用于粒子加速器的导向装置

技术领域

本公开的实施例涉及用于粒子加速器的导向装置和用来制造用于粒子加速器的导向装置的方法。

背景技术

粒子加速器是众所周知的在广泛的应用中发现实用性的系统。典型的粒子加速器通过沿着由导向装置限定的路径加速带电粒子(例如电子、质子、离子等)来运行。导向装置通常由导电材料(例如金属或超导体)制成，使得腔体内部产生的电磁场加速粒子并控制粒子的路径。在使用中，由导向装置限定的腔体保持在高真空或超高真空下，因此导向装置需要具有足够的材料强度，以承受其内部腔体与外部环境之间的压力差。粒子加速器导向装置也可称为加速器导向装置、加速腔、加速器、波导、电磁(EM)腔或射频(RF)腔。

图1是用于直线粒子加速器(也称为直线加速器)的导向装置101的示意图。所述导向装置101包括沿直线轴线103布置的一系列加速器单元102。

在使用中，由加速器单元102限定的腔体置于真空下。腔中产生(例如，在20kHz至300GHz之间的)射频电磁波，其中加速器单元102的形状和尺寸使得电磁波谐振，并且电磁波在交替单元中的正电磁场和负电磁场之间交替。带电粒子定时注入腔体中，使得每个粒子在从单元穿到单元102时经受加速电磁力。也就是说，当粒子从一个单元进入下一个单元时，这些单元中的射频电磁场的极性发生变化，粒子沿着导向装置101的长度继续经受加速力。

用于制造导向装置的导电材料要求非常纯，以保证导向装置的电导率高，且电磁场的行为是可预测的。导电材料越少，到壁的射频(RF)能量损失越大，因此存储的能量越低。类似地，导向装置的腔体需要具有非常光滑的表面光洁度，以确保所述腔体内的电磁场的行为一致且可预测。

根据限定，导向装置的腔体在导向结构的内部，这限制了可能的制造技术。这一点，加上对材料纯度、表面光洁度和腔体形状的严格要求，使得加速器导向装置的制造面临挑战。

以往的导向装置是通过在钢芯上电成形(electroforming)完整的导向装置、然后将钢溶解在酸中来制造的。然而，由于生长导向装置和溶解金属芯所需的时长，电成形(即，电化学沉积)作为加速器导向装置的制造方法不受欢迎。

相反，更普遍地通过加工单个单元并将多个单元组装成如图1所示类型的大型结构来制造导向装置。例如，所述单元可以通过钎焊或扩散键合进行组装。该方法称为单元制造。

还使用三明治制造方法，其中整个导向装置由两个半部(每个半部限定多个单元的半部)制成，然后将两半部连接成单一整体(single unit)，使导向装置的腔体形成在两半部之间。

目前，加速器导向装置的形状趋向于越来越复杂，难以使用传统的单元和三明治技术来制造。例如，复杂形状的导向装置可能难以使用单元制造技术来制造，因为它们需要通过单元的连接件的数量增加，这削弱了导向装置并可能导致结构故障。三明治制造需要各单元的高质量的铣削，随着形状复杂度的增加，高质量的表面抛光变得越来越困难。

因此，需要新技术来缓解上述问题。

发明内容

本公开的实施例寻求通过提供一种用来制造用于粒子加速器的导向装置的方法来解决上述识别的问题，其中在玻璃芯上进行电化学沉积(也称为电沉积)，随后玻璃芯被去除。

根据第一方面，提供了一种用来制造用于粒子加速器的导向装置的方法。所述方法包括将导电材料电沉积到由玻璃构成的芯上。在执行所述电沉积后，所述方法还包括：破碎所述芯以在所述电沉积的导电材料内形成腔体。所述腔体用于导向粒子。所述方法还包括：从所述腔体去除已破碎的芯。

根据第二方面，提供了一种采用根据第一方面所述的方法得到的导向装置。所述导向装置用于粒子加速器，并包括用于导向粒子的腔体。

因此，本发明提供了一种制造加速器导向装置的新方法，其可用于制造形状复杂度增加的导向装置。玻璃芯容易抛光，以得到光滑的芯表面，进而为导向装置的腔体提供高质量的表面光洁度。导向装置形成后，玻璃芯也可以容易、清洁、快速地去除，而无需使用浓酸或其他化学品。此外，电沉积确保了导向装置由高纯度导电材料制成。事实上，在电沉积过程中可以使用劣质材料，因为该材料在溶解、还原和沉积到玻璃芯上时被纯化。

附图说明

现在仅通过示例，结合以下附图来描述实施例，其中：

图1是一种导向装置的示意图；

图2是一种导向装置的示意图；

图3是示出了根据本公开的各实施例的方法的流程图；和

图4是示出了根据本发明的各实施例的电沉积的示意图。

具体实施方式

如上所述，存在着形状越来越复杂的加速器导向装置的趋势，这很难使用传统的单元和三明治制造技术来制造。图2是示出具有比图1的形状更复杂的导向装置200的示例的示意图。

导向装置200包括波导单元202A-202H、耦合单元203A-203G和电子孔205A-205G，所述波导单元202A-202H沿着波束路径118(例如，电子束路径)布置，所述耦合单元203A-203G与波束路径118大致平行且相对于波束路径118横向位移。

每个耦合单元203耦合到两个相邻的波导单元202。相应地，提供给第一波导单元202A的电磁场可以通过第一耦合单元203A(当第一耦合单元203A被适当配置时，如下所述)传播至第二波导202B。相应地，提供至波导的入口端的电磁场能够在适当地配置波导200时，沿波导的全部长度传播到出口。

每对相邻波导单元202A-202H也通过电子孔205A-205G连接。也就是说，第一电子孔205A(从波导的入口端计数)将第一波导单元202A与第二波导单元202B连接；第二电子孔205B将第二波导单元205B与第三波导单元连接，等等。当电子在电磁场的影响下穿过波导200时，电子将穿过电子孔205A-205h。相应地，电子孔205A-205h限定通过导向装置200的电子束路径118。电子路径204沿着波导的中心轴线延伸。因此，孔和腔体以电子路径/中心轴线为中心。

导向装置200的精确性质和操作超出了本文件的范围。然而，显然，导向装置200的形状比图1所示的导向装置100复杂得多。

加速器导向装置历来是通过将金属(例如铜)电成形到钢芯上来制造的。钢芯为所需的加速器导向装置的腔体的形状。当铜沉积在钢芯上后，钢芯溶解在酸中，只留下铜加速器导向装置。

根据本发明的实施例，提供了一种通过将导电材料(例如铜)电成形到玻璃芯上来制造加速器导向装置的方法。玻璃芯具有高度抛光的表面，其在电沉积后容易去除。此外，本文描述的方法允许使用劣级铜(poor-grade copper)(例如，低级铸铜C80000-C81199、锻造铜合金C16000-C79999或铸铜合金C81300-C99999)，因为在电沉积期间仅铜离子被还原并沉积到玻璃芯上。因此，电沉积过程在应用时将铜纯化。这与当前需要高档铜作为起始材料的单元制造技术形成对比。例如，对于超高真空应用，通常要求铜的氧含量小于5ppm(例如，C10100，其氧含量标准为纯度99.999％，符合统一编号系统标准)。

玻璃芯比传统的金属芯容易制造且更便宜，因为玻璃可以模制成形(例如，使用玻璃吹塑模具)，而金属芯必须每次加工。此外，所述的用于去除玻璃芯的方法也比用强酸溶解金属芯更快、更安全、更干净。

图3的流程图示出了根据本发明的各种实施例的用来制造用于粒子加速器的导向装置的方法。所述导向装置可以是可以制造模具的任何形状。粒子加速器例如可以是直线加速器或圆形加速器。

所述方法包括：在步骤300中，制造由玻璃构成的芯。“芯”的可替代术语包括芯轴和成型器(former)。例如，可以采用玻璃吹塑来制造芯。例如，可以将熔融玻璃吹入具有与导向装置的期望内部形状相对应的形状的模具中。过程控制方法可用于获得芯的准确且一致的形状。

芯的外部形状与用于粒子加速器的导向装置的腔体的内部形状相对应。因此，芯的形状应与导向装置所需的内腔相对应。例如，芯可以限定(例如，如图1所示的)导向装置的一个或多个加速单元，或者限定更复杂的内部结构，例如，如图所示2的内部结构。

一旦形成，可以在步骤302中快速冷却玻璃。通过将玻璃保持在室温(例如，10℃-35℃)，可以实现快速冷却。可替代地，玻璃可以通过例如在玻璃上泵送冷空气或浸入液体(例如水)来快速冷却。玻璃的快速冷却(与受控退火过程相反)会导致内应力保持在玻璃内，从而使玻璃变得脆弱。冷却的速度可以是使得玻璃芯可以通过施加外部应力(例如通过对玻璃的冲击，或通过弯曲铜导向装置)而被减小为小块或玻璃粉末。

在一些实施例中，制造芯还包括抛光玻璃。抛光玻璃可以包括将抛光或磨料化合物(例如，包含氧化铈、金刚石或其他合适化合物的糊料)施加到芯的外表面上，然后通过对表面进行抛光来实现期望的表面平滑度。

在步骤304中，所述方法包括将导电材料电沉积到芯上。导电材料可包括铜或任何其他合适的金属，或超导材料(如铌)。铜是特别有利的，因为它具有低成本和高电导率，从而为腔体提供高Q值(质量因数)。具有高临界磁场值的超导体是特别有利的，因为它们可用于更宽泛的腔体几何形状和产生的磁场强度。

电沉积可包括使用电流和离子溶液(例如金属的盐)将导电材料受控沉积到芯上。在一些实施例中，所述金属为铜，所述离子溶液包括硫酸铜。合适的铜离子溶液的可替代示例包括氰化铜和四氟硼酸铜。在可替代实施例中，金属例如可以是一下项中的一者：金、银、黄铜、铁、镍、镉、铬、锌和钛中的一种。

图4示出了根据本发明的实施例的电沉积。

将导电材料块400和玻璃芯402放置在离子溶液404的浴中。离子溶液404包括导电材料块400中的材料的可溶性盐。通过直流电源在导电材料块400和玻璃芯402之间提供电位差，使得电流在它们之间流动。导电材料块400与直流电源的正极端子连接(从而成为阳极)，玻璃芯402与电源的负极端子连接(从而成为阴极)。

由于玻璃在进行电沉积的温度下不导电，因此玻璃芯402可以在电沉积之前涂覆有导电材料。该导电层允许电流通过离子溶液404在导电材料和芯之间流动。导电层可以通过诸如化学镀、真空冶金或热喷涂工艺等任何金属化技术来施加。导电层的厚度可以在1微米-100微米之间。导电层可以是石墨、镍、铜、锌、铝或任何其他导电材料。

随着时间的推移，离子溶液404中的离子406被还原并沉积在玻璃芯402的表面上，使得芯402被导电材料涂覆。同时，块400溶解到离子溶液404中，以替换已沉积到芯402上的离子406。

以这种方式将导电材料沉积到物体上被称为电沉积。该过程也可以被称为电镀或电成形。术语“电镀”通常用于指将金属薄层沉积到基底上的过程，其中基底与最终产品中的金属层保持在一起。例如，可以用较贵的金属(例如，金或银)电镀相对便宜的基层金属以产生相对便宜的装饰物体，或者可以用金属电镀玻璃层的一面以产生镜子。

相反地，根据本发明的实施例，在沉积的导电材料具有即使在去除芯后也能获得结构完整性的厚度的时长内进行电沉积。此过程在本文可称为“电成形”。用于导向装置的电成形所需的时长可随电成形过程中使用的其他参数而变化，例如，施加在阳极和阴极上的电位差、离子溶液404中的离子浓度等。然而，通常用于电成形导向装置的电沉积过程可能需要多天或多周。

电沉积可以进行一段足够长的时间，以使所沉积的结构能够承受芯的去除。换言之，所沉积的导电材料可以足够厚以独立于所述芯具有结构完整性，尤其使得所沉积的导电材料具有结构完整性，以承受使用中的真空而不变形。例如，电沉积的导电材料可以具有至少能够承受导向装置内的真空与导向装置外的大气压之间的压力差的厚度。导向装置内的真空度可以在10

在进行电沉积后，图3的方法包括进一步的步骤306：破碎芯以在电沉积的导电材料内形成腔体。破碎芯可包括对芯施加外部应力。在一些实施例中，向芯施加外部应力包括以下方式中的一者或两者：对芯施加冲击(例如，用物体撞击芯)和弯曲电沉积材料。例如，可以通过在电沉积材料内部和然后外部交替地重复施加压力来将外部应力施加到芯上。施加压力(例如气体压力或水压力)导致电沉积材料弯曲。压力可以使用压力罐施加。施加压力不仅会破坏芯，还会导致电沉积材料的加工硬化。例如，电沉积材料的弯曲可能导致塑性变形，从而强化电沉积材料(即导向装置)。

应当回顾，在步骤302中，芯被快速冷却，这确保了残余应力保留在玻璃中。当这样的芯被破碎时，玻璃可以碎成小块或粉末，并且在步骤308中，例如，通过将导向装置倾斜到其端部，和/或使用吸盘或真空设备，可以容易地将这些块从腔体中去除。

因此，本公开的实施例提供了用于粒子加速器的导向装置和用来制造用于粒子加速器的导向装置的方法，其中，通过将导电材料电成形到玻璃芯上来制造加速器导向装置。玻璃芯具有高度抛光的表面，其在电沉积后容易去除。本文描述的方法允许使用劣级铜，因为在电沉积期间，仅铜离子会被还原并沉积到玻璃芯上。因此，电沉积过程在其应用时将铜纯化。这与当前需要高档铜作为起始材料的单元制造技术形成对比。

玻璃芯比传统金属芯更容易制造并且更便宜，因为玻璃可以成型，而金属芯必须每次都加工。此外，所述的用于去除玻璃芯的方法也比用强酸溶解金属芯更快、更安全、更干净。

本领域技术人员通过对附图、本发明及所附权利要求书的研究，在实践本文所公开的原理和技术时，可以理解并影响所公开实施例的变化。在所述权利要求中，“包括”一词不排除其他元素或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除复数。在相互不同的从属权利要求中引用某些措施这一事实，并不意味着这些措施的组合不能用于获得利益。权利要求中的任何参考标号不应解释为限制权利要求的范围。