一种低频四分之一波长加速光速粒子的主动型超导腔

技术领域

本发明属于加速器物理、超导高频技术领域，具体涉及一种低频(166MHz)、强流(>200mA)、高功率(180kW)、四分之一波长加速光速粒子(β＝1)的主动型超导腔(含液氦槽)及其制造方法。

背景技术

射频超导加速腔工作在低温超导状态，具有表面电阻小、腔壁损耗低、大束流孔径、束流稳定性高、运行成本低等优点，具有明显的经济优势和技术优越性。经过半个多世纪的发展，超导腔已广泛应用于对撞机、同步辐射光源、自由电子激光、散裂中子源等各种电子、质子、重离子加速装置。目前，国际上加速器前沿领域的重大项目都将射频超导技术作为首选方案。

超导加速腔分为高β、中β和低β三类，其中β为粒子速度范围，是粒子速度v与光速c的比值，即β＝v/c。

·高β结构(β～1)用于电子、正电子、高能质子加速，通常采用的腔型为椭球腔；

·中β结构(0.2<β<0.7)用于质子和重离子加速，常采用的腔型有轮辐型超导腔(spoke)、半波长腔(HWR)和椭球腔；

·低β结构(β<0.2)用于重离子和质子加速，代表腔型为四分之一波长腔(QWR)、HWR腔和spoke腔。

1987年，Argonne实验室的J.Delayen首次提出了四分之一波长腔的概念，填补了质子、重离子加速器中低能段加速结构的空白。三十年来，四分之一波长腔在加速低速粒子(0.001<β<0.2)的重离子加速器中取得巨大成功，例如美国密西根州立大学(MSU)的稀有同位素束流装置项目(FRIB)采用了80.5MHz、β＝0.085和β＝0.041的两种QWR腔、意大利国家物理研究所(INFN)的重离子加速器项目(ALPI)采用了多种低β铜镀铌QWR腔、加拿大粒子与核物理国家实验室(TRIUMF)的同位素分离器和加速器(ISAC-II)项目采用了106MHz、β＝0.057和β＝0.071的两种QWR腔，法国Spiral-2加速器采用了88.05MHz、β＝0.12的超导QWR腔，意大利莱格纳罗国家实验室研制了80MHz、β＝0.047的超导QWR腔，以色列Soreq核研究中心的应用研究加速器设施(SARAF)采用了88MHz、β＝0.008和β＝0.15的两种QWR腔等等。国内仅北京大学开展了162.5MHz、β＝0.085的QWR腔作为质子加速器的超导加速结构。图1为80MHz、β＝0.047的超导QWR腔，超导腔束流沿外导体底部进入加速间隙，经过一段漂移管，再通过另一侧加速间隙，从另一侧束管离开。

椭球腔是用于加速电子(β＝1)的主要超导腔型，而四分之一波长腔很少采用。图2是典型的500MHz 1个加速单元的椭球腔。2010年后，四分之一波长腔开始使用在电子加速器领域。布鲁克海文国家实验室提出了一种56MHz四分之一波长被动腔，用于相对论重离子对撞机(RHIC)，可以对储存环中的束流聚束并提高束流亮度，如图3所示。双四分之一波长的蟹型腔用于高亮度大型强子对撞机(HL-LHC)，可以对束流进行偏转以提高碰撞亮度。

图3所示的用于相对论重离子对撞机的56MHz四分之一波长被动腔与本发明最接近。该56MHz四分之一波长被动腔由束管、内导体、外导体、内部调谐板、淋洗管、高阶模抑制器管、耦合器管、高阶模耦合器管、信号提取管、加强板、液氦槽等组成，被用来为储存环内的高β粒子束聚束、从而提高束流能量。该腔总长为1348.8毫米，外径为505毫米，束管孔径为100毫米，加速间隙为84.5毫米。该腔体尺寸较大，外导体上有波纹管、和多个与束流方向平行的加强板，制造难度大。液氦槽上的波纹管位于左侧束管外侧。束流的通过方向与传统四分之一波长腔不同，从一侧束管进入，通过加速间隙后从另一侧的束管离开。超导腔外的液氦槽可以存放液氦，为腔提供4K的低温环境。关于56MHz超导腔的制造方法未在公知领域找到相关文献。

现有超导腔型技术的缺点：

1)广泛应用于高β粒子(电子)加速的椭球腔，适用于频率较高的超导腔。当频率较低时，如166MHz，超导腔的直径将高达1800毫米。以目前的工业能力，如此巨大的腔体尺寸是无法制造出来的；此外，过大的超导腔尺寸必将占用宝贵的加速器隧道内空间，是非常不经济的。

2)对于广泛应用的传统四分之一波长腔，被用来加速重离子、质子等低β粒子。由于QWR腔竖直方向的上下不对称性使其束线上总是存在一定强度的横向场，这将引起束流的偏转效应，甚至能导致束流的发射度增长。

3)对于近年提出的56MHz四分之一波长腔，虽然创新性地被用作电子加速器领域，但是该56MHz四分之一波长腔是束流驱动的被动型超导腔，且仅能承载不大于4千瓦的耦合器输入功率，并不用于粒子加速，仅用作聚束。

现有腔型制造方法缺点：

由于椭球腔结构简单，对于常用的频率较高的超导腔，制造难度相对较低，但是对于低频(<500MHz)大尺寸的超导腔，以目前的超导铌材制造、加工成形能力，是无法实现的。对于传统的加速低β粒子的四分之一波长超导腔，由于腔体竖直放置，与本发明超导腔结构明显不同，制造工艺的借鉴意义很低；而对于用于电子加速器领域的56MHz四分之一波长被动腔，目前未在公知领域找到相关文献。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种低频、四分之一波长加速光速粒子的主动型超导腔及其制造方法。本发明的超导腔国内外无成功研制先例、结构复杂，本发明解决了腔的工艺制造难点，成功实现了首支适用于强流高功率166MHz四分之一波长加速电子的主动型超导腔的制造。

本发明的技术方案为：

一种低频四分之一波长加速光速粒子的主动型超导腔，其特征在于，包括位于液氦槽外筒内部的外导体、内导体、内导体小端盖、大束管、小束管、左端盖、右端盖、加强筋、耦合器管、信号提取管、淋洗管；所述液氦槽外筒与液氦槽左端板、液氦槽右端板连接构成液氦槽；其中，

所述内导体位于所述小束管外侧，所述小束管的左端与所述内导体的左端通过内导体小端盖密闭连接，所述小束管的右端外壁与所述内导体的右端通过加强筋连接；所述内导体小端盖与所述左端盖之间具有一定间隔作为加速间隙；

所述内导体位于所述外导体内，所述内导体的右端通过所述右端盖与所述外导体的右端密闭连接，所述右端盖作为腔体短路面；

所述大束管的右端通过所述左端盖与所述外导体的左端开口密闭连接，所述左端盖作为腔体开路面；所述大束管的左端通过大束管法兰与所述液氦槽左端板连接；

所述小束管的右端口通过小束管法兰与所述液氦槽右端板连接，用于电子束流从所述小束管的右端口进入，并从所述小束管的左端口输出经所述加速间隙进入所述大束管后输出；

所述小束管、大束管、外导体、内导体小端盖、内导体、加强筋为同轴放置；

所述外导体上设有耦合器管、信号提取管，分别通过耦合器管法兰、信号提取管法兰与液氦槽外筒上的对应端口密闭连接；所述右端盖上设有淋洗管，通过淋洗管法兰与所述液氦槽右端板上的对应端口密闭连接。

进一步的，所述小束管为内径80毫米、长473毫米的长管；所述内导体为左端口径小于右端口径的圆锥筒，所述内导体的左端直径为160毫米、右端直径为186毫米，所述内导体的外壁与束流方向夹角为1.84度；所述右端盖内沿直径为186毫米，与内导体连接处的倒角为15毫米；所述右端盖外沿直径为390毫米，与外导体连接处倒角为15毫米。

进一步的，超导腔长853毫米，所述外导体内径为390毫米，所述大束管的内径为170毫米，所述耦合器管的内径100毫米，所述淋洗管、信号提取管的内径均为35毫米，所述加速间隙120毫米。

进一步的，所述大束管、淋洗管和内导体小端盖壁厚为5毫米，所述小束管的壁厚为4毫米，所述加强筋的壁厚为4.5毫米，所述外导体、左端盖、右端盖、耦合器管、信号提取管的壁厚均为3.5毫米。

进一步的，所述液氦槽采用无波纹管的设计，所述液氦槽外筒外径为485毫米。

进一步的，所述液氦槽左端板、所述液氦槽右端板的尺寸均为500×500×20毫米，间距为786米；所述液氦槽外筒距外导体39毫米，所述液氦槽右端板距所述右端盖39毫米，所述液氦槽左端板距所述左端盖207毫米；所述液氦槽集成有吊装、准直、支撑结构。

进一步的，所述液氦槽外筒壁厚为5毫米；所述液氦槽左端板、所述液氦槽右端板的壁厚均为20毫米，所述液氦槽左端板、所述液氦槽右端板与所述液氦槽外筒的连接处截面为椭圆弧线，且按长、短轴分别是60毫米和30毫米的椭圆形弧线减薄连接。

进一步的，右端盖内沿直径为186毫米，与内导体通过电子束焊接至密闭连接，连接处的倒角为15毫米；右端盖外沿直径为390毫米，与外导体通过电子束焊接至密闭连接，连接处倒角为15毫米。

进一步的，所述信号提取管与所述耦合器管相对；所述信号提取管为内径35毫米的铌管。

一种低频四分之一波长加速光速粒子的主动型超导腔的制造方法，其步骤包括：

1)在高纯铌的圆板的中心打孔、冲压，制备左端盖、右端盖、内导体小端盖；利用高纯铌板制备大束管、小束管、外导体和内导体；

2)将大束管的左端口与大束管法兰通过电子束焊接，将大束管的右端口与左端盖内沿电子束焊接，得到左端盖组件；

3)将小束管右端口与小束管法兰通过电子束焊接，将内导体小端盖分别与小束管左端口和内导体左端口通过电子束焊接；将淋洗管右端口与淋洗管法兰通过电子束焊接，淋洗管左端口与右端盖通过电子束焊接；然后将所得三个组件及加强筋通过电子束焊接成右端盖组件；

4)将耦合器管和耦合器法兰、信号提取管和信号提取法兰分别通过电子束焊接；然后将所得两组件与所述外导体通过电子束焊接成外导体组件；

5)将外导体组件和右端盖组件通过电子束焊接至一起；再与左端盖组件封焊，得到超导腔；

6)将液氦槽外筒对应的上、下半圆筒与液氦槽的进液口法兰、回气口法兰焊接；然后将上、下半圆筒与液氦槽左端板、液氦槽右端板组装在一起，并氩弧点焊固定，再通过电子束焊接；然后将小束管法兰、淋洗管法兰与液氦槽右端板电子束焊接至一起；大束管法兰与液氦槽左端板电子束焊接至一起；最后将耦合器法兰、信号提取法兰与液氦槽外筒电子束焊接至一起。

本发明提出了一种适用于低频(<200MHz)、强流(>200mA)、高功率(180kW)、四分之一波长加速光速粒子(β＝1)的主动型超导腔，可用于第四代衍射极限光源，为储存环中的电子提供能量。此外，本发明提出了166MHz超导腔的设计标准及迭代过程，主要特点包括：

1)将四分之一波长超导腔引入同步辐射光源领域，用于加速电子，拓展了腔型的应用范围。

2)经过充分优化，本发明的超导腔结构设计合理，超导腔体无波纹管结构，加强筋简单，具有良好的微波性能、机械性能，体积大小适中，便于加工制造。

3)本发明超导腔是主动型超导腔，需要固态功率源提供能量。166MHz主动型超导腔需要提供的功率是布鲁克海文国家实验室提出的56MHz四分之一波长被动型超导腔的45倍，高功率传输过程中导致的腔内电磁场分布变化、腔内电子轨迹、耦合器管功率密度、发热及冷却等均需要重点关注，所以超导腔耦合器口的位置、直径和铌管高度需要优化确定，超导腔耦合器口的结构不同，以确保超导腔可以通过180千瓦的耦合器输入功率、200mA的电子束流流强，可以经受大功率、高流强的考验。本发明超导腔的特点总结如下：a)本发明对166MHz超导腔结构进行仿真优化设计，外导体上不采用波纹管状的结构，可以实现二次电子倍增的抑制，腔体结构更加简洁，同时降低制造难度，节省制造成本。b)166MHz超导腔耦合器口的尺寸大，位于外导体上，耦合器口铌管的直径和高度经过仔细优化，满足大功率下、超导腔内表面低微波损耗的要求，避免过热及失超；56MHz超导腔耦合器口的尺寸小，位于右端盖上，因为通过的功率小，所以设计较简单。c)166MHz超导腔内导体并不是完全水平，有1.84度的倾角，便于4.2K工作时，避免液氦气泡在内导体外壁上聚集，降低液氦对腔体的冷却效果，从而引发失超。d)56MHz超导腔上有多个条状的加强板，用于局部加强，结构复杂；166MHz超导腔仅在内导体和小束管中间，增加了一个碗状加强筋，加强筋的结构简单，便于制造。以上改进需要进行电磁、机械、热等多物理仿真优化得到。

4)设计了一种无波纹管、高强度、机械稳定性好的液氦槽，通过优化液氦槽左右端板结构、端板与氦槽的倒角、氦槽壁厚等，使得氦槽对液氦压力不敏感、具有低洛伦兹失谐系数、屈曲安全等优势。本发明液氦槽无波纹管，因为波纹管更加容易导致氦槽真空泄露、制造难度大、成本高；此外，因为液氦槽需要平衡液氦对液氦槽和腔的相互作用力，而液氦槽的一些尺寸对槽腔整体的机械性能影响较大，比如左右端板的厚度、端板与外筒连接处的椭球弧段尺寸，因此这些重点尺寸通过优化并确定也是创新点。

5)给出了166MHz四分之一波长超导腔的设计流程。

6)探索适用于本结构的超导腔制造方法。

因为该超导腔无成功制造先例，且结构复杂，虽然采用卷筒、冲压、电子束焊接等传统制造方法，仍需要探索适用于本结构的超导腔制造方法。根据力学仿真给出合理的腔体壁厚；结合腔的电磁场分布、部件尺寸、成型工艺比较等确定焊缝位置，尽量减少强电磁场区的焊缝数量；根据腔体的结构特点，设计本腔型的制造工艺、制定焊接顺序；为了保证超导腔的尺寸精度，制定尺寸精度保证措施；鉴于超导腔对内表面质量的超高要求，在制造中严格跟踪、保护内表面质量。

本发明解决了腔的工艺制造难点，成功实现了首支适用于强流高功率166MHz四分之一波长、加速电子的主动型超导腔的制造，其涉及的关键点如下：

1)本发明提出了166MHz超导腔的设计流程。流程图中给出了超导腔电磁设计和机械设计的判选标准及双向迭代的设计过程。

2)本发明提出了一种低频(166MHz)、强流(>200mA)、高功率(180kW)、四分之一波长加速光速粒子(β＝1)的主动型超导腔结构。束流从超导腔小束管进入，通过加速间隙后，从大束管离开，具有较大的束流孔径，可以实现更优的束流稳定性；优化后电磁性能优秀，在12.5MV/m的工作腔压下，腔表面的峰值电场和峰值磁场分别小于40MV/m、65mT；无结构不对称导致的束流偏转效应；右端盖上均布的四个淋洗管可以保证腔内表面的所有位置都可以被高压水冲洗到；内导体的倾角设计可以保证液氦气泡的流动及排出；经过结构优化，超导腔外导体上无波纹管，且无结构性的二次电子倍增区间，均是软的二次电子倍增障碍带；耦合器口的直径、位置、高度优化后可以确保腔体通过180千瓦的功率；加强筋结构简单，且能有效降低腔体的峰值应力，使腔具有良好的机械稳定性。

3)本发明提出了166MHz超导腔的液氦槽结构。该液氦槽采用无波纹管的设计，增强了腔的机械强度，且结构简单、便于制造，可以避免由波纹管引入的泄露风险，同时降低氦槽的制造难度和制造成本。氦槽的两侧端板设计为厚的方板，既可以增加槽腔的机械稳定性，降低应力和氦压灵敏度，又可以作为底座支撑，同时还集成了机械准直孔和吊装孔，实现了多功能、一体化的便捷设计。

4)超导腔的壁厚选择

超导腔的壁厚太厚会影响液氦对腔体的冷却，太薄又将导致腔体应力超标和机械稳定性差的问题。经过充分的计算优化，大束管、淋洗管和内导体小端盖的壁厚增加至5毫米，小束管壁厚增加至4毫米，加强筋壁厚增加至4.5毫米，超导腔其余位置壁厚为3.5毫米，同时增加了碗状加强筋，腔上的峰值应力满足了应力安全性要求。

通过优化槽腔的应力和氦压灵敏度参数，确定了液氦槽的壁厚。液氦槽的外筒壁厚为5毫米；左右端板选为壁厚20毫米的方板，端板与液氦槽外筒的连接处，按长短轴分别是60毫米和30毫米的椭圆形曲线减薄，大幅降低了应力和氦压灵敏度等参数。

5)超导腔的焊缝位置选择

为了降低电子束焊接引入内表面缺陷的风险，超导腔的电子束焊缝位置选择至关重要，需要精心选择和特别设计。焊缝应尽量选在电磁场较弱的区域，强场区的焊缝最好为正面焊，背成形焊缝应尽量选在电磁场较弱且可以打磨的区域。强电场区和强磁场区各有2道焊缝，且都可以正面焊。极大降低研制风险。

6)超导腔的制造工艺及焊接顺序设计

由于166MHz超导腔结构复杂，没有成功研制先例，虽然采用传统的制造工艺，但仍需根据超导腔体的结构特点，设计制造工艺、制定焊接顺序。

制造工艺设计：其中左端盖、右端盖采用整片高纯铌的圆板冲压成型，然后再次冲压和拔口；大束管和小束管用整片高纯铌板进行卷筒，然后电子束焊接和矫圆；外导体用整片高纯铌板进行卷筒，电子束焊接后矫圆和拔口；内导体采用冲压成型后电子束焊接；耦合管、信号提取管、淋洗管和加强筋通过机加工完成制造；所有法兰用铌钛材料通过机加工完成制造；液氦槽端板通过机加工完成制造；液氦槽外筒冲压后然后进行电子束焊接、矫圆和拔口。

焊接顺序：超导腔先焊接左端盖组件、右端盖组件、外导体组件三个组件，最后三个组件封焊。最后焊接完成的超导腔和液氦槽组焊。

7)频率控制、尺寸精度保证及内表面质量控制措施

提出了166MHz超导腔频率控制方案设计，将外导体长度选作自由参数补偿超导腔的频率偏移。根据不同部件壁厚、结构的差异，调整部件间的止口设计，以确保焊接件的精度。对于关键部件或关键尺寸，通过校型实现尺寸的精确控制。内表面质量控制措施，比如内窥镜检查、打磨砂纸的规格选择及使用顺序等。

本发明的优点如下：

本发明的优点是提出了一种适用于低频(<200MHz)、强流(>200mA)、高功率(180kW)、四分之一波长加速光速粒子(β＝1)的主动型超导腔，可用于第四代衍射极限光源，为储存环中的电子提供能量。

本发明超导腔体积适中，腔体尺寸合理、便于制造，解决了低频椭球腔体积过大无法制造的问题；同时，由于腔体水平放置使用，避免了由于结构不对称引起的横向场、避免束流的偏转效应；超导腔外导体无波纹管设计，无结构性的二次电子倍增区间，结构简洁。此外，本发明超导腔是主动型超导腔，可以经受大功率(180千瓦的耦合器输入功率)、强流(200mA)的考验。仅有一个碗状加强筋即可满足应力稳定性要求，便于制造，降低制造难度。液氦槽采用无波纹管的创新型结构，极大提高了超导腔的强度、降低了洛伦兹失谐系数、增强了屈曲安全性。仿真发现在相同的液氦压力下，液氦槽左右端板变形较大；通过加厚液氦槽端板、优化端板与氦槽外筒处的倒角，最终提出了局部加厚的方板作为氦槽端板，倒角为长短轴分别是60和30毫米的椭圆弧，从而降低槽腔的氦压灵敏度，同时腔体和氦槽上的应力、洛伦兹失谐系数得到了进一步的降低；该设计还集成了吊装、准直、支撑等功能，实现了一体化的便捷设计。

因为该超导腔无成功制造先例，且结构复杂，虽然仍采用卷筒、冲压、电子束焊接等超导腔制造方法，仍需要探索适用于本结构的超导腔制造方法。本发明给出了合理的腔体壁厚、选择超导腔焊缝位置、设计制造工艺、制定焊接顺序、制定频率控制方案、保证腔体尺寸精度、内表面质量控制等。

附图说明

图1为传统的低β(0.047)80MHz的超导QWR腔。

图2为北京正负电子对撞机500MHz椭球型超导腔。

图3为56MHz四分之一波长被动腔。

图4为166MHz超导腔设计流程图。

图5为超导腔结构示意图。

图6为超导腔外观视图。

图7为小束管结构示意图。

图8为内导体小端盖结构示意图。

图9为内导体结构示意图。

图10为加强碗结构示意图。

图11为右端盖结构示意图。

图12为外导体结构示意图。

图13为左端盖结构示意图。

图14为大束管结构示意图。

图15为耦合器口结构示意图。

图16为液氦槽结构示意图。

图17为槽腔壁厚示意图。

图18为超导腔爆炸图。

图19为超导腔三个组件焊后示意图；

(a)左端盖组件，(b)右端盖组件，(c)外导体组件。

图20为超导腔封焊后示意图。

图21为超导腔和液氦槽组焊后示意图。

图22为部件间的止口结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明提出了一种适用于低频(<200MHz)、强流(>200mA)、高功率(180kW)、四分之一波长加速光速粒子(β＝1)的主动型超导腔。

1、166MHz超导腔设计流程

166MHz超导腔设计流程图如图4所示。超导腔的电磁设计和机械设计是一个双向迭代的设计过程。

·腔型选定后，通过优化超导腔结构和腔的端口，降低峰值电场比和峰值磁场比、提高特征阻抗和几何因子，开展高阶模分析和二次电子倍增效应分析，使腔的电磁性能满足设计要求；超导腔外导体直径应尽量小，以降低腔体尺寸，减小制造难度；腔的小束管与内导体间的距离应适当增大，以便于液氦流动；加速间隙应尽量大，以提高纵向加速空间利用率；内导体由圆筒形改为锥形，倾斜一定角度可以避免液氦气泡不能及时排出；淋洗管应保证高压水冲洗范围覆盖腔内全部表面；耦合器口的位置、直径和高度应可以满足180千瓦功率通过的考验、腔内电子轨迹不会直接撞击窗表面，且应冷却得当；信号提取口位置一般选在耦合器口对面，避免由于结构不对称对束流产生影响；所有端口的高度应考虑微波漏场在表面的发热情况，和对氦槽体积的影响。优化后的超导腔结构及端口见图5和图17中的腔体部分。

·在腔体结构满足电磁性能要求后，进行腔体壁厚和部分结构的优化。仿真观察腔上应力最大的位置，通过增大部分位置倒角，比如：外导体与左右端盖连接倒角、内导体与右端盖连接倒角、淋洗管倒角等，并局部增加腔的壁厚，必要时设计尽量简洁的加强筋等，来降低腔上的应力，降低氦压灵敏度和洛伦兹失谐系数，提高调谐能力，直至满足裸腔检漏和垂直测试的性能要求；结构调整后的模型需要重新校核电磁参数；优化后的壁厚调整及倒角结构见图5和图17的腔体部分。

·通过优化氦槽结构，氦槽采用无波纹管设计，优化左右端盖的壁厚，最终采用局部加厚的方板设计，同时外导体与左右端板的倒角被优化为长短轴分别为30和60毫米的椭圆弧，降低腔上的应力，降低氦压灵敏度和洛伦兹失谐系数，提高调谐能力，检查机械振动、屈曲安全和疲劳等性能，直至满足槽腔检漏、垂直测试、水平测试和运行的性能要求。

2、超导腔及液氦槽的结构设计

超导腔的部件包含：外导体、内导体、内导体小端盖、大束管、小束管、左端盖、右端盖、加强筋、耦合器管、信号提取管、淋洗管等；液氦槽位于超导腔外，由液氦槽外筒和液氦槽端板组成。超导腔及液氦槽的结构如图5所示。

四分之一波长腔结构可以简化为一端短路、一端开路的同轴传输线。

小束管用于束流通过，电子束流从小束管右侧进入，并从小束管左侧出来，进入加速间隙。小束管管径太小对束流稳定性不利，太大将影响液氦空间。经过优化，小束管为内径80毫米、长473毫米的长管，如图7所示。小束管位于内导体里面，小束管左端通过电子束焊接与内导体小端盖密闭连接，小束管、大束管、外导体、内导体小端盖、内导体、加强筋等均为同轴放置。

内导体小端盖用于连接小束管和内导体，内导体小端盖与左端盖之间产生电场，是腔内的强电场区，粒子通过加速间隙时，获得能量，粒子被加速。内导体小端盖的大小、倒角尺寸需要优化，以降低峰值表面电场。内导体小端盖的结构如图8所示。内导体小端盖内沿为直径80毫米的薄壁圆筒与小束管左端电子束焊接至密闭连接，外沿为160毫米的薄壁圆筒与内导体左侧电子束焊接至密闭连接。内导体小端盖、小束管、内导体为同轴放置。

内导体为一个圆锥筒，磁场分布在内导体与外导体间。磁场与内外导体同心，为闭合的圆周磁力线，磁场在内导体右端及右端盖上最强，超导腔由于微波损耗而发热，磁场最强的位置发热最大，所以需要重点优化，降低峰值磁场比，增加液氦对腔的冷却能力。经过优化，内导体左端直径为160毫米，内导体右端直径为186毫米，如图9所示。内导体与水平方向夹角为1.84°，目的是让液氦产生的气泡可以在内导体上由左到右地流动，最终从右端盖一侧排出，避免液氦气泡在内导体外壁上聚集，降低液氦对腔体的冷却效果，从而引发失超。内导体左侧与内导体小端盖通过电子束焊接密闭连接，内导体右侧与右端盖内沿通过电子束焊接密闭连接。同时，为了减小腔上最大应力，同时推高最小的模态固有频率，在超导腔内导体和小束管右端外壁之间，同轴放置一个加强筋。优化后，腔体设计稳定性良好，无需复杂的加强筋即可满足机械稳定性要求，与片状结构的加强筋相比，碗状加强筋的性能更优，如图10所示。整个腔体上仅此一处加强筋，加强筋设计非常简洁。

右端盖作为腔体短路面，是磁场较强区域，需要重点降低磁场峰值表面场。增加强磁场区的体积可降低峰值表面磁场，同时右端盖与内导体和外导体相连位置的倒角也影响腔体的峰值磁场及应力分布。优化后，右端盖内沿直径为186毫米，与内导体通过电子束焊接至密闭连接，连接处的倒角为15毫米；右端盖外沿直径为390毫米，与外导体通过电子束焊接至密闭连接，连接处倒角为15毫米，如图11所示。为了确保淋洗管能覆盖腔内表面所有位置，比较发现，右端盖上至少要开4个淋洗管才能满足要求，最终确定淋洗管数量为4个。考虑到基模漏场及高压水喷淋的空间需求，淋洗管内径选为35毫米，均匀分布在端盖上，淋洗管法兰距右端盖内表面的距离为80毫米。由于淋洗管与右端盖的倒角过小会引起峰值表面场的增加，倒角过大则将导致淋洗管的拔口难度太大，所以优化后倒角尺寸选为15毫米。淋洗管左端通过电子束焊接与右端盖密闭连接。

外导体为一个薄壁圆筒结构，外导体和内导体为同轴结构，在内外导体的共同作用下，磁场分布在内外导体间，是与内外导体同轴心的闭合磁力线。外导体右端与右端盖外沿通过电子束焊接至密闭连接，外导体左端与左端盖外沿通过电子束焊接至密闭连接。优化后，直径为390毫米的外导体结构可满足腔体峰值表面场的要求，所以腔体结构紧凑，尺寸合理，降低了制造难度。由于外导体上没有波纹管，所以腔体结构稳定性良好，外导体上无需增设加强筋，结构简洁。外导体上设有耦合器管端口和信号提取管端口。外导体结构如图12所示。

左端盖作为腔体开路面，左端盖内表面和内导体小端盖之间的部分为加速间隙。左端盖与内导体小端盖共同作用，使得电场聚集。当束流经过加速间隙时被加速，且保持表面峰值电场尽量小。当左端盖内沿直径减小时，电场的聚焦作用得到提高，调谐灵敏度得到提高，但是不利于高次模的引出，所以需要优化，找到一个最优的解。经过仿真优化，左端盖内沿直径选为170毫米，左端盖内沿与大束管右端电子束焊接至密闭连接；左端盖外沿为390毫米，左端盖外沿与外导体左端电子束焊接至密闭连接。左右端盖为平行关系，均垂直于束流方向。左端盖结构如图13所示。

大束管用于束流通过。束流从小束管进入，经过加速间隙后被加速后进入大束管，最后从大束管左端离开。大束管的内径增加，有利于超导腔高次模的引出，但是内径太大将降低超导腔的电场聚集作用，不利于腔内电场的建立。优化后大束管的内径为170毫米，结构如图14所示。大束管的右端与左端盖的内沿通过电子束焊接至密闭连接。

耦合器管端口是连接超导腔与耦合器的接口，耦合器将180千瓦的功率通过耦合器管传入腔内，同时，由于耦合器陶瓷窗无法经受电子的轰击，所以耦合器管的直径、高度、位置需要经过仔细仿真，才能确定。经过优化，耦合器位置越靠近强电场区，电子轨迹更有可能轰击到腔上，所以耦合器位置为中心距腔的右端盖内表面160毫米；为了承载180千瓦的高功率，耦合器口直径加大到100毫米，耦合器管法兰到外导体内表面的高度增加至120毫米，防止耦合器管功率密度过大导致过热及失超，结构如图14所示。耦合器管位于超导腔的外导体上，耦合器管下部与腔的外导体通过电子束焊接至密闭连接，耦合器法兰与液氦槽外筒通过电子束焊接密闭连接。

信号提取管端口是用来放置信号提取探针检测腔内电磁场变化的端口。信号提取端口的位置一般与耦合器端口相对，以减少束流由于结构不对称导致的偏转效果。信号提取管端口的直径不需要很大，铌管的高度需满足基模漏场的要求，最终信号提取管的内径选为35毫米，信号提取管法兰到外导体内表面的高度为80毫米。信号提取管位于超导腔的外导体上，信号提取管上部与腔的外导体通过电子束焊接至密闭连接，信号提取法兰与液氦槽外筒通过电子束焊接密闭连接。

超导腔工作时，基模在腔体内表面产生微波损耗，产生一定的热量。这些热量需要被4.2K的液氦冷却带走，否则将引起超导腔温度升高，如果温度增加至9K则腔体失超从而无法正常工作。所以液氦槽应提供足够多的4.2K液氦，为超导腔冷却。

液氦槽通过大束管法兰、小束管法兰、耦合器管法兰、信号提取管法兰与超导腔电子束焊接至密闭连接。液氦位于超导腔外和液氦槽内的空间。液氦对超导腔施加的是向腔内的压力，对液氦槽施加的是向液氦槽外的压力。在束流方向，相同的液氦压力下，液氦向腔内的等效推力，液氦施加到氦槽上、等效为向腔外的拉力，如果推力和拉力相互抵消，则腔体的氦压灵敏度最优。

液氦槽外筒是在超导腔外导体、大束管外的一个圆柱形筒；液氦槽外筒上有两个开口，分别与超导腔耦合器管法兰、超导腔信号提取管法兰通过电子束焊接至密闭连接。液氦槽外筒与超导腔大束管、内导体、外导体均是同轴放置。液氦槽左右端板分别为20毫米厚的钛板，液氦槽左侧端板外沿与液氦槽外筒左端通过电子束焊接至密闭连接；液氦槽左侧端板内沿与超导腔大束管法兰通过电子束焊接至密闭连接；液氦槽右侧端板外沿与液氦槽外筒右端通过电子束焊接至密闭连接；液氦槽右侧端板与超导腔小束管法兰、四个淋洗管法兰通过电子束焊接至密闭连接；液氦槽端板(包括液氦槽端板左端板、液氦槽端板右端板)与超导腔左端盖、超导腔右端盖平行。

在结构优化过程中，圆筒结构的液氦槽外筒强度较高，所以圆筒型的氦槽筒被选用。此外，液氦槽外筒的直径应尽量大，以保证能充足的液氦空间；但是液氦槽太大将导致信号提取管和耦合器管太长，强度降低，增加制造难度。经过优化，液氦槽外筒的外径为485毫米。液氦槽外筒上无波纹管，大大减小了波纹管可能引入的泄露风险、降低制造难度，同时无波纹管的液氦槽结构将大大提高了超导腔的强度、降低了洛伦兹失谐系数、增强了屈曲安全性。

液氦槽左右端板用来与液氦槽外筒和超导腔密闭连接，同时由于相同压力下，液氦作用到液氦槽左右端板上的压力大于液氦作用到腔上的压力，所以需要增加液氦槽端板的强度。当液氦槽端板的壁厚增加、同时加大液氦槽端板与液氦槽外筒间的椭圆弧长轴，槽腔的氦压灵敏度最终降至-0.9Hz/mbar，满足设计要求。同时，加厚的液氦槽端板提高了槽腔的整体刚度，腔上应力也大幅降低、槽腔的屈曲性能良好。同时，液氦槽底部设有液氦进液口，顶部设有氦回气口。为了便于槽腔安装，将液氦槽端板修改为方板结构，方板底部作为安装底座，稳定性好；方板侧面和顶面设有吊装孔和准直孔，形成多功能、一体化的便捷设计。液氦槽结构如图16所示。

超导腔

通过设计、优化，腔体尺寸大幅降低，适宜加工，其中：超导腔长853毫米，腔体外导体内径为390毫米，内导体左侧外径160毫米，内导体与水平方向(即束流方向)夹角为1.84度，大束管内径为170毫米，小束管内径为80毫米，耦合器管内径100毫米，淋洗管和信号提取管内径为35毫米，加速间隙120毫米。该结构的特点如下：

·束流从小束管进入，通过加速间隙后，从大束管离开，具有较大的束流孔径，可以实现更优的束流稳定性。

·腔体结构经电磁场仿真优化后，在12.5MV/m的工作腔压下，腔表面的峰值电场和峰值磁场分别小于40MV/m、65mT，特征阻抗和几何因子性能优异。

·腔体长853毫米，外径397毫米，体积大小适中。

·耦合器管用于安装高功率耦合器并向腔内馈入高功率，可以承受180kW功率馈入的考验；信号提取管的位置与耦合器管的位置相对，可以减小由于结构不对称导致的束流偏转效应。

·腔体的右端盖上均布了四个淋洗管，可以保证腔体内表面的所有位置都可以被高压水冲洗到，以保证腔内的洁净度。

·由于腔体横着放置，且运行在4.2K的低温系统中，设计了内导体与水平方向(即束流方向)具有1.84度倾角，用于加速液氦气泡的流动，及时向上排出，倾角结构见图17。如果无倾角设计，内导体与小束管间隙里的液氦气泡，可能会积在内导体上无法排除，当气泡不断增大，将影响腔的冷却，进而引发失超，造成超导腔无法工作。

·该超导腔无结构性的二次电子倍增区间，且是软的二次电子倍增障碍带。

·加强筋仅有一个，碗状加强筋位于小束管和内导体间，数量少且结构简单，使整个腔体设计非常简洁，加强筋对制造友好。超导腔的峰值应力满足要求，机械稳定性良好。

液氦槽

液氦槽的尺寸如下：液氦槽外筒外径为485毫米，液氦槽端板尺寸为500×500×20毫米，两个液氦槽端板的距离为786毫米，液氦槽外筒内径与液氦槽端板为椭圆倒角连接，椭圆弧的长、短半径分别为60毫米和30毫米；液氦槽外筒距腔外导体的外表面39毫米，液氦槽右端板距腔的右端盖39毫米，液氦槽左端板距腔的左端盖207毫米，液氦容积71升，液氦容积及腔外液氦分布满足冷却超导腔的要求。该结构的特点如下：

·液氦槽采用无波纹管的设计，通过合理选择氦槽壁厚、端板与外导体连接处的倒角优化，虽然无波纹管，硬连接的结构也满足了超导腔调谐要求和腔体的应力安全要求。

·液氦槽的端板采用两块厚方板制成，既能增加槽腔的机械稳定性，降低应力和氦压灵敏度，又可以作为底座支撑整个结构，同时端板顶端还设计了机械准直孔、吊装孔，以满足槽腔水平测试的准直需求和日常的运输吊装需求。

·无波纹管的液氦槽，结构简单、便于制造，可以大幅降低制造难度和制造成本。

·槽腔有强度高、机械稳定性好的特点，满足麦克风效应和屈曲安全的要求，具有低洛伦兹失谐系数等优势。

3、超导腔壁厚选择

目前，超导腔的材料主要是高纯铌(RRR>300)，液氦槽的材料主要是钛或不锈钢。在本设计中，液氦槽材料选为钛，与腔上的铌钛法兰通过电子束焊接至密闭连接。

超导腔材料纯铌的导热系数较小，约为52.3W/m-K。为了保证超导腔内表面在低温下维持超导态，超导腔的壁厚不宜选择太大，从而影响液氦对腔体的冷却。但是由于高纯铌的机械性能较差，常温下的屈服强度约为70MPa，太小的腔体壁厚又将引入腔体应力超标和机械稳定性差等问题。所以合理选择超导腔铌材壁厚是一个需要充分计算的优化过程。

首先，根据应力分布调整超导腔壁厚，对应力大的腔体局部进行壁厚加厚，以兼顾了铌材导热性能。调整后，大束管、淋洗管和内导体小端盖的壁厚增加至5毫米，小束管壁厚增加至4毫米，加强筋壁厚增加至4.5毫米，超导腔其余位置壁厚为3.5毫米，如图17所示。调整后的超导腔应力由151兆帕降至72兆帕，应力改善明显。

然后，为了继续降低腔上峰值应力，同时提高腔体稳定性，增加碗状加强筋设计，腔上的峰值应力降低至43兆帕，满足了应力安全性要求。

最后，通过槽腔的应力和氦压灵敏度参数，优化氦槽的壁厚。氦槽的外筒壁厚为5毫米；由于左右端板在液氦压力下变形较大，约0.2毫米，经过不断优化，最终左右端板选为壁厚20毫米的方板，端板与液氦槽外筒的连接处，按长短轴分别是60毫米和30毫米的椭圆形曲线减薄，如图17所示。该液氦槽壁厚设计大幅降低了腔上的应力和氦压灵敏度。

4、超导腔的焊缝位置选择

电子束焊接因为具有焊接的精度高、焊缝的影响区域小、深宽比大、焊缝化学成分纯净等优势，是国际上超导腔制造普遍选择的焊接技术。电子束焊接作为超导腔制造必不可少的关键技术，是不可或缺的。但是电子束焊接控制难度大，如不能找到最佳参数组合，焊缝很可能出现杂质、凹坑、气孔、咬边、褶皱等质量缺陷。一旦出现上述问题，很难补救。超导腔性能对腔内表面质量极其敏感，超过200um的凹坑就能引起热不稳定性的发生，所以，超导腔的电子束焊缝位置选择至关重要，应遵循以下原则，以降低电子束焊接可能引入的风险。

·焊缝应尽量选在电磁场较弱的区域。

·因为电子束正面焊的焊缝质量要远高于背成形焊接，所以强场区的焊缝最好为正面焊，而无法避免的背成形焊缝应尽量选在电磁场较弱且可以打磨的区域。

焊缝位置即超导腔爆炸图见图18。其中，强磁场区仅有2道焊缝，即内导体右侧与右端盖内沿的连接焊缝，和内导体卷筒的焊缝，两者都可以正面焊接；强电场区仅有2道焊缝，即内导体左侧与内导体小端盖的连接焊缝，和大束管右端和左端盖内沿的连接焊缝，两者也都可以正面焊。

5、超导腔的制造工艺及焊接顺序设计

在超导腔和液氦槽焊缝位置选择完成后，需要对各个零部件进行制造工艺设计。本发明采用的制造工艺包括：冲压、拔口、卷筒、胀形、电子束焊接和校型等，虽然采用的是传统的制造工艺，但是由于腔型结构复杂，没有成功研制先例，所以仍需根据本发明超导腔体的结构特点，设计该腔的制造工艺、制定焊接顺序。

制造工艺设计如下：

左端盖：在整片高纯铌的圆板的中心打孔，冲压实现左端盖外沿成型，然后再次冲压，实现左端盖中间部分的成型；

右端盖：在整片高纯铌的圆板的中心打孔，冲压实现右端盖外沿成型，然后再次冲压，实现右端盖中间部分的成型，最后再在右端盖上完成四个淋洗管的拔口；

内导体小端盖：在整片高纯铌的圆板的中心打孔，冲压实现内导体小端盖外沿成型，然后再次冲压，实现内导体小端盖中间部分的成型；

大束管和小束管：用整片高纯铌板进行卷筒，并通过电子束焊接完成制造，最后矫圆；

外导体：用整片高纯铌板进行卷筒，并通过电子束完成外导体水平方向拼缝的焊接，最后矫圆；在外导体筒上实现耦合器管和信号提取管的拔口；

内导体：内导体分上下两半，每半个内导体通过冲压成型，然后上下两半拼缝位置通过电子束焊接至密闭连接；难点在于：由于超导腔内导体为锥筒，尺寸精度掌控困难，采用普通的矫形手段，很难满足超导腔的精度要求。本发明通过改进材料裁切精度，卷筒精度控制等方法不断改进制造工艺，同时通过不断摸索，发现在卷筒过程中，可将内导体锥筒内径适当做小，焊接完成后通过胀形将锥筒尺寸加工到位。该方法适用性好，精度高，是非常有效的制造手段。

耦合管、信号提取管和淋洗管：通过机加工完成制造；

加强筋：通过机加工完成制造；

所有法兰：铌钛材料制成，通过机加工完成制造；

液氦槽端板：通过机加工完成制造；

液氦槽外筒：用钛板进行冲压成型，并通过电子束焊接完成制造，最后矫圆；在外导体筒上实现所需的拔口。

焊接顺序如下：

超导腔先焊接为三个组件：左端盖组件，右端盖组件，外导体组件，最后三个组件封焊。最后将超导腔和液氦槽电子束焊至一起。三个组件焊后的结构如图19所示，超导腔封焊后的结构如图20所示，超导腔和液氦槽组焊后的结构如图21所示。

·左端盖组件：大束管的左端口和大束管法兰通过电子束焊接；然后这个大束管的右端口与左端盖内沿电子束焊接成左端盖组件；

·右端盖组件：小束管右端口和小束管法兰通过电子束焊接；内导体小端盖分别与小束管左端口和内导体左端口通过电子束焊接；淋洗管右端口和淋洗管法兰通过电子束焊接，然后淋洗管左端口与右端盖通过电子束焊接至一起；然后三个小组件及加强筋通过电子束焊接成右端盖组件；

·外导体组件：耦合器管和耦合器法兰、信号提取管和信号提取法兰分别通过电子束焊接；然后两个小组件再和外导体电子束焊接成外导体组件；

·超导腔封焊：第一步先将外导体组件和右端盖组件通过电子束焊接至一起；第二步，再和左端盖组件封焊，实现整腔的最后焊接。

·超导腔和液氦槽组焊：液氦槽的外筒分为上下半圆筒，先与液氦槽的进液口法兰、回气口法兰焊接；两个液氦槽的上下半圆筒和两个液氦槽端板组装在一起，并氩弧点焊固定，再同时电子束焊接这四道焊缝；腔的小束管法兰、四个淋洗管法兰先后与液氦槽右侧端板电子束焊接至一起；大束管法兰与液氦槽左侧端板电子束焊接至一起；最后，耦合器法兰、信号提取法兰与液氦槽外筒电子束焊接至一起。

6、频率控制方案

超导腔的频率控制是超导腔研制的重要内容，所以腔体的频率控制非常重要。经过比较，我们将超导腔的外导体长度选作自由参数，用来补偿超导腔在制造过程中由于尺寸误差导致的频率偏移。

同时，经过对缓冲化学抛光、降温、洛伦兹失谐、氦压等性能引起的频率变化仿真，确定超导腔常温出厂时的目标频率。在超导腔制造完成后，通过调谐器挤压或拉伸腔体，使其外导体长度发生变化，令超导腔的强电场/强磁场区体积随之产生微小的改变，从而调节频率，以补偿由于腔内表面后处理、降温、束流负载等因素导致的频率不确定性偏移。

7、尺寸精度保证

超导腔加工过程中，会根据不同部件壁厚、结构的差异，调整部件间的止口设计，以确保焊接件的精度。图22是166MHz超导腔的淋洗管位置的止口设计。

对于关键部件或关键尺寸，如：加速间隙距离、内导体和大束管的同心度、四个淋洗管与右端盖的垂直度等，通过校型实现更精确的控制。

在超导腔和液氦槽的制造过程中，通过质量跟踪卡全程记录部件状态。

8、内表面质量控制

铌材到货后，首先要检查铌材表面的质量，对有缺陷的位置打磨处理。经过挑选，将质量更好的一侧作为微波面。

在部件成型过程中，铌材表面和模具表面，要充分清洁，确保整洁、无污染、无灰尘颗粒等，避免在成型过程中造成缺陷嵌入等。

在电子束焊接前，需要对部件进行超声清洗，纯水冲洗，并使用缓冲化学抛光去除表面污染层，酸洗后再次纯水冲洗后，在百级洁净间晾干。

当制造完成后，采用迪光(DinoCapture)内窥镜检查腔体内表面，对发现的缺陷进行打磨。为了确保腔体内表面的质量，打磨时先用320目的砂纸粗打，当缺陷基本打磨完成后，再使用600目的砂纸细打。

对于密封面，应沿着密封面以画圆方式打磨，以确保密封面整体均匀一致；若重点打磨某一处，有可能造成凹坑，影响密封效果。密封面打磨时，先用600目的砂纸粗打，当缺陷基本打磨完成后，再使用1000目的砂纸细打结束。

尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。