阅读说明：本技术 一种应用于负氢束的紧凑型气体中性化靶室结构 (Compact gas neutralization target chamber structure applied to negative hydrogen beam ) 是由 闫逸花 王忠明 曹可江 吕伟 王茂成 杨业 王迪 刘卧龙 王敏文 赵铭彤 陈伟 于 2020-05-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种应用于负氢束的紧凑型气体中性化靶室结构。该结构包括气体靶、气体靶腔室、进气管、进气管接口、上游真空差分系统以及下游真空差分系统；上游真空差分系统和下游真空差分系统结构相同,且以气体靶腔室的中轴线对称设置；上游真空差分系统包括多级真空差分腔室,第1级真空差分腔室至倒数第二级真空差分腔室采用一个腔室,且通过多个折弯隔板分割构建,该种结构设计使得中性化靶室与加速器束线进行匹配时,引入其真空系统在束流方向的长度大幅度的缩短,解决了现有中性化靶室与加速器匹配时由于空间限制导致的束线物理设计和工程实施难,且不利于靶前及靶后束流传输效率的问题。(The invention discloses a compact gas neutralization target chamber structure applied to negative hydrogen beams. The structure comprises a gas target, a gas target chamber, a gas inlet pipe interface, an upstream vacuum differential system and a downstream vacuum differential system; the upstream vacuum differential system and the downstream vacuum differential system have the same structure and are symmetrically arranged by the central axis of the gas target chamber; the upstream vacuum differential system comprises a plurality of stages of vacuum differential chambers, a chamber is adopted from the 1 st stage of vacuum differential chamber to the penultimate stage of vacuum differential chamber, and the chamber is divided and constructed by a plurality of bending partition plates, when the neutral target chamber is matched with an accelerator beam line by the structural design, the length of the vacuum system in the beam direction is greatly shortened, the problems that the beam line physical design and engineering implementation are difficult due to space limitation when the existing neutral target chamber is matched with an accelerator, and the beam transmission efficiency before and after the target is not favorable are solved.)

一种应用于负氢束的紧凑型气体中性化靶室结构

技术领域

本发明涉及一种中性化靶室，具体涉及一种应用于负氢束的紧凑型气体中性化靶室结构。

背景技术

粒子加速器上，利用负氢离子产生中性氢原子束时，可通过固体剥离或气体剥离的方式来获得。采用固体剥离时，存在剥离箔片寿命有限、需不时更换箔片的问题；采用气体靶则可通过实时补充气体的方式，维持气体靶质量厚度在一个恒定值，从而达到一个稳定的中性化效率。

为了避免负氢离子在进入气体靶室之前就被剥离，也避免离开气体靶的中性氢原子被下游管道的气体分子进一步剥离变成质子，需使气体靶上、下游束流管道上的真空迅速提升到较高水平。加速器束线上真空度较高，通常在1E^-5～1E^-6Pa量级，而气体靶真空度较低，通常在数Pa左右，因此需要利用气阻管来实现气体靶到束流管道间真空的过渡。

由于气体靶与束流管道的真空通常有5～6个量级的差别，需要使用很长的气阻管，导致沿束线方向的管道长度过长，这样既不利于上游负氢离子的传输，也不利于下游中性氢原子束的传输，同时给中性化束线的物理设计和工程实施带来了额外的负担。

发明内容

为了解决现有气体中性化靶室与加速器束线进行匹配时，引入的由气阻管和真空泵构成的真空系统长度较大，不利于束线物理设计和工程实施以及不利于靶前及靶后束流传输效率的问题，本发明提供了一种应用于负氢束的紧凑型气体中性化靶室结构。

本发明提供的技术方案是：本发明提供了一种应用于负氢束的紧凑型气体中性化靶室结构,包括气体靶、气体靶腔室、进气管、进气管接口、上游真空差分系统以及下游真空差分系统；

上游真空差分系统和下游真空差分系统结构相同，且以气体靶腔室的中轴线对称设置；

上游真空差分系统包括按照束流流动方向依次连接的第一腔室和第二腔室；第一腔室内通过设置N个折弯隔板将其分为N+1级真空差分腔室；第二腔室作为第N+2级真空差分腔室与所述上游束流管道接口连通；第一级真空差分腔室与气体靶腔室之间、每相邻两级真空差分腔室之间均通过气阻管连通；每级真空差分腔室均通过一个闸板阀连接一个分子泵；其中，N≥1；

进气管沿气体靶腔室中轴线安装，位于气体靶腔室内的一端安装气体靶，位于气体靶腔室外一端安装进气管接口。

进一步地，上述折弯隔板包括倾斜段、第一平直段以及第二平直段；所述倾斜段一端与第一腔室靠近气体靶腔室一侧的内壁固连，另一端与第一平直段一端连接，第一平直段的另一端与第二平直一端垂直固连，第二平直段另一端与所述第一腔室远离气体靶腔室一侧的内壁固连；所述气阻管安装在所述第一平直段上，且每个折弯隔板中的气阻管中轴线与所述气体靶的中轴线均共线。

进一步地，每级气阻管的差分比在0.01～0.1。

进一步地，为了使中性化靶室的布局更好的利用空间，所述闸板阀和分子泵的设置位置满足分子泵抽空孔时气体流动方向与束流方向垂直。

进一步地，为了对第一级真空差分腔室与气体靶腔室之间，每级真空差分腔室之间进行真空隔离，上述气阻管通过固定法兰盘安装于气体靶腔室侧壁、折弯隔板的第一平直段以及第一腔室侧壁上，并且固定法兰盘与气体靶腔室侧壁之间，固定法兰盘与所述第一平直段之间以及固定法兰盘与第一腔室侧壁之间均设有O型密封圈。进一步地，上述中性化靶室结构还包括设置用于将气体靶溢出的气载抽走的罗茨泵。

进一步地，上述中性化靶室结构还包括设置在进气管入口处的针阀以及设置在进气管上的真空规。

进一步地，上述中性化靶室结构还包括气体靶腔室上的电阻规，以及设置在每级真空差分腔室上的电离规。

进一步地，与所述第1至N+1级真空差分腔室连接分子泵抽速为1000L/s，与第N+1级真空差分腔室连接分子泵抽速为350L/s。

本发明的有益效果是：

本发明采用在气体靶腔室上、下游对称设置多级真空差分系统，并且第1级真空差分腔室至倒数第二级真空差分腔室采用一个腔室通过多个折弯隔板分割构建，使得中性化靶室与加速器束线进行匹配时，引入其真空系统在束流方向的长度大幅度的缩短，解决了现有中性化靶室与加速器匹配时由于空间限制导致的束线物理设计和工程实施难，且不利于靶前及靶后束流传输效率的问题。

附图说明

图1为实施例的结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为图2的A向剖视图。

图4为气阻管处的局部放大视图。

附图标记如下：

1-气体靶、2-气体靶腔室、3-进气管、4-进气管接口、5-上游真空差分系统、6-下游真空差分系统、7-第一腔室、8-第二腔室、9-折弯隔板、10-第一级真空差分腔室、11-第二级真空差分腔室、12-第三级真空差分腔室、13-倾斜段、14-第一平直段、15-第二平直段、16-气阻管、17-固定法兰盘、18-O型密封圈、19-闸板阀、20-分子泵、21-罗茨泵、22-针阀、23-第一电阻规、24-第二电阻规、25-电离规。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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，本领域普通技术人员在有没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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种应用于负氢束的紧凑型气体中性化靶室结构的具体实施例,如图1至图3所示，该结构包括气体靶1、气体靶腔室2、进气管3、进气管接口4、上游真空差分系统5以及下游真空差分系统6；

进气管3沿气体靶腔室2中轴线安装，位于气体靶腔室2内的一端安装气体靶1，位于气体靶腔室2外一端安装进气管接口4；本实施例中，气体靶腔室设计为圆筒形；

上游真空差分系统5和下游真空差分系统6结构相同，且以气体靶腔室2的中轴线对称设置；由于上游真空差分系统5和下游真空差分系统6结构相同，为了节省篇幅，本实施例仅以上游真空差分系统为例进行说明；

上游真空差分系统5包括按照束流流动方向依次连接的第一腔室7和第二腔室8(本实施例中，第一腔室7为矩形，第二腔室为圆筒形)；第一腔室7内通过设置N个折弯隔板9将其分为N+1级真空差分腔室；第二腔室8作为第N+2级真空差分腔室与所述上游束流管道接口连通；N≥1，本实施例中N取1，则上游真空差分系统一共有三级真空差分腔室，按照束流流动方向依次为第一级真空差分腔室10、第二级真空差分腔室11和第三级真空差分腔室12，以下结构均以三级真空腔室为例进行说明(当N的数值也可根据气体靶与束流管道的真空量级差别进行确定)：

本实施例中，折弯隔板8的具体结构包括倾斜段13、第一平直段14以及第二平直段15；倾斜段13一端与第一腔室7靠近气体靶腔室2一侧的内壁固连，另一端与第一平直段14一端连接，第一平直段14的另一端与第二平直15一端垂直固连，第二平直段15另一端与所述第一腔室7远离气体靶腔室一侧的内壁固连，从而将第一腔室7分割为两个独立的真空差分腔室(即第一级真空差分腔室10和第二级真空差分腔室11)；

第一级真空差分腔室10与气体靶腔室2之间、第一、第二级真空差分腔室之间，以及第二、第三级真空差分腔室之间均通过一个气阻管16连通；具体的：连通第一级真空差分腔室10的气阻管16安装在气体靶腔室2上，连通第一级真空差分腔室10和第二级真空差分腔室11的气阻管16安装在折弯隔板9的第一平直段14上，连通第二级真空差分腔室11和第三级真空差分腔室12的气阻管16安装在第一腔室7的侧壁上；且每级气阻管16的中轴线与所述气体靶1的中轴线均共线，并且每级气阻管16的差分比在0.01～0.1。

如图4所示，为了对第一级真空差分腔室10与气体靶腔室2之间，每级真空差分腔室之间进行真空隔离，气阻管16通过固定法兰盘17安装于气体靶腔室2侧壁、折弯隔板9的第一平直段14以及第一腔室7侧壁上，并且固定法兰盘17与气体靶腔室2侧壁之间、固定法兰盘17与折弯隔板9的第一平直段14之间、固定法兰盘17与第一腔室7侧壁之间均设有O型密封圈18。

每级真空差分腔室均通过一个闸板阀19连接一个分子泵20，从而实现真空度的逐级增大，具体的，第一级、二级真空差分腔室上设置抽速为大抽速分子泵(抽速约1000L/s)，第三级差分室上设置小分子泵(抽速约350L/s)；为了使中性化靶室的布局更好的利用空间，闸板阀19和分子泵20的设置位置满足分子泵抽空孔时气体流动方向与束流方向垂直。

气体靶腔室2上还设有用于将气体靶溢出的气载抽走的罗茨泵21，进气管3入口处的设置有针阀22以及设置在进气管3上的真空规23，气体靶腔室2上设有电阻规24，每级真空差分腔室上的均设有电离规25。

根据以上实施例中中性化靶室结构的具体介绍，可知靶室具有以下特点：

1、中性化靶室结构在束流上、下游均采用三级真空差分系统，第1级真空差分腔室和第二级真空差分腔室采用一个腔室通过多个折弯隔板分割构建使得中性化靶室与加速器束线进行匹配时，在沿束线方向上实现了三段空间(气体靶腔室、一级差分室、二级差分室)的复用，也为外侧分子泵接口提供了适当的空间，将沿束线方向的腔体长度大大地压缩，实现了紧凑型的结构设计，降低了对束流物理设计的难度和对工程实施的影响，既降低了上游真空对靶前负氢束的影响，又降低了下游真空对靶后中性氢原子束的影响，实现了各段束流的最大传输效率。

每级气阻管的差分比在0.01～0.1之间，本实施例中选择的气阻管尺寸为内径15mm≤d≤20mm、长度18mm≤L≤67mm，可在较短距离内实现气体靶到束流真空的真空过渡，同时兼顾束斑尺寸的要求、降低对束损的影响。

2、每级气阻管通过O型密封圈及固定法兰盘固定安装上，实现了不同真空室之间的真空隔离。

3、在气体靶腔室下方设置罗茨泵，可将气体靶溢出的气载抽走大部分；第一级、二级真空差分腔室上设置抽速为大抽速分子泵(抽速约1000L/s)，第三级差分室上设置小分子泵(抽速约350L/s)，配合差分管尺寸，可实现从气体靶束流真空度的逐阶提高，在较短距离内实现。

4、进气管入口通过针阀可精确控制进气流量，并在进气管上安装第一电阻规23，通过对气压的监测，可以有效预估气体靶的质量厚度。

5、在气体靶腔室上设置第二电阻规24，可实现腔室内低真空的监测，有助于对气体靶扩散长度进行计算；在第一级、二级、三级真空差分腔室上分别设置电离规25，可实现对高真空的监测。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。