一种半镂空微波谐振腔及其制作方法与模具

技术领域

本发明属于微波技术领域，涉及微波谐振腔的热损耗导热管理，具体涉及一种微波谐振腔及其制作方法与模具。

背景技术

微波谐振腔运行时会产生热损耗，其带来的升温会导致变形、失谐等后果，继而引发正反馈效应，带来更多的热损耗，且可能会导致谐振腔运行不稳定等问题。现有的谐振腔一般在外壁有冷却液通过，如超导腔用的液氦，低温铜腔用的液氮等；谐振腔运行时，洛伦兹力等容易导致形变，为达到足够机械强度，腔壁一般较厚(如3mm)，且经常选用RRR较低(热导率远低于高纯材料)的硬质材料，使得内壁的热量需经过热导率低、且较厚的腔壁才能到达冷却液，使得冷却效果不佳。

发明内容

为了降低微波谐振腔运行时表面发热导致的热损耗影响，以系统的提升谐振腔的运行稳定性，本发明提出一种微波谐振腔及其制作方法与模具，该微波谐振腔的外壁上开设有多个凹槽，以增大冷却液接触面积或降低冷却液与内壁距离，提高谐振腔的冷却效率。

本发明提供的微波谐振腔，包括腔体，所述腔体的外壁上开设有多个凹槽。

上述的微波谐振腔中，所述凹槽的横截面可为圆形、多边形或任意不规则形状，如正六边形、兔头形。

上述的微波谐振腔中，多个所述凹槽在所述腔体的外壁上呈点状均匀分布。多个所述凹槽位于高磁场区域，如椭球腔中高发热的赤道区域。

上述的微波谐振腔中，所述腔体的侧壁中未设置凹槽处的总厚度为1～6mm，如1～3mm；

所述凹槽的横向尺寸可为0.1mm～10mm；

所述凹槽的深度可为0.5～5.9mm；

相邻两个所述凹槽的最短距离可为0.5～10mm。

上述的微波谐振腔中，所述腔体为椭球腔或HWR腔。

本发明进一步提供了用于制作上述任一项所述的微波谐振腔的超导椭球腔电镀模具，包括与所述凹槽对应的多个由绝缘材料制成的凸起部和位于所述凸起部底部用于将所述多个凸起部连接成一体的连接部。

上述的模具中，所述绝缘材料可为高分子材料，如树脂、尼龙或TPU橡胶；

所述超导椭球腔电镀模具可由3D打印一体成型；

所述连接部的宽度可为0.2mm～300mm。

本发明还提供上述任一项所述的微波谐振腔的制作方法，为下述A1-A3中的任一种：

A1、包括如下步骤：

在所述腔体的外壁直接加工出盲孔，得到所述微波谐振腔；

A2、包括如下步骤：

制备所述腔体的内壁层和外壁层；在所述外壁层直接加工出盲孔或通孔，将所述内壁层和所述外壁层焊接在一起，得到所述微波谐振腔；

A3、包括如下步骤：

将所述的模具中的多个凸起部紧密贴合在所述腔体的外部，在所述腔体的外部电镀金属材料，电镀结束后取出模具在所述腔体外部形成所述多个凹槽，得到所述微波谐振腔。

所述方法A1和方法A2中，所述加工的方式可为机械钻孔或雕刻。

所述方法A3中，所述腔体可为铌腔，所述金属材料可为高热导率金属材料，如铜。

所述方法A3中，所述模具可分成多块(至少两块)通过螺接的方式套设在所述腔体外部并紧密固定；或，将由弹性材料制成的所述模具直接套在所述腔体外部。

本发明具有如下有益效果：

本发明半镂空微波谐振腔的腔壁外设置的多个凹槽可以有效的增大冷却液接触面积或降低冷却液与内壁距离，在不显著降低腔的机械强度的前提下，更有效地将腔内壁的产热传导到冷却液中，从而更有效的冷却谐振腔，进而降低热损耗导致的正反馈效应，既而提高微波谐振腔整体的运行稳定性。

本发明半镂空微波谐振腔的制作工艺中，将利用3D打印工艺制成的模具加装在电镀铜的铌超导椭球腔上，可以在不额外增加步骤的前提下，有效的在铜铌腔外壁(尤其是高发热的赤道区域)构建半镂空结构，使超导部分仍然可以直接接触液氦冷却液。从而既提高整体机械强度，又不显著降低热导率，既而提高腔的整体性能。

附图说明

图1为本发明实施例1中半镂空椭球腔腔体的结构示意图。

图2为本发明实施例1中半镂空椭球腔腔体中凹槽的局部放大图。

图3为本发明实施例1中固体力学模拟中应力分布图。

图4为本发明实施例2中半镂空椭球腔腔体中凹槽的局部放大图。

图5为本发明实施例2中固体力学模拟中应力分布图。

图6为本发明实施例3中半镂空椭球腔腔体中凹槽的局部放大图。

图7为本发明实施例3中固体力学模拟中应力分布图。

图8为本发明实施例4中未设置凹槽的微波谐振腔三维温度分布对比。

图9为本发明实施例4中设置凹槽的半镂空微波谐振腔三维温度分布对比。

图10为本发明实施例5中未设置凹槽的微波谐振腔三维温度分布对比。

图11为本发明实施例5中设置凹槽的半镂空微波谐振腔三维温度分布对比。

图12为本发明实施例6中超导椭球腔电镀模具的实物照片。

图13为本发明实施例6中利用超导椭球腔电镀模具制作设置凹槽的半镂空微波谐振腔的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。

下面结合说明书附图对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于下述实施例。

本发明提供的微波谐振腔，包括腔体，腔体的外壁上设有多个凹槽。本发明微波谐振腔的腔体可为各种形状的腔体，如椭球腔腔体或HWR腔腔体。为了保证机械强度，优选地，凹槽的横截面可为圆形、多边形或任意不规则形状；优选地，多个凹槽在腔体的外壁上呈点状均匀分布。更进一步优选地，腔体的侧壁中未设置凹槽处的总厚度为1～6mm；凹槽的横向尺寸为0.1mm～10mm；凹槽的深度为0.5～5.9mm；相邻两个凹槽的最短距离为0.5～10mm。

使用时，腔体外壁上的凹槽可增大冷却液接触面积或降低冷却液与内壁距离，使冷却液更有效地带走腔壁损耗产生的热，在不显著降低腔的机械强度的前提下，提高谐振腔的冷却效率，进而降低因温度升高而造成的、会增加热损耗的正反馈效应的概率，继而使微波谐振腔可以更稳定的运行。

下面结合具体实施例对本发明进一步说明，但本发明并不限于下述实施例。

实施例1

本实施例用于说明设置凹槽的半镂空微波谐振腔的机械强度。

以3.9GHz，3mm壁厚的椭球腔为例，如图1和图2所示，本实施例微波谐振腔，包括椭球腔腔体，腔体外壁上设有多个凹槽。其中，多个凹槽在高发热的椭球腔赤道区域呈点状均匀分布(三圈)，凹槽的横截面为圆形，圆柱体凹槽半径为1mm，凹槽深度为2.9mm，即椭球腔设置凹槽处的局部厚度为0.1mm，相邻两个凹槽的最短距离为1mm。

使用COMSOL进行固体力学模拟，假设内外有4atm的大气压差，结果如图3所示，模拟可见，即使是仅0.1mm的局部厚度，其内壁所受应力仍小于iris处，不会成为机械强度的薄弱点。

实施例2

本实施例用于说明设置凹槽的半镂空微波谐振腔的机械强度。

以3.9GHz，3mm壁厚的椭球腔为例，如图4所示，本实施例微波谐振腔，包括椭球腔腔体，腔体外壁上设有多个凹槽。其中，多个凹槽在高发热的椭球腔赤道区域呈点状均匀分布(三圈)，凹槽的横截面为正六边形，正六棱柱凹槽尺寸为六边形外切圆半径为1mm，凹槽深度为2.9mm，即椭球腔设置凹槽处的局部厚度为0.1mm，相邻两个凹槽的最短距离为1mm。

使用COMSOL进行固体力学模拟，假设内外有4atm的大气压差，结果如图5所示，模拟可见，即使是仅0.1mm的局部厚度，其内壁所受应力仍小于iris处，不会成为机械强度的薄弱点。

实施例3

本实施例用于说明设置凹槽的半镂空微波谐振腔的机械强度。

以3.9GHz，3mm壁厚的椭球腔为例，如图6所示，本实施例微波谐振腔，包括椭球腔腔体，腔体外壁上设有多个凹槽。其中，多个凹槽在高发热的椭球腔赤道区域呈点状均匀分布(三圈)，凹槽的横截面为兔头形，兔头凹槽尺寸为宽3mm，长5mm，凹槽深度为2.9mm，即椭球腔设置凹槽处的局部厚度为0.1mm，相邻两个凹槽的最短距离为4mm。

使用COMSOL进行固体力学模拟，假设内外有4atm的大气压差，结果如图7所示，模拟可见，即使是仅0.1mm的局部厚度，其内壁所受应力仍小于iris处，不会成为机械强度的薄弱点。

实施例4

本实施例用于说明未设置凹槽和设置凹槽的微波谐振腔的导热效果。

图8左所示圆柱为金属铌腔的半径为2mm厚度为3mm的局部，导热效果做局部3维模拟。图示的上部为导热系数30000W/(mK)的冷却用液氦，所设液氦层厚度为6mm，与导热系数100W/(mK)的金属铌接触。金属铌下方为腔内真空。在4K初始温度下，有一半径1mm，功率为1000W/m

在金属铌向着液氦的那一面增加一半径1mm高度2mm的圆柱状凹槽，使得液氦可以填充到凹槽内，距离热点处距离更近，其余条件不变，得到模拟结果如下，30秒后热点的最高温度降为16.47K，等温面的形状也变为与凹槽形状对应，如图9所示。

实施例5

同实施例4，面热源中心偏移1mm，其余不变，在未增加凹槽的情况下，得到最高点温度为17.5K(图10)。

同实施例4，增加凹槽，其余不变，得到最高点温度将为16.49K(图11)，且等温面的形状也变为与凹槽形状对应。由此可见，在热源附近存在凹槽总是有益的，即使凹槽并不在热源的正上方。

实施例6

本实施例用于说明设置凹槽的半镂空超导椭球腔的加工工艺及超导椭球腔电镀模具模具。

根据需要设置的凹槽的形状、大小和个数，使用非导电的高分子材料(如树脂、尼龙或TPU橡胶)利用3d打印制作用于加工凹槽的模具，如图12所示，制作得到的蜂巢结构的模具结构致密、强度高。

如图13所示，将加工好的模具固定在电镀的铌腔(高磁场区域，此实施例为腔赤道位置)表面，对铌腔表面镀铜，镀铜过程中，在有模具小结构遮挡的位置镀不上，未遮挡的位置可以正常镀上，从而在镀铜时形成与模具对应的凹槽结构，即可得到本发明半镂空微波谐振腔。