一种实现连续加速的宽截面变轨道的真空腔体结构

技术领域

本发明属于加速器技术领域，尤其涉及一种可以实现连续加速的宽截面变轨道的真空腔体结构。

背景技术

中国原子能科学研究院提出了一种高能、强流交变梯度回旋加速器，目的是解决现有技术加速束流能力相对低、束流强度相对小的问题。其中，高能、强流交变梯度回旋加速器的真空腔体结构是设计上的一大难点。

该真空腔体结构作为粒子从小半径到大半径、从低能到高能连续束加速的唯一路径，由一个环形扁状壳体结构和均匀布设在环形扁状壳体结构上的多个高频腔和磁极组成。该结构包括多个环形段、每个环形段的壳体结构要穿过当前环形段的高频腔和磁极，使得当前环形段的粒子得到当前环形段高频腔体的加速和当前环形段磁极的聚焦。由于每个环形段的高频腔和磁极用于当前环形段壳体结构穿过的缝隙只有几十毫米，所以限定了环形扁状壳体结构的高度不能超过几十毫米，针对高度只有几十毫米的环形扁状壳体结构，设计难点在于真空腔体结构的高平均强流引出和高真空度的匹配上：一方面，要求高平均强流引出的束团在运行过程中不能有损失，不会因为束团打在环形壳体壁上而损失掉，而做到束团不被打在环形壁上其实是很难的：因为束团直径受到最大强聚焦力的限制、束团直径小到一定程度就不能再小了，但是环形壳体的高度只有几十毫米空间，而束团的直径就会占去几乎七分之一的空间，唯一的办法就是将环形壳体的壁厚做得尽量薄使得束团和环形壳体内壁留有足够的间隙；另一方面，束流运行环境必须是高真空环境，对环形壳体抽真空又要求真空腔体壁厚尺寸不能太薄，由于抽真空时真空对腔体的吸附力很大，当腔体壁厚太薄达不到要求时，腔体受到真空吸附力就会收缩变形，而变了形的腔体使得腔体内的剩余空间就更少了，束团就更加容易打在腔体的内壁上。

综上，设计高能、强流交变梯度回旋加速器的真空腔体结构的难点在于：高平均强流引出和高真空度两者之间找到一个平衡点。现有技术未见找到该平衡点的报道。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种实现连续加速的宽截面变轨道的真空腔体结构，目的在于平衡高平均流强引出和高真空两者之间的关系，找到二者之间的平衡点。

本发明为解决现有技术存在的问题，提出以下技术方案：

一种实现连续加速的宽截面变轨道真空腔体结构，该真空腔体结构为环形扁状壳体结构，该环形扁状壳体结构作为粒子加速器加速粒子的独立运行空间、并作为粒子从小半径到大半径、从低能到高能连续束加速的唯一路径；该环形扁状壳体结构沿圆形加速器圆周方向分多段连续布设，每个环形段分别对应该段的高频腔体和磁极，该段的高频腔体为跑道形且侧立摆放、该段的磁极上下对称布设；每个环形段的腔体结构包括漂移加速节、过渡节、偏转节；该漂移加速节穿过该段的高频腔体、粒子经过漂移加速节时被加速；该偏转节穿过该段上下对称的磁极、束团经过偏转节时受到偏转节径向力和轴向力的聚焦，从而使得粒子沿着规定的轨道运行；其特征在于：

该宽截面变轨道真空腔体结构为不包括沿着加速器圆周方向均匀布设的多个高频腔和多个磁极的物理实体在内的独立的腔体结构，该独立的腔体结构沿着加速器圆周方向从多个高频腔和磁极中间拦腰穿过，其宽度为束流连续加速能量到2GeV及以上的宽度、其高度为上下磁极之间缝隙的高度；

该宽截面变轨道真空腔体结构为平衡高平均流强和高真空度的匹配结构，该匹配结构既保证束团流经环形腔体时，束团不被打在环形腔体内壁上、又保证环形腔体内抽真空时腔体不变形。

进一步地，所述宽截面变轨道真空腔体结构的高度不能高于70mm，宽度在1-2m之间。

进一步地，所述平衡高平均流强和高真空度的匹配结构，具体为：该真空腔体结构中所有的部分均为环形薄壁钣金结构焊接而成的矩形截面、或者椭圆截面的壳体结构及其支撑结构；每个环形段的壁厚为2-5mm，环形腔体内真空度不低于1×10-6Pa。

进一步地，所述抽真空时腔体不变形，具体为：真空变形<＝0.5mm；大型异形密封部位漏率≤2×10-7Pal/s；每段整体漏率≤5×10-7Pal/s。

进一步地，所述宽截面变轨道真空腔体结构，还包括真空获得设备，该真空获得设备用于获得粒子加速器所必需的超高真空环境，减少粒子加速器损耗，提高粒子传输效率。

进一步地，所述漂移加速节同时又是高频腔体的一部分，与高频腔体一体化制作。

本发明的优点效果

1、本发明将现有技术的圆柱形真空腔体改进为环形扁状真空腔体，改进后，环形扁状真空腔体从上、下磁极之间的缝隙中拦腰穿过、而并非把磁极包括在真空腔体内，抽真空开孔时只是在过渡节上开孔和磁极无关，由于真空腔体内不包括磁极、不会破坏磁场的均匀性，而现有技术因为真空腔开孔破坏了磁场的均匀性就不得不采取很多补救措施，本发明通过改变真空腔体的形状和位置，由圆柱形改进成扁状环形、由安装在加速器高频腔和磁极的最外层，改进为从它们中间拦腰穿过，解决了长期以来一直难以解决的抽真空开孔对于磁场影响的难题，取得了预料不到的效果，具有突出的实质性特点和显著进步。

2、本发明通过设置环形壳体的壁厚为2-5mm，环形腔体内真空度不低于1×10-6Pa、并且真空变形<＝0.5mm；大型异形密封部位漏率≤2×10-7Pal/s；每段整体漏率≤5×10-7Pal/s，找到了高平均强流引出和高真空度两者之间平衡点，在只有70毫米的纵向空间内，既保证高平均束流不因为空间狭窄而打在腔体壁上而丢失粒子，又保证了束流在理想的真空环境中得到加速和强聚焦，取得了预料不到的效果。

3、本发明宽截面变轨道的真空腔体结构，能够实现回旋加速器在大直径宽截面范围内连续加速；采用环形薄壁2-5mm厚的钣金结构焊接而成的矩形截面或者椭圆截面的壳体结构及其支撑结构，能够解决焊接及抽真空时的变形和高真空度的难题，实现了直径宽截面范围真空腔体的全覆盖，提高束流能量，提高束流引出能量的限制问题。

附图说明

图1为本发明实现连续加速的宽截面变轨道的环形真空腔体结构；

图2为本发明实现连续加速的宽截面变轨道的环形段真空腔体结构；

图中：1：磁体；2：线圈；3：偏转节；3F：聚焦偏转节；3D：散焦偏转节；4：过度节；5：漂移加速节；6：加速腔；

具体实施方式

本发明设计原理

1、本发明环形扁状真空腔体的设计原理。和常规真空腔体的最大区别在于：本发明真空腔体结构是环形扁状的，而常规加速器真空腔体结构是圆柱形或者小截面环形(截面60-100mm左右)的，圆柱形真空腔将高频腔和磁极包括其中，而本发明环形扁状真空腔体结构并不包含高频腔的高度和磁极的高度，而是把高频腔和磁极裸露在外、环形扁状真空腔体只是从高频腔和磁极中间拦腰穿过，因此，不论是环形扁状真空腔体径向的宽度和高度都是量身定做，没有一点浪费：径向宽度满足只要满足2GV最大引出能量的宽度要求即可，高度只要满足束团轴向最大聚焦力和高平均流强引出的高度要求即可。改进的意义在于：环形扁状真空腔体是从上下磁极之间的缝隙中拦腰穿过、而并非把磁极包括在真空腔体内，抽真空开孔时只是在过渡节上开孔和磁极无关，由于真空腔体内不包括磁极、不会破坏磁场的均匀性，而现有常规的回旋加速器技术，如CYCIAE-100和CYCIAE-230的圆柱形真空腔体和上下磁轭组成了加速腔体，常常因为抽真空需求，需要在磁轭开孔破坏了磁场的均匀性就不得不采取很多补救措施，补救措施非常复杂，本发明通过改变元素(真空腔体)的形状和位置：由圆柱形改进成扁状环形，由安装在加速器高频腔和磁极的外围，改进为从高频腔和磁极的中间间隙部位拦腰穿过，解决了长期以来一直难以解决的抽真空开孔对于磁场影响的难题。

改进的同时带来新问题：真空腔体从上下磁极中间穿过，由于磁极上下间隙只有70毫米，所以要求环形扁状真空腔体的最大高度不能超过70毫米的磁极间隙。这就要求腔体所有地方必须是薄壁结构，而薄壁结构对真空腔体的抽真空又有影响，由此引出了下面的设计。

2、高平均流强引出和高真空度匹配结构的设计原理。本发明设计目标是2gV最大引出能量和3mA的最高流强引出。所谓高平均流强引出就是引出的粒子数量多，要达到引出的粒子数量多有两个条件，其一，强聚焦。由于束团是发散的，如果不对束团进行强聚焦就会有一部分粒子发散到周围的腔体壁上而被损失掉；其二，环形壳体的所有部分均为环形薄壁。强聚焦是有限度的，不论是径向聚焦还是轴向聚焦都有一个极限范围，本实施例的强聚焦极限范围为束团最小直径为60毫米，也就是说纵向聚焦最多能把束团的直径控制在60毫米而直径不能再小了。由于腔体的高度为70毫米，除去束团的直径还剩余10毫米，既然束团的直径不能再小了，就要求环形壳体的壁厚做得尽量薄，给60毫米的束团运行留有足够的空间，使得束团不会打到腔体壁上而被损失掉，当以上强聚焦和束团运行足够的空间两个条件均满足了才能实现高平均强流引出。但是，高平均流强引出的另一个条件是获得足够的真空环境，束团只有在足够的真空环境中才能得到加速和聚焦，这就要求对环形壳体进行抽真空，抽真空越多，真空吸附力越强，当环形壳体的壁厚不能满足要求时就会使得环形壳体变形，一旦环形壳体变形收缩，尽管粒子运行环境的真空度达到了，但是粒子运行的空间又减小了，而此时束团的直径已经不能再小了，束团就容易打到环形壳体壁上而损失掉，这就造成再次影响高平均强流的引出。因此环形壳体的壁厚和真空度都要达到一个合适的平衡点才可以真正解决束流的高平均流强引出的问题。基于此，本发明实施例每个环形段的壁厚为2-5mm，环形腔体内真空度不低于1×10-6Pa。

本发明的创新点在于找到了一个平衡点，环形壳体的壁厚为2-5mm，环形腔体内真空度不低于1×10-6Pa。并且真空变形<＝0.5mm；大型异形密封部位漏率≤2×10-7Pal/s；每段整体漏率≤5×10-7Pal/s。以上几个条件互相支持，相依为命、缺一不可：例如：如果环形壳体的壁厚<2mm,尽管真空度不低于1×10-6Pa，但是腔体由于厚度不能达到要求而变形，腔体变形空间就更小了，束团就会有一部分打在环形壳体的壁上而损失掉，由于束流被损失掉一部分，因此影响了高平均强流引出；如果真空度低于1×10-6Pa，尽管环形壳体的壁厚为2mm达到了要求，但是真空度不够，真空度不够使得粒子的加速受到影响，由于粒子不能得到很好的加速，所以不能得到足够的能量，没有足够的能量，即使流强够了也就不能被引出，终究还是会影响高平均流强的引出。因此，环形壳体的壁厚为2-5mm，环形腔体内真空度不低于1×10-6Pa，这两个条件只有组合以后才能实现高平均流强的引出。

基于以上发明原理，本发明设计了一种实现连续加速的宽截面变轨道真空腔体结构。

如图1、图2所示，一种实现连续加速的宽截面变轨道真空腔体结构，该真空腔体结构为环形扁状壳体结构，该环形扁状壳体结构作为粒子加速器加速粒子的独立运行空间、并作为粒子从小半径到大半径、从低能到高能连续束加速的唯一路径；该环形扁状壳体结构沿圆形加速器圆周方向分多段连续布设，每个环形段分别对应该段的高频腔体6和磁极1，该段的高频腔体6为跑道形且侧立摆放、该段的磁极1上下对称布设；每个环形段的腔体结构包括漂移加速节5、过渡节4、偏转节3；该漂移加速节5穿过该段的高频腔体6、粒子经过漂移加速节5时被加速；该偏转节3穿过该段上下对称的磁极1、束团经过偏转节3时受到偏转节3径向力和轴向力的聚焦，从而使得粒子沿着规定的轨道运行；其特征在于：

该宽截面变轨道真空腔体结构为不包括沿着加速器圆周方向均匀布设的多个高频腔和多个磁极物理实体在内的独立的腔体结构，该独立的腔体结构沿着加速器圆周方向从多个高频腔和磁极中间拦腰穿过，其宽度为束流连续加速能量到2GeV及以上的宽度、其高度为上下磁极之间缝隙的高度；

该宽截面变轨道真空腔体结构为平衡高平均流强和高真空度的匹配结构，该匹配结构既保证束团流经环形腔体时，束团不被打在环形腔体内壁上、又保证环形腔体内抽真空时腔体不变形。

所述宽截面变轨道真空腔体结构的高度不能高于70mm，宽度在1-2m之间。

所述平衡高平均流强和高真空度的匹配结构，具体为：该真空腔体结构中所有的部分均为环形薄壁钣金结构焊接而成的矩形截面、或者椭圆截面的壳体结构及其支撑结构；每个环形段的壁厚为2-5mm，环形腔体内真空度不低于1×10-6Pa。

所述抽真空时腔体不变形，具体为：真空变形<＝0.5mm；大型异形密封部位漏率≤2×10-7Pal/s；每段整体漏率≤5×10-7Pal/s。

所述宽截面变轨道真空腔体结构，还包括真空获得设备，该真空获得设备用于获得粒子加速器所必需的超高真空环境，减少粒子加速器损耗，提高粒子传输效率。

所述漂移加速节同时又是高频腔体的一部分，与高频腔体一体化制作。

实施例一

如图1、2所示，是本发明提供的一种可以实现连续加速的宽截面变轨道的真空腔体结构，一共由10个环形段的部件组成粒子加速器所需要的真空腔体结构，每个环形段对应36°扇形区域。大直径变轨道真空腔体结构的每个环形段包括漂移加速节5结构，偏转节3结构和过渡节4结构组成，过渡节4结构截面为扁椭圆形或者扁矩形，漂移节加速节5和偏转节3结构截面为扁矩形。环形段之间由大直径阀门隔断。漂移加速器节5结构同时是加速器的一部分。过渡节4与漂移加速节5及偏转节3通过端法兰连接，组成一个36°扇形区域段，如图2所示。偏转节3根据磁铁结构分为3部分，分别为2个聚焦偏转节3F和1个散焦偏转节3D，3部分通过端法兰及密封件连接，并穿过磁铁结构组成偏转节3结构；每个环形段分别由2个聚焦偏转节3F结构、1个散焦偏转节3D结构、2个漂移节结构4、1个加速腔6及其漂移加速节结构5组成；1个加速腔，可以实现对粒子进行1次加速；偏转节3结构由偏转管道3F、3D、3F组成，即2个聚焦偏转节3F结构、1个散焦偏转节3D结构；为了保证每段管道之间及管道与腔体之间的密封性，在每段之间及与腔体之间设有密封件，从而确保真空腔体内真空度。

真空腔体结构围绕加速器圆心沿圆周方向布置，该腔体沿着加速器半径方向的宽度为束流可连续加速能量到2GeV及以上的半径宽度，约为1-2m，即真空腔体结构截面宽度为1-2m。

真空腔体结构中所有的部分均为环形薄壁2-5mm厚的钣金结构焊接而成的矩形截面或者椭圆截面的壳体结构及其支撑结构，一方面需要保证大截面直接腔体结构的抽真空时不变形，还需要保证腔体内真空度不低于1×10-6Pa。大截面变轨道的真空腔体结构加工安装同心度<＝0.5mm，真空变形<＝0.5mm；大型异形密封部位漏率≤2×10-7Pal/s；每段整体漏率≤5×10-7Pal/s。

该真空结构为环形扁状壳体结构，由10个环形段，每个环形段对应36°扇形区域图1所示。宽截面变轨道真空腔体结构的偏转节过渡节实现从偏转节到漂移加速节的过渡连接，每个环形段的过渡节结构对应15°扇形区域。

宽截面变轨道真空腔体结构的每个环形端漂移加速节上沿圆周方向布设1个高频加速器腔体漂移加速器节，用于对加速器漂移节内的粒子进行连续加速，漂移加速节机构对应6°扇形区域。

在宽截面变轨道真空腔体结构的偏转节上布置高梯度产生扭摆轨道的磁铁组件，用于对腔体内的加速粒子进行轨道偏转约束，以便进行连续偏转，偏转节结构对应15°结构，即每个聚焦或散焦偏转节结构对应5°扇形区域。

连续加速的宽截面变轨道的真空腔体结构中的偏转节和漂移加速节及过渡节可以单独分段调试，也可以整体调试。偏转节和漂移加速节、过渡节之间通过密封件连接，节与节之间可以增加宽界面异形阀门，实现节与节之间的隔断。

可以在连续加速的宽截面变轨道的真空腔体结构上增加真空获得设备，可以获得粒子加速器所必需的超高真空环境，减少粒子加速器损耗，提高粒子传输效率。

真空腔体界面为异形，高度介于20mm至70mm之间，宽度在1-2m之间。

本发明一种可以实现连续加速的宽截面变轨道的真空腔体结构并不限于上述具体实施方式，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。