18)上，所述导酸圆筒(18)上设有多个出酸孔。
3.根据权利要求2所述的酸洗工装，其特征在于，所述导酸圆筒(18)的底端与所述环状圆盘(19)之间设有22个所述出酸孔、所述导酸圆筒(18)的顶端与所述环状圆盘(19)之间设有4个出酸孔；根据所述出酸孔距离所述导酸圆筒(18)的底端的位置将所述出酸孔划分为多行；其中
4.根据权利要求3所述的酸洗工装，其特征在于，所述出酸孔的直径为9mm；所述导酸圆筒(18)的内径为44mm、外径为50mm、总长为324mm；第六行、第七行、第八行、第九行的8个出酸孔与所述超导腔系统的大束管过渡段(8)位置相对，用于提高大束管过渡段(8)位置的酸液流速，破
5.根据权利要求3所述的酸洗工装，其特征在于，所述环状圆盘(19)的外径为140mm、厚为4mm，与所述导酸圆筒(18)的底端的距离为250mm，与所述导酸圆筒(18)的顶端的距离为70mm。
6.根据权利要求1或2或3所述的酸洗工装，其特征在于，各所述出酸孔的开口面积之和大于所述导酸圆筒(18)的进酸口截面面积。
7.根据权利要求6所述的酸洗工装，其特征在于，各所述出酸孔的开口面积之和为所述导酸圆筒(18)的进酸口截面面积的1.3倍。
8.根据权利要求1所述的酸洗工装，其特征在于，所述大束管侧工装包括大束管密封法兰(11)、所述第一连接法兰和所述连接管；所述大束管密封法兰(11)一端与所述腔大束管法兰(1)密封连接，另一端通过所述第一连接法兰、所述连接管与所述酸洗设备连接。
9.根据权利要求1所述的酸洗工装，其特征在于，所述超导腔系统的淋洗口法兰包括第一淋洗口法兰(3)、第二淋洗口法兰(4)、第三淋洗口法兰(5)、第四淋洗口法兰(6)；所述小束管侧组合工装包括小束管密封法兰(12)、第一淋洗口密封法兰(13)、第二淋洗口密封法兰(14)、第三淋洗口密封法兰(15)、第四淋洗口密封法兰(16)、耦合器密封法兰(17)、第二连接法兰、主管路和小管路；所述小束管密封法兰(12)与所述腔小束管法兰(2)密封连接，所述第一淋洗口密封法兰(13)、第二淋洗口密封法兰(14)、第三淋洗口密封法兰(15)、第四淋洗口密封法兰(16)分别与对应的第一淋洗口法兰(3)、第二淋洗口法兰(4)、第三淋洗口法兰(5)、第四淋洗口法兰(6)密封连接；所述耦合器密封法兰(17)与所述腔耦合器法兰(7)密封连接；所述第二连接法兰与所述酸洗设备相连；所述主管路分别与所述小束管密封法兰(12)、第二连接法兰连接；所述第一淋洗口密封法兰(13)、第二淋洗口密封法兰(14)、第三淋洗口密封法兰(15)、第四淋洗口密封法兰(16)和耦合器密封法兰(17)分别通过一个所述小管路与所述主管路连接，用于将酸液从耦合器密封法兰(17)、小束管密封法兰(12)和第一淋洗口密封法兰(13)、第二淋洗口密封法兰(14)、第三淋洗口密封法兰(15)、第四淋洗口密封法兰(16)导出或导入，以及将蚀刻过程中产生的氢气导出。
...【技术特征摘要】
1.一种用于166mhz四分之一波长超导腔的酸洗工装，其特征在于，包括大束管侧工装、小束管侧组合工装和酸液导流工装；
2.根据权利要求1所述的酸洗工装，其特征在于，所述酸液导流工装包括导酸圆筒(18)和环状圆盘(19)；所述导酸圆筒(18)的底端通过所述腔大束管法兰(1)密封连接与所述大束管侧工装密封连接，顶端的端口封闭；所述环状圆盘(19)套装在所述导酸圆筒(18)上，所述导酸圆筒(18)上设有多个出酸孔。
3.根据权利要求2所述的酸洗工装，其特征在于，所述导酸圆筒(18)的底端与所述环状圆盘(19)之间设有22个所述出酸孔、所述导酸圆筒(18)的顶端与所述环状圆盘(19)之间设有4个出酸孔；根据所述出酸孔距离所述导酸圆筒(18)的底端的位置将所述出酸孔划分为多行；其中
4.根据权利要求3所述的酸洗工装，其特征在于，所述出酸孔的直径为9mm；所述导酸圆筒(18)的内径为44mm、外径为50mm、总长为324mm；第六行、第七行、第八行、第九行的8个出酸孔与所述超导腔系统的大束管过渡段(8)位置相对，用于提高大束管过渡段(8)位置的酸液流速，破坏酸液在大束管过渡段(8)位置形成酸洗线条状沟槽。
5.根据权利要求3所述的酸洗工装，其特征在于，所述环状圆盘(19)的外径为140mm、厚为4mm，与所述导酸圆筒(18)的底端的距离为250mm，与所述导酸圆筒(18)的顶端的距离为70mm。
6.根据权利要求1或2或3所述的酸洗工装，其特征在于，各所述出酸孔的开口面积之和大于所述导酸圆筒(18)的进酸口截面面积。
7.根据权利要求6所述的酸洗工装，其特征在于，各所述出酸孔的开口面积之和为所述导酸圆筒(18)的进酸口...
【专利技术属性】
技术研发人员：戴劲，张新颖，郭琳，张沛，
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：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。