一种真空密封射频功率同轴传输线弯头

技术领域

本发明属于粒子加速器技术和射频技术领域，具体涉及一种真空密封的射频功率同轴传输线弯头。

背景技术

许多带电粒子加速器或加速结构靠射频电场对带电粒子进行加速，从而提高带电粒子的能量。

射频电场一般由射频发射机产生射频功率，通过射频功率同轴传输线传输到加速器位置，再通过射频功率耦合馈入装置将射频功率馈送到加速器的射频谐振腔体内，射频功率在射频谐振腔体内谐振并产生粒子加速用射频电压，也是带电粒子加速射频电场。射频功率耦合馈入装置具备射频功率从传输线到射频谐振腔体的耦合匹配功能，同时具有射频功率从大气进入真空的真空密封功能，真空密封功能一般由射频功率耦合窗来实现大气与真空的隔离，射频功率可从射频功率耦合窗穿过，实现射频功率从大气进入真空，粒子加速器所加速的带电粒子都是在真空内运行。

射频功率耦合窗如果处于磁场较大区域，耦合窗位置二次电子倍增效应会很明显，导致耦合窗极易因二次电子倍增效应而损坏，所以此时较好的解决办法是将射频功率耦合窗远离加速器主磁铁一定距离，使之处于漏磁场较小区域，特别是对于超导加速器的超导磁铁漏磁场更严重。但因空间限制等原因，射频功率耦合窗与谐振腔体之间的射频功率同轴传输线经常需要拐弯，此时拐弯位置射频同轴传输线内部为真空状态，需要一种具备真空密封功能和结构的射频功率同轴传输线弯头。

现有的射频功率同轴传输线弯头均不具有真空密封功能。原因在于射频功率同轴传输线弯头不单单要解决真空密封问题，还要解决内导体在受到垂直于导体轴线的强压力或者强推力情况下，保持位置固定和内外导体同心问题。所述受到垂直于导体轴线的强压力或者强推力，是指在拆装射频功率同轴传输线直角弯头时，需要将与其连接的外部设备进行安装或拆卸，为保证内导体与相邻设备内导体射频电连接可靠，两者间插接件插拔力量较大。对于普通直线形射频功率同轴传输线，当安装或拆卸外部设备时，其安装或拆卸的方向与该同轴传输线的内导体和外导体轴线方向一致，因而不会对内导体产生垂直于轴线方向的力进而损害拆卸位置另一端内导体与相邻设备的连接。但对于直角弯头形的射频功率同轴传输线，其内导体和外导体形状由直线变为直角，当安装或拆卸直角弯头两端所连接的外部设备时，由于压力或拉力很大才能将外部设备安装或拆卸下来，所以其拆装过程中所施加的轴向力就会对直角弯头的另一段内导体产生垂直于轴线方向的冲击力或拉力，使得内导体的位置发生错位而造成设备损坏，所以，必须解决安装或拆卸带有直角弯头的射频功率同轴传输线时，内外导体位置固定、内外导体同轴、拆装过程内导体承受垂直双向较大轴向力、同时又能保证真空密封的问题。

现有技术并未公开同时实现内外导体间位置固定、内外导体同轴、内导体耐受垂直双向较大轴向力、真空密封四者功能合一的射频功率同轴传输线直角弯头密封结构：现有技术公开的所有密封结构均为密封结构之间为直管而非弯管的密封结构，而基于直管的射频功率同轴传输线密封结构并不适合本发明的需要；现有技术公开的带有直角弯管的射频功率同轴传输线，其内外导体之间的固定结构也仅限于内导体和直角支撑固定连接、以及外导体与直角支撑的固定连接(直角支撑位于外导体与内导体的直角之间)，但此固定连接方式不具备真空密封功能。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提出一种真空密封的射频功率同轴传输线弯头，目的在于解决现有射频功率同轴传输线弯头不能同时具有对外真空密封、位置牢固固定、内外导体同轴功能的问题。

一种真空密封射频功率同轴传输线弯头，包括直角形外导体组焊件、与直角形外导体组焊件同轴布设的直角形内导体、布设在直角形外导体弯管和直角形内导体之间拐角处的直角绝缘支撑、分别布设在直角形外导体组焊件弯头的每段圆柱形表面的真空密封组件；其特征在于：所述真空密封组件与直角绝缘支撑相结合，既能实现射频功率同轴传输线弯头内的真空密封、又能实现内外导体位置固定、以及内导体外表面与外导体弯管内表面的同心。

而且，所述真空密封组件包括：密封压板、密封拉紧杆、场密封垫片、密封圈B、螺杆、螺母、平垫圈、螺钉；所述密封压板通过螺钉固定在外导体组焊件的密封过渡焊板上并与之贴合；所述密封拉紧杆为两端设有螺纹的拉杆，一端为外螺纹、一端为内螺纹孔；该密封拉紧杆从密封压板、密封过渡焊板、外导体弯管和直角绝缘支撑孔内穿过，密封拉紧杆外螺纹的一端拧入内导体螺纹孔内；所述密封圈B套在密封拉紧杆外面，并在密封压板和密封过渡焊板之间压紧；所述密封压板中间孔对应密封圈B位置设有倒角，该倒角面为真空密封面，该结构可实现此两处孔的真空密封；所述螺杆拧入密封拉紧杆另一端的内螺纹孔内，场密封垫片和平垫圈套在螺杆外，用螺母压紧，同时施加对密封拉紧杆的拉紧力，实现内导体与外导体弯管之间的紧固。

而且，所述直角绝缘支撑为直角结构，其直角结构两段内外面均为圆弧面，内外圆弧面分别与内导体外表面和外导体弯管内表面贴合；内圆弧半径与内导体外表面半径相同，外圆弧半径与外导体弯管内表面半径相同；通过直角绝缘支撑定位使内导体两段圆柱外表面与外导体弯管两段圆管内表面同心；直角绝缘支撑两段各设有一个通孔，该通孔用于真空密封组件贯穿该孔与直角形内导体连接。

而且，所述外导体组焊件包括外导体弯管、外导体弯管两端分别焊有密封活法兰A和密封活法兰B，外导体弯管两段圆柱形表面焊有2件密封过渡焊板。

而且，所述直角形内导体为外表面圆柱形的直角结构，其两端各设有一个孔，孔径尺寸符合该规格内导体通用尺寸规格系列，以适用商品件插芯插入，便于与相邻设备内导体连接；每段圆柱形表面与另一段圆柱形同心位置设有一个螺纹孔,该螺纹孔用于与外导体组焊件的每段圆柱形表面的真空密封组件4连接。

而且，所述外导体组焊件两端密封活法兰A和密封活法兰B的端面均设有真空密封槽或真空密封平面，与相邻设备连接后可实现真空密封；如果法兰端面设有真空密封槽，则槽内放置密封圈A；如果法兰端面为真空密封平面，则与之连接设备法兰设有真空密封槽；密封活法兰A和密封活法兰B的真空密封也可是刀口金属密封等其它真空密封形式；所述外导体弯管和2件密封过渡焊板在与外导体弯管的两段管同心位置均设有通孔，二者焊在一起且焊缝为真空密封焊缝。

而且，所述外导体组焊件两端密封活法兰A和密封活法兰B的对外与相邻设备接口结构尺寸符合相关国标，即国标GB6644-86“通用硬同轴传输线及其法兰连接器详细规范”中各规格法兰结构尺寸，且在符合此国标对外接口基础上在法兰上增加了真空密封结构。

而且，所述直角形外导体组焊件内表面直径和直角形内导体外表面直径取国际和国内通用尺寸规格系列，二者直径比例为确定数值2.3，以满足通用射频同轴传输线特性阻抗50欧姆；通用尺寸规格系列定义射频同轴线中外导体内径尺寸为公称尺寸，这样的尺寸结构保证了该真空密封射频功率同轴传输线弯头特性阻抗与国际和国内通用的射频功率同轴传输线和射频设备的特性阻抗相匹配。

而且，所述直角形内导体外表面为该射频功率同轴传输线弯头的同轴线内导体表面，外导体组焊件内表面为该射频功率同轴传输线弯头的同轴线外导体表面，二者导电性能良好，一般采用铜材料制作；所述直角绝缘支撑和密封拉紧杆为射频功率损耗小的电绝缘件，一般采用聚四氟乙烯材料；密封压板、场密封垫片、螺杆和螺母均为导电的金属件，可防止射频功率同轴传输线内的射频场对外泄露；这样的结构和材料选择，保证了该真空密封射频功率同轴传输线弯头实现同轴线内外导体间的绝缘支撑，并使该弯头射频功率损耗低，同时对外避免射频功率泄露。

本发明的优点效果

1、本发明设计的一种真空密封射频功率同轴传输线弯头，是一种使用时内部为真空条件的射频功率同轴传输线弯头，在满足特性阻抗50欧姆匹配的条件下，具备真空密封结构与功能，能够实现内部真空的较大射频功率直角拐弯传输。目前国内还没有类似设备，故该设计具有较重要应用价值。

2、本发明真空密封射频功率同轴传输线弯头创新性强，对于漏磁场较强的超导加速器射频功率耦合馈入装置要求馈入窗远离高漏磁场区域时特别适用，具备较好实际应用价值。

3、本发明通过将外导体和内导体直径比例为确定数值2.3的直角形外导体、直角形内导体、直角绝缘支撑、多功能真空密封组件相结合，并且各个部分之间相互作用相互支持，组合以后解决了内外导体间位置固定、内外导体同轴、内导体耐受垂直双向较大轴向力、真空密封四者功能合一的射频功率同轴传输线直角弯头密封结构的新问题，取得了突出的实质性进步和显著效果。

附图说明

图1本发明的真空密封射频功率同轴传输线弯头示意图A；

图2本发明的真空密封射频功率同轴传输线弯头示意图B；

图3本发明的外导体组焊件示意图；

图4本发明的内导体示意图；

图5本发明的直角绝缘支撑示意图；

图6本发明的真空密封组件示意图；

附图标记：1.外导体组焊件，2.内导体，3.直角绝缘支撑，4.真空密封组件，5.密封圈A，101.密封活法兰A，102.外导体弯管，103.密封过渡焊板，104.密封活法兰B，401.密封压板，402.密封拉紧杆，403.场密封垫片，404.密封圈B，405.螺杆，406.螺母，407.平垫圈，408.螺钉。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

本发明设计原理

1、本发明设计初衷：本发明设计初衷是解决因加速器空间窄小、射频功率耦合窗距离加速器主磁铁太近容易损坏的问题，为此，设计了带有直角弯头的同轴射频功率传输线，以使得射频功率耦合窗通过拐弯设计远离超导磁铁漏磁场严重的区域，但随之而来的新问题是：直角弯头的对外真空密封问题；直角拐弯的设计如何保证对其进行拆装时，与其连接的外部设备内导体与弯头内导体之间插接结构插拔造成的较大冲击力传递给直角弯头的另一段内导体、导致另一段内导体产生垂直于轴线方向的冲击力或拉力，最终损坏内导体的问题。为了解决内导体位置牢固的问题，本发明将真空密封组件设计为多功能，一方面解决内导体位置牢固问题，一方面解决真空密封问题。

2、真空密封组件设计原理：本发明利用通过拧紧螺母带动螺杆直线滑动的原理用于实现内导体与外导体弯管之间的紧固，创新点在于在普通螺杆、螺母、压板的直线移动机构之外，又增加了一个螺纹拉紧杆，同时，螺纹拉紧杆以相互垂直方向作用于直角弯头的射频功率传输线的直角两边，用螺纹拉紧杆的一端连接内导体，另一端连接螺杆，密封压板起到支撑螺母不会向内导体方向移动的作用，当旋转螺母时，由于螺母位置不动，又由于螺杆连接密封拉紧杆、密封拉紧杆又连接内导体，就使得螺杆带动密封拉紧杆、密封拉紧杆带动内导体向外拉紧，从而实现内导体与外导体弯管之间的紧固，密封拉紧杆与内导体同轴，使得其受力结构合理；同时，密封圈B404环抱在密封拉紧杆402外面，且处于密封压板401中间孔一端的大倒角内，密封压板401与密封过渡焊板103贴合，密封圈B404实现了外导体组焊件1两处开孔位置的真空密封。外导体组焊件1所有焊缝均为真空密封焊缝，从而实现射频功率同轴传输线弯头的真空密封。

3、本发明的直角弯头射频功率传输线的意义在于，通过将直管传输线改进为弯头传输线，使得射频功率耦合窗拐弯到远离加速器主磁铁一定距离的区域，特别是远离超导加速器的超导磁铁漏磁场更严重的区域，因而避免了因为距离加速器主磁铁太近，使得耦合窗位置二次电子倍增效应很明显、导致耦合窗极易因二次电子倍增效应而损坏的问题，同时，拐弯设计也解决了加速器空间限制问题。

基于以上原理，本发明设计了一种真空密封射频功率同轴传输线弯头。

一种真空密封射频功率同轴传输线弯头，包括直角形外导体组焊件、与直角形外导体组焊件同轴布设的直角形内导体、布设在直角形外导体弯管和直角形内导体之间拐角处的直角绝缘支撑、分别布设在直角形外导体组焊件弯头的每段圆柱形表面的真空密封组件；其特征在于：所述真空密封组件与直角绝缘支撑相结合，既能实现射频功率同轴传输线弯头内的真空密封、又能实现内外导体位置固定、以及内导体外表面与外导体弯管内表面的同心。

所述真空密封组件包括：密封压板、密封拉紧杆、场密封垫片、密封圈B、螺杆、螺母、平垫圈、螺钉；所述密封压板通过螺钉固定在外导体组焊件的密封过渡焊板上并与之贴合；所述密封拉紧杆为两端设有螺纹的拉杆，一端为外螺纹、一端为内螺纹孔；该密封拉紧杆从密封压板、密封过渡焊板、外导体弯管和直角绝缘支撑孔内穿过，密封拉紧杆外螺纹的一端拧入内导体螺纹孔内；所述密封圈B套在密封拉紧杆外面，并在密封压板和密封过渡焊板之间压紧；所述密封压板中间孔对应密封圈B位置设有倒角，该倒角面为真空密封面，该结构可实现此两处孔的真空密封；所述螺杆拧入密封拉紧杆另一端的内螺纹孔内，场密封垫片和平垫圈套在螺杆外，用螺母压紧，同时施加对密封拉紧杆的拉紧力，实现内导体与外导体弯管之间的紧固。

所述直角绝缘支撑为直角结构，其直角结构两段内外面均为圆弧面，内外圆弧面分别与内导体外表面和外导体弯管内表面贴合；内圆弧半径与内导体外表面半径相同，外圆弧半径与外导体弯管内表面半径相同；通过直角绝缘支撑定位使内导体两段圆柱外表面与外导体弯管两段圆管内表面同心；直角绝缘支撑两段各设有一个通孔，该通孔用于真空密封组件贯穿该孔与直角形内导体连接。

所述外导体组焊件包括外导体弯管、外导体弯管两端分别焊有密封活法兰A和密封活法兰B，外导体弯管两段圆柱形表面焊有2件密封过渡焊板。

所述直角形内导体为外表面圆柱形的直角结构，其两端各设有一个孔，孔径尺寸符合该规格内导体通用尺寸规格系列，以适用商品件插芯插入，便于与相邻设备内导体连接；每段圆柱形表面与另一段圆柱形同心位置设有一个螺纹孔,该螺纹孔用于与外导体组焊件的每段圆柱形表面的真空密封组件4连接。

所述外导体组焊件两端密封活法兰A和密封活法兰B的端面均设有真空密封槽或真空密封平面，与相邻设备连接后可实现真空密封；如果法兰端面设有真空密封槽，则槽内放置密封圈A；如果法兰端面为真空密封平面，则与之连接设备法兰设有真空密封槽；密封活法兰A和密封活法兰B的真空密封也可是刀口金属密封等其它真空密封形式；所述外导体弯管和2件密封过渡焊板在与外导体弯管的两段管同心位置均设有通孔，二者焊在一起且焊缝为真空密封焊缝。

所述外导体组焊件两端密封活法兰A和密封活法兰B的对外与相邻设备接口结构尺寸符合相关国标，即国标GB6644-86“通用硬同轴传输线及其法兰连接器详细规范”中各规格法兰结构尺寸，且在符合此国标对外接口基础上在法兰上增加了真空密封结构。

所述直角形外导体组焊件内表面直径和直角形内导体外表面直径取国际和国内通用尺寸规格系列，二者直径比例为确定数值2.3，以满足通用射频同轴传输线特性阻抗50欧姆；通用尺寸规格系列定义射频同轴线中外导体内径尺寸为公称尺寸，这样的尺寸结构保证了该真空密封射频功率同轴传输线弯头特性阻抗与国际和国内通用的射频功率同轴传输线和射频设备的特性阻抗相匹配。

所述直角形内导体外表面为该射频功率同轴传输线弯头的同轴线内导体表面，外导体组焊件内表面为该射频功率同轴传输线弯头的同轴线外导体表面，二者导电性能良好，一般采用铜材料制作；所述直角绝缘支撑和密封拉紧杆为射频功率损耗小的电绝缘件，一般采用聚四氟乙烯材料；密封压板、场密封垫片、螺杆和螺母均为导电的金属件，可防止射频功率同轴传输线内的射频场对外泄露；这样的结构和材料选择，保证了该真空密封射频功率同轴传输线弯头实现同轴线内外导体间的绝缘支撑，并使该弯头射频功率损耗低，同时对外避免射频功率泄露。

实施例一

采用本发明的真空密封射频功率同轴传输线弯头(如图1、2所示)，作为超导回旋加速器射频功率耦合馈入装置的馈入窗真空侧同轴传输线弯头，可实现较大射频功率经过馈入窗后前往射频谐振腔体路途中顺利拐弯，即实现较大射频功率在真空环境下拐弯传输。其功能实现主要过程如下：

(一)如图1、2、3、4、5、6所示，内导体2外表面与外导体弯管102内表面同心，内导体2通过直角绝缘支撑3确定与外导体弯管102之间的相对同心位置。2件密封拉紧杆402外螺纹端拧入内导体2外表面螺纹孔，螺杆405拧入密封拉紧杆402螺纹孔端，通过拧紧螺母406实现将内导体2与外导体组焊件1之间的位置固定与连接，并可确保内导体2外表面与外导体弯管102内表面同心，螺母406下面垫有平垫圈407和场密封垫片403。

(二)如图1、2、3、6所示，通过拧紧螺钉408，实现密封压板401与密封过渡焊板103贴合固接；密封拉紧杆402穿过密封压板401中间通孔，且密封压板401中间通孔直径与密封拉紧杆402此处直径相同；密封圈B404环抱在密封拉紧杆402外面，且处于密封压板401中间孔一端的大倒角内，密封圈B404实现了外导体组焊件1两处开孔位置的真空密封。外导体组焊件1所有焊缝均为真空密封焊缝。

(三)如图1、3、4所示，外导体弯管102内表面直径和内导体2外表面直径取国际通用尺寸规格系列，二者直径比例为确定数值2.3，以满足国际和国内通用射频同轴传输线特性阻抗50欧姆。通用尺寸规格系列定义射频同轴线中外导体内径尺寸为公称尺寸，国标GB6644-86“通用硬同轴传输线及其法兰连接器详细规范”中各规格详细结构及接口尺寸与国际通用尺寸基本相同。内导体2两端孔直径尺寸，同样符合该规格内导体国际通用尺寸规格系列，以适用商品件插芯，便于与相邻设备内导体连接。密封活法兰A与密封活法兰B外形尺寸及对外接口，符合该规格射频同轴线法兰国标尺寸。

(四)如图1、2、3所示，外导体组焊件1的两端法兰为密封活法兰A101和密封活法兰B104，两法兰均设有真空密封槽，槽内放置密封圈A5，与相邻设备连接紧固后可实现本发明弯头两端的真空密封。

(五)如图1、2、3、4、5、6所示，内导体2外表面为本发明射频功率同轴传输线弯头的同轴线内导体表面，外导体组焊件1内表面为本发明射频功率同轴传输线弯头的同轴线外导体表面，二者导电性能良好；直角绝缘支撑3和密封拉紧杆402为射频功率损耗小的电绝缘件；密封压板401、场密封垫片403、螺杆405和螺母406均为导电的金属件，可防止射频功率同轴传输线内的射频场对外泄露。

基于上述结构特征，本发明真空密封射频功率同轴传输线弯头可实现射频功率顺利低损耗传输，且同时具有真空密封的直角弯头结构，实现内部为真空状态下射频功率同轴传输线的拐弯转向。

需要强调的是，本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。