用于高功率粒子加速器的束流收集器
阅读说明：本技术 用于高功率粒子加速器的束流收集器 (Beam dump for high power particle accelerator ) 是由 何源 牛海华 袁辰彰 贾欢 蔡汉杰 张勋超 王锋锋 张斌 于 2021-07-21 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于高功率粒子加速器的束流收集器,包括内锥筒、冷却筒组件、进水管组件及出水管组件；内锥筒为尖端封闭的锥体结构；冷却筒组件包括冷却筒外筒、导流锥和冷却筒端盖,导流锥套设在所述内锥筒外,且导流锥的大口端与内锥筒的大口端密封连接；进水管组件的第一端与所述导流锥的小口端连接,进水管组件的第二端为进水口；导流锥的大口端的锥面上设置有冷却水导出孔；冷却筒外筒套设在导流锥外,且其一端与冷却筒端盖的外边沿密封连接,其另一端与导流锥的大口端密封连接；出水管组件的第一端与冷却筒端盖固定连接焊接,并与冷却筒外筒连通,出水管组件的第二端为出水口。(The invention relates to a beam current collector for a high-power particle accelerator, which comprises an inner cone, a cooling cylinder assembly, a water inlet pipe assembly and a water outlet pipe assembly, wherein the inner cone is provided with a plurality of holes; the inner cone is a cone structure with a closed tip; the cooling cylinder assembly comprises a cooling cylinder outer cylinder, a guide cone and a cooling cylinder end cover, the guide cone is sleeved outside the inner cone, and the large opening end of the guide cone is connected with the large opening end of the inner cone in a sealing manner; the first end of the water inlet pipe assembly is connected with the small-opening end of the flow guide cone, and the second end of the water inlet pipe assembly is a water inlet; a cooling water outlet hole is formed in the conical surface of the large opening end of the flow guide cone; the outer cylinder of the cooling cylinder is sleeved outside the flow guide cone, one end of the outer cylinder is hermetically connected with the outer edge of the end cover of the cooling cylinder, and the other end of the outer cylinder is hermetically connected with the large opening end of the flow guide cone; the first end of the water outlet pipe assembly is fixedly connected and welded with the end cover of the cooling cylinder and is communicated with the outer cylinder of the cooling cylinder, and the second end of the water outlet pipe assembly is a water outlet.)
技术领域
本发明涉及核能技术中粒子加速器的束流收集技术领域，具体是关于一种用于高功率粒子加速器的束流收集器。
背景技术
在核能技术领域，束流收集器是粒子加速器的核心部件之一，位于粒子加速器束线的末端，用于收集粒子加速器产生的高功率粒子。
束流收集器的主要难点是需要将粒子加速器运行产生的大量高功率粒子收集并将产生的大量热量导出，确保束流收集器在高功率粒子辐照下产生的活化剂量低，耐辐照，对加速器束线其他设备造成的感生放射低，以确保粒子加速器的安全可靠运行。因此，就高功率粒子束流收集器的而言，机械结构的设计及材料选择尤为关键。目前，束流收集器常用的结构主要有双层嵌套螺旋水冷套锥筒结构、V型平板结构以及平板结构三种，材料主要有铜、钨、镍、铝等，采用的加工及焊接方法为常规的车削、铣削、镗削、钎焊、氩弧焊等，适用于大锥角、大夹角或者平板型的结构，然而，现有的束流收集器由于机械结构及使用材料的限制多用于低功率粒子加速器，在高功率粒子加速器中使用时换热性能差，耐辐照性能差，活化剂量高，严重时会造成材料的击穿及融化，不能够满足高功率粒子加速器的运行要求。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于高功率粒子加速器的束流收集器，其换热性能强、所用材料耐辐照性能好、活化剂量低，以满足高功率粒子加速器的长期可靠稳定运行，避免因高温高剂量造成束流收集器本身及加速器束线其他设备损坏的情况发生。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
本发明所述的用于高功率粒子加速器的束流收集器，包括内锥筒、冷却筒组件、进水管组件及出水管组件；所述内锥筒为尖端封闭的锥体结构；所述冷却筒组件包括冷却筒外筒、导流锥和冷却筒端盖，所述导流锥为两端开口的锥体结构；所述导流锥套设在所述内锥筒外，且所述导流锥的大口端与所述内锥筒的大口端密封连接，以使所述导流锥的内锥面与所述内锥筒的外锥面形成冷却水进水的进水通道；所述进水管组件的第一端与所述导流锥的小口端连接，所述进水管组件的第二端为进水口；所述导流锥的大口端的锥面上设置有冷却水导出孔；所述冷却筒外筒套设在所述导流锥外，且其一端与所述冷却筒端盖的外边沿密封连接，其另一端与所述导流锥的大口端密封连接，以使所述冷却筒外筒与所述导流锥的外锥面之间形成冷却水出水的出水通道；所述出水管组件的第一端与所述冷却筒端盖固定连接焊接，并与所述冷却筒外筒连通，所述出水管组件的第二端为出水口。
所述的用于高功率粒子加速器的束流收集器，优选地，所述内锥筒的大口端的外锥面上设置有冷却水密封法兰，所述导流锥的大口端的外锥面上设置有连接法兰，所述冷却水密封法兰与所述连接法兰通过连接件连接。
所述的用于高功率粒子加速器的束流收集器，优选地，所述内锥筒的大口端的外锥面上设置有真空密封法兰，所述真空密封法兰用于与加速器束线上游其它设备的真空法兰连接，以使所述内锥筒内部形成束流通过的真空密封空间。
所述的用于高功率粒子加速器的束流收集器，优选地，所述导流锥包括导流锥小锥段、导流锥中间段以及导流锥大锥段，所述导流锥小锥段的第一端与所述进水管组件的第一端连接，所述导流锥小锥段的第二端与所述导流锥中间段的第一端连接，所述导流锥中间段的第二端与所述导流锥大锥段的第一端连接，所述导流锥大锥段的第二端与所述内锥筒的大口端密封连接。
所述的用于高功率粒子加速器的束流收集器，优选地，所述进水管组件包括进水弯管和进水法兰管，所述进水弯管的第一端与所述导流锥小锥段的第一端连接，所述进水弯管的第二端与所述进水法兰管的第一端连接；所述进水法兰管的第二端为进水口。
所述的用于高功率粒子加速器的束流收集器，优选地，所述出水管组件包括出水连接管、出水弯管和出水法兰管，所述出水连接管的第一端与所述冷却筒端盖固定连接，并与所述冷却筒外筒连通；所述出水连接管的第二端与所述出水弯管的第一端连接；所述出水弯管的第二端与所述出水法兰管的第一端连接；所述出水法兰管的第二端为出水口。
所述的用于高功率粒子加速器的束流收集器，优选地，还包括第一弹性C型密封圈，所述连接法兰靠近冷却水密封法兰的一侧设置有第一密封槽，所述第一弹性C型密封圈设置于所述第一密封槽内。
所述的用于高功率粒子加速器的束流收集器，优选地，还包括第二弹性C型密封圈，在与所述真空密封法兰相连接的加速器束线上游其它设备的真空法兰的一侧设置有第二密封槽，所述第二弹性C型密封圈设置于所述第二密封槽内。
所述的用于高功率粒子加速器的束流收集器，优选地，所述内锥筒、冷却筒组件、进水管组件及出水管组件的材料为铝合金。
所述的用于高功率粒子加速器的束流收集器，优选地，所述导流锥的内锥面与内锥筒的外锥面之间的冷却水的进水通道的横截面面积沿轴向渐变。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1)本发明所用材料热物理性能及力学性能好，耐辐照性能强，在高辐照环境下活化剂量低；
2)本发明的内锥筒采用小锥角深锥孔设计、锥筒壁厚沿轴向渐变，确保良好换热效果的同时提供了足够的支撑强度；冷却筒采用锥形水冷套结构，冷却水从锥尖处流入，从锥底环孔留出，冷却水流道横截面面积沿轴向渐变，确保了冷却系统大换热系数、低压降、低流阻，保证了良好的换热效果；
3)本发明的真空密封和水密封采用的是弹簧增强型金属C型圈，密封效果好，耐辐照性能强；本发明确保了粒子加速器连续波强流高功率模式的稳定运行。
附图说明
图1为本发明的立体结构爆炸图；
图2为本发明的总装配体轴向剖视图；
图3为本发明的总装配体的右视结构示意图；
图4为本发明的内锥筒的结构示意图；
图5为本发明的冷却筒组件轴向剖视图；
图6为本发明的导流锥的结构示意图。
图中各附图标记为：
1-内锥筒；2-冷却筒组件；201-冷却筒外筒；202-导流锥；2-1-导流锥小锥段；2-2-导流锥中间段；2-3-导流锥大锥段；203-冷却筒端盖；3-进水弯管；4-进水法兰管；5-出水连接管；6-出水弯管；7-出水法兰管；8-冷却水导出孔；9-连接法兰；10-冷却水密封法兰；11-真空密封法兰。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
如图1至3以及图5所示，本发明提供的用于高功率粒子加速器的束流收集器，包括内锥筒1、冷却筒组件2、进水管组件及出水管组件；内锥筒1为尖端封闭的锥体结构；冷却筒组件2包括冷却筒外筒201、导流锥202和冷却筒端盖203，导流锥202为两端开口的锥体结构；导流锥202套设在所述内锥筒1外，且导流锥202的大口端与内锥筒1的大口端密封连接，以使导流锥202的内锥面与内锥筒1的外锥面形成冷却水进水的进水通道，导流锥202的小口端上伸出的凸台穿进冷却筒端盖203并与其焊接在一起；进水管组件的第一端与导流锥202的小口端焊接在一起，进水管组件的第二端为进水口；具体的，在冷却筒端盖203上设置有第一通孔，导流锥202的小口端穿过第一通孔，进水管组件的第一端焊接在导流锥202的小口端上；导流锥的大口端的锥面上设置有冷却水导出孔8(见图5)；冷却筒外筒201套设在导流锥202外，且其一端与冷却筒端盖203的外边沿焊接，其另一端与导流锥202的大口端焊接，以使冷却筒外筒201与导流锥202的外锥面之间形成冷却水出水的出水通道；出水管组件的第一端焊接在冷却筒端盖203上，并与冷却筒外筒201连通，所述出水管组件的第二端为出水口；具体的，在冷却筒端盖203上设置第二通孔，出水管组件的第一端焊接在第二通孔处。
在上述实施例中，优选地，如图4所示，内锥筒的大口端的外锥面上设置有冷却水密封法兰10，导流锥202的大口端的外锥面上设置有连接法兰9，冷却水密封法兰10与连接法兰9通过连接件连接，连接件为螺栓。由此，可以使导流锥202的内锥面与内锥筒1的外锥面形成封闭的冷却水进水的进水通道。
在上述实施例中，优选地，如图4所示，内锥筒1的大口端的外锥面上设置有真空密封法兰11，真空密封法兰11用于与加速器束线上游其它设备的真空法兰连接，以使内锥筒1内部形成束流通过的真空密封空间。
在上述实施例中，优选地，如图6所示，导流锥202包括导流锥小锥段2-1、导流锥中间段2-2以及导流锥大锥段2-3，导流锥小锥段2-1的第一端与进水管组件的第一端连接，导流锥小锥段2-1的第二端与导流锥中间段2-2的第一端连接，导流锥中间段2-2的第二端与导流锥大锥段2-3的第一端连接，导流锥大锥段2-3的第二端与内锥筒1的大口端密封连接。将导流锥202设置成三段可以方便加工。
在上述实施例中，优选地，进水管组件包括进水弯管3和进水法兰管4，进水弯管3的第一端与导流锥小锥段2-1的第一端连接，进水弯管3的第二端与进水法兰管4的第一端连接；进水法兰管4的第二端为进水口。
在上述实施例中，优选地，出水管组件包括出水连接管5、出水弯管6和出水法兰管7，出水连接管5的第一端与冷却筒端盖203固定连接，并与冷却筒外筒201连通；出水连接管5的第二端与出水弯管6的第一端连接；出水弯管6的第二端与出水法兰管7的第一端连接；出水法兰管7的第二端为出水口。
在上述实施例中，优选地，本发明还包括第一弹性C型密封圈，连接法兰9的靠近冷却水密封法兰10一侧设置有第一密封槽，第一弹性C型密封圈设置于第一密封槽内，第一弹性C型密封圈用于对冷却水密封法兰10和连接法兰9间进行密封。
在上述实施例中，优选地，本发明还包括第二弹性C型密封圈，在与真空密封法兰11相连接的加速器束线上游其它设备的真空法兰侧设置有第二密封槽，第二弹性C型密封圈设置于第二密封槽内，第二弹性C型密封圈用于对真空密封法兰11与加速器束线上游其它设备的真空法兰之间进行密封。
在上述实施例中，优选地，所述内锥筒、冷却筒组件、进水管组件及出水管组件的材料为铝合金。铝合金在满足良好的热物理性能及力学性能需求的同时，耐辐照性能强，活化剂量低，在高功率粒子加速器的高辐照环境下可长期可靠运行。
在上述实施例中，优选地，所述导流锥的内锥面与内锥筒的外锥面之间的冷却水的进水通道的横截面面积沿轴向渐变，使出口冷却水流速为入口冷却水流速的一半，确保冷却水从进水通道入口至进水通道出口大换热系数、低压降、低流阻，保证了良好的换热效果。
需要说明的是：所述内锥筒1采用小锥角深锥孔设计，锥筒壁厚沿轴向渐变，锥底面束流入口处壁厚较厚，锥尖处壁厚较薄，入口为一段直孔段，其加工工艺为：通过数控车床的钻头对工件进行分段加工得到台阶孔；通过数控车床的车刀去除台阶孔余量得到上半段锥孔；下半段距离锥尖三分之二长度段的锥孔通过数控车床的多把专用成型刀加工而成；下半段剩余三分之一段先通过铰刀去除内部余量，然后通过电火花成型采用更换电极的方式依次进行粗打、中打以及精打得到高精度小锥角深锥孔，由此，解决了因工件结构特殊性和高精度要求导致常规机械加工方法难以加工或无法满足精度要求的问题。
真空密封法兰11、冷却水密封法兰10与内锥筒一体成型，确保满足同轴度高精度要求以及真空密封及水密封的高可靠性。
连接法兰9与导流锥202一体成型，确保满足同轴度高精度要求。
导流锥202的内锥孔孔径沿轴向渐变，各段通过数控车床分段加工得到；通过台阶自扣定位采用电子束焊将各段焊接在一起，保证了各段同轴度的同时通过电子束焊接工艺确保了各焊缝质量的高可靠性。
导流锥与内锥筒1之间的冷却水进水的进水通道横截面面积沿轴向渐变，使出口冷却水流速为入口冷却水流速的一半，确保冷却水从进水通道入口至进水通道出口大换热系数、低压降、低流阻，保证了良好的换热效果。
进水弯管3焊接在导流锥小锥段2-1进水管上；出水转接管5焊接在冷却筒端盖203上，出水弯管6焊接在出水转接管5上，进水法兰管4焊接在进水弯管3上、出水法兰管7焊接在出水弯管6上，这些所有焊接处均通过电子束焊以保证焊缝质量的高可靠性，避免了常规焊接方式如氩弧焊所导致的焊缝未焊透、未熔合、产生裂纹及气孔等缺陷，提高了设备在特殊使用工况下的可靠性。
本发明的工作过程为：高功率粒子束从内锥筒1的大口端进入内锥筒1的内部，并停留在内锥筒1内，从进水管组件通入冷却水，冷却水从导流锥小锥段2-1的小口端进入流经导流锥202的内锥面与内锥筒1的外锥面之间的进水通道，对内锥筒1进行降温，然后从冷却水导出孔8导出后，进入冷却筒外筒201与导流锥202外锥面之间的出水通道中，最后从出水管组件排出。
本发明所述的用于高功率粒子加速器的束流收集器已实际应用在相关项目中。整个装置安装在ADS超导质子直线加速器样机(CAFe)高功率束线传输段终端，确保了ADS超导质子直线加速器样机实现了10毫安连续波强流高功率质子束稳定加速及运行，验证了全超导直线加速器可以稳定加速5-10毫安连续波高功率质子束这一国际加速器领域长期追求的目标。
最后应说明的是：以上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精神和范围。
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