一种无液氦射频超导加速器
阅读说明：本技术 一种无液氦射频超导加速器 (Liquid helium-free radio frequency superconducting accelerator ) 是由 杨自钦 何源 蒋天才 白峰 王志军 郭浩 徐孟鑫 张升学 刘鲁北 陈伟龙 皇世春 于 2021-08-05 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种无液氦射频超导加速器,其带电粒子束流经注入系统产生和引出,经束流传输系统被引入到加速模组,功率源系统向加速模组提供射频功率,低电平与控制系统监测运行、维持超导腔内的电磁场幅度和相位稳定,带电粒子在加速模组内得到加速后,再经束流传输系统被引入应用终端。本发明通过固体传导的方式对超导腔进行冷却,使超导腔在低温下稳定运行,加速带电粒子束流,摆脱当前射频超导加速腔只能浸泡在液氦里的冷却方式,省去结构复杂的液氦浸泡冷却恒温器和造价昂贵占地规模大的液氦低温站,价格便宜、占地面积小、结构简单、布局紧凑、运维方便等优点,能够显著降低射频超导加速器的应用难度,大大拓展射频超导加速器的应用范围。(The invention relates to a liquid-helium-free radio frequency superconducting accelerator, wherein charged particle beams are generated and led out through an injection system and are led into an acceleration module through a beam transmission system, a power source system provides radio frequency power for the acceleration module, a low level and control system monitors operation and maintains the amplitude and phase stability of an electromagnetic field in a superconducting cavity, and the charged particles are accelerated in the acceleration module and then are led into an application terminal through the beam transmission system. The superconducting cavity is cooled in a solid conduction mode, so that the superconducting cavity stably operates at a low temperature, charged particle beams are accelerated, the cooling mode that the radio-frequency superconducting accelerating cavity can only be soaked in liquid helium at present is eliminated, a liquid helium soaking cooling thermostat with a complex structure and a liquid helium low-temperature station with high manufacturing cost and large occupied area are omitted, and the radio-frequency superconducting accelerator has the advantages of low price, small occupied area, simple structure, compact layout, convenience in operation and maintenance and the like, can obviously reduce the application difficulty of the radio-frequency superconducting accelerator, and greatly expands the application range of the radio-frequency superconducting accelerator.)
技术领域
本发明涉及一种超导加速器，特别是关于一种基于固体传导冷却的无液氦射频超导加速器，属于超导技术领域。
背景技术
带电粒子加速器是高能物理、原子分子物理、生命及材料科学、核物理及放射性核素研究等领域不可缺少的研究手段。得益于射频超导加速腔(超导腔)极低的表面电阻，与常温加速器相比，超导加速器具有可工作于高占空比甚至连续波模式的优点，射频超导是现代粒子加速器的核心技术之一。
超导腔是超导加速器的核心加速部件。当前，超导腔主要采用低温超导材料金属铌制造，需浸泡在温度为2K-4K的液氦里实现冷却。但是，液氦浸泡冷却方式导致制冷系统结构复杂，造价高昂，且需要高度专业的低温制冷运行与维护团队，这严重制约了当前以纯铌超导腔为核心的超导加速器的应用范围。因此，如何摆脱液氦束缚是降低超导加速器复杂程度、运维难度以及拓展超导加速器应用范围的关键。
一方面，具有高超导转变温度(Tc)及高过热磁场的Nb3Sn、MgB2、NbN、NbTiN、铁基超导体等射频超导材料，在4.2K甚至更高温度下的射频性能可达到铌基超导腔2K下的水平；另一方面，当前的工业制冷机在4.2K低温下的制冷功率已达到2W，且其制冷功率随温度的提高而增大，具备通过固体传导的冷却方式驱动基于Nb3Sn、MgB2、NbN、NbTiN、铁基超导体等高温超导材料的超导腔稳定工作的能力。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于固体传导冷却的无液氦射频超导加速器，以摆脱传统超导腔必须浸泡在液氦里冷却的工作方式，降低射频超导技术的应用难度。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种无液氦射频超导加速器，包括带电粒子注入系统、束流传输系统、加速模组系统、功率源系统、低电平与控制系统和应用终端；其中，所述加速模组系统的输入端和输出端分别通过所述束流传输系统连接所述带电粒子注入系统的输出端和所述应用终端的输入端；所述带电粒子注入系统被配置为产生特定能量、特定种类、特定流强、特定参数的带电粒子束流；所述束流传输系统被配置为引导从所述带电粒子注入系统引出的带电粒子束流进入所述加速模组系统的超导腔被加速，以及引导从所述加速模组系统的超导腔引出的被加速的带电粒子束流按照指定的轨迹传输到所述应用终端；所述功率源系统与所述加速模组系统的超导腔连接，所述功率源系统被配置为向所述加速模组系统的超导腔提供射频功率，以在所述超导腔内建立射频电磁场，使带电粒子束流在所述超导腔内受电磁场作用而被加速；所述低电平与控制系统分别与所述带电粒子注入系统、束流传输系统、加速模组系统和应用终端电连接，所述低电平与控制系统被配置为通过采集加速器的温度、真空度、射频、束流位置、束流能量、束流发射度信号并进行处理，以监测加速器的运行状态，维持所述超导腔内的电磁场幅度和相位稳定。
所述的无液氦射频超导加速器，优选地，所述加速模组系统包括：超导腔，被配置成给带电粒子束流提供能量；低温单元，被配置成向所述超导腔提供所需的低温环境；真空单元，与所述超导腔连接，所述真空单元被配置成向所述超导腔提供运行所需的腔体真空环境与夹层真空环境。
所述的无液氦射频超导加速器，优选地，所述功率源系统包括功率源和耦合器，所述耦合器与所述超导腔的耦合口连接，所述耦合器被配置为将所述功率源输出的射频功率馈入所述超导腔。
所述的无液氦射频超导加速器，优选地，所述束流传输系统包括束流管道、磁铁元件以及束流诊断元件，所述束流管道采用不锈钢加工而成并与所述加速模组系统的管道对接，所述束流管道抽真空，且真空度低于1e-5Pa，所述束流管道的连接处全部采用金属密封保证高真空；所述束流管道上布置有测量带电粒子束流位置、能量、流强、发射度的束流诊断元件，所述束流管道上还布置有用于带电粒子束流偏转的二极磁铁，和/或用于带电粒子束流聚焦的螺线管和四极磁铁，和/或用于消色散的六极磁铁，和/或用于辐照所需的扫描磁铁，以及根据应用需求所需的其他磁铁元件。
所述的无液氦射频超导加速器，优选地，所述带电粒子注入系统产生的带电粒子包括电子、质子或碳离子等。
所述的无液氦射频超导加速器，优选地，所述低温单元包括：冷屏，罩设在所述超导腔的外部，所述冷屏被配制成降低所述超导腔的静态热损；磁屏蔽层，布置在所述冷屏和超导腔之间的空间内，所述磁屏蔽层被配制成屏蔽地球环境磁场，减小所述超导腔的磁通俘获；导冷块，多组所述导冷块布置在所述超导腔的发热区域，且所述导冷块的内表面与所述超导腔的外表面贴合；二级冷板，设置在所述导冷块的上方，且所述二级冷板的一侧通过柔性冷链分别与多组所述导冷块连接；制冷机，至少一台所述制冷机设置在所述二级冷板的上方，且所述制冷机的二级冷头通过柔性冷链与所述二级冷板的另一侧连接。
所述的无液氦射频超导加速器，优选地，所述导冷块为对半抱箍形式，所述导冷块的对半抱箍均通过螺钉螺母紧固相连；同时，在所述导冷块与超导腔的接触界面上以及对半抱箍连接处均布置有铟片；在所述超导腔的发热区域外表面、导冷块、二级冷板和二级冷头上均布置有温度传感器，用于监控所述超导腔的温度变化；同时，在所述二级冷头上布置有高精度加热器，用于配合温控仪和温度传感器，实现在30-15K之间降温速率平稳且在1min/K-5min/K之间连续可调的条件，且确保所述超导腔在轴线方向的温度梯度≤0.025K/cm；在所述超导腔的外表面布置有磁通门探头，所述磁通门探头需能够准确测量≤10mGs的磁场强度，用以剩磁测量及监测。
所述的无液氦射频超导加速器，优选地，所述真空单元包括：真空罩，罩设在所述冷屏的外部，所述真空罩被配置成在所述真空罩与所述超导腔之间形成用于降低静态热损的夹层真空环境；真空管路，两组所述真空管路的一端通过真空角阀分别与所述超导腔的两束流管道连接，两组所述真空管路的另一端穿出所述真空罩后与真空泵组连接，以在所述超导腔和真空管路所组成的超导腔-管道系统内形成用于带电粒子加速的腔体真空环境。
所述的无液氦射频超导加速器，优选地，所述真空罩采用不锈钢材质，内外表面采用抛光处理；所述真空罩的顶部具有所述制冷机的对接口，侧面具有所述真空管路的对接口，底部具有所述耦合器的对接口；所述真空罩上留有温度传感器穿墙件，用于所述温度传感器的数据线对接；所述真空罩上留有磁探头传感器穿墙件，用于所述磁通门探头的数据线对接；所述真空罩预留回填口，用于高纯氮气充气恢复真空和管道清洗。
所述的无液氦射频超导加速器，优选地，还包括设置在所述真空罩顶部的减震器，所述制冷机设置在所述减震器上；同时，通过所述制冷机的二级冷头与所述超导腔之间的柔性冷链有效隔阻所述制冷机的震动向所述超导腔传递；所述超导腔通过无磁材料制作的支撑结构支撑在所述真空罩内，且所述支撑结构上布置有微调杆。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
本发明带电粒子束流经注入系统产生和引出，经束流传输系统被引入到加速模组，功率源系统向加速模组提供高频功率，低电平与控制系统监测运行、维持超导腔内的电磁场幅度和相位稳定，带电粒子在加速模组内得到加速后，再经束流传输系统被引入应用终端。由于基于商业制冷机，并通过固体传导的方式对超导腔进行冷却，使超导腔在低温下稳定运行，加速带电粒子束流，摆脱当前射频超导加速腔只能浸泡在液氦里的冷却方式，省去结构复杂的液氦浸泡冷却恒温器和造价昂贵占地规模大的液氦低温站，具有价格便宜、占地面积小、结构简单、布局紧凑、运维方便等优点，能够显著降低射频超导加速器的应用难度，大大拓展射频超导加速器的应用范围。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的无液氦射频超导加速器的结构示意图；
图2为本发明该实施例提供的加速模组系统的轴向剖面示意图。
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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，使用术语“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对上述零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“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。
本发明提供的无液氦射频超导加速器，包括带电粒子注入系统、束流传输系统、加速模组系统、功率源系统、低电平与控制系统和应用终端；其中，加速模组系统的输入端和输出端分别通过束流传输系统连接带电粒子注入系统的输出端和应用终端的输入端；带电粒子注入系统被配置为产生特定能量、特定种类、特定流强、特定参数的带电粒子束流；束流传输系统被配置为引导从带电粒子注入系统引出的带电粒子束流进入加速模组系统的超导腔被加速，以及引导从加速模组系统的超导腔引出的被加速的带电粒子束流按照指定的轨迹传输到应用终端；功率源系统与加速模组系统的超导腔连接，功率源系统被配置为向加速模组系统的超导腔提供射频功率，以在超导腔内建立射频电磁场，使带电粒子束流在超导腔内受电磁场作用而被加速；低电平与控制系统分别与带电粒子注入系统、束流传输系统、加速模组系统和应用终端电连接，低电平与控制系统被配置为通过采集加速器的温度、真空度、射频、束流位置、束流能量、束流发射度信号并进行处理，以监测加速器的运行状态，维持超导腔内的电磁场幅度和相位稳定。本发明通过固体传导的方式对超导腔进行冷却，使超导腔在低温下稳定运行，加速带电粒子束流，摆脱当前射频超导加速腔只能浸泡在液氦里的冷却方式，省去结构复杂的液氦浸泡冷却恒温器和造价昂贵占地规模大的液氦低温站，价格便宜、占地面积小、结构简单、布局紧凑、运维方便等优点，能够显著降低射频超导加速器的应用难度，大大拓展射频超导加速器的应用范围。
下面结合附图对本发明提供的无液氦射频超导加速器做详细介绍。
如图1所示，本实施例提供的无液氦射频超导加速器包括带电粒子注入系统10、束流传输系统20、加速模组系统30、功率源系统40、低电平与控制系统50和应用终端60。其中，加速模组系统30的输入端和输出端分别通过束流传输系统20连接带电粒子注入系统10的输出端和应用终端60的输入端。带电粒子注入系统10被配置为产生特定能量、特定种类、特定流强、特定参数的带电粒子束流，束流传输系统20被配置为引导从带电粒子注入系统10引出的带电粒子束流进入加速模组系统30的超导腔被加速，以及引导从加速模组系统30的超导腔引出的被加速的带电粒子束流按照指定的轨迹传输到应用终端60；功率源系统40与加速模组系统30的超导腔连接，功率源系统40被配置为向加速模组系统30的超导腔提供射频功率，以在超导腔内建立射频电磁场，使带电粒子束流在超导腔内受电磁场作用而被加速；低电平与控制系统50，分别与带电粒子注入系统10、束流传输系统20、加速模组系统30和应用终端60电连接，低电平与控制系统50被配置为通过采集加速器的温度、真空度、射频、束流位置、束流能量、束流发射度等信号并进行处理，以监测加速器的运行状态，维持超导腔内的电磁场幅度和相位稳定。
上述实施例中，优选地，加速模组系统30包括：超导腔1，被配置成给带电粒子束流提供能量；低温单元2，被配置成向超导腔1提供所需的低温环境；真空单元3，与超导腔1连接，真空单元3被配置成向超导腔1提供运行所需的腔体真空环境与夹层真空环境。
上述实施例中，优选地，功率源系统40主要包括功率源(图中未示出)和耦合器4，耦合器4与超导腔1的耦合口连接，耦合器4被配置为将功率源输出的射频功率馈入超导腔1。在本实施例中，功率源为固态功率源，工作频率为1.3GHz，输出功率为10kW；耦合器4的工作频率为1.3GHz，最大运行功率为5kW。
上述实施例中，优选地，束流传输系统20包括束流管道、各种类型的磁铁元件、以及各种带电粒子束流的束流诊断元件。束流管道采用304不锈钢加工而成并与加速模组系统30的管道对接，束流管道的连接处全部采用金属密封保证高真空，束流管道用无油干泵、分子泵或离子泵抽真空，且真空度低于1e-5Pa；束流管道上布置有测量带电粒子束流位置、能量、流强、发射度等性质的束流诊断元件，束流管道上还布置有用于带电粒子束流偏转的二极磁铁，和/或用于带电粒子束流聚焦的螺线管和四极磁铁，和/或用于消色散的六极磁铁，和/或用于辐照所需的扫描磁铁，以及根据应用需求所需的其他磁铁元件。
上述实施例中，优选地，低电平与控制系统50采用基于FPGA的数字化低电平控制系统，主要包括频率合成、FPGA数字信号处理平台和上层通信软件，在本实施例中功率稳定度要求≤0.3％，相位控制精度要求≤0.30。
上述实施例中，优选地，带电粒子注入系统10产生的带电粒子为电子(也可以为质子或碳离子等)，带电粒子束流的平均流强为1～5mA，能量大于等于300KeV，束团电荷量1pC-100pC可调，微脉冲重频54.17MHz，宏脉冲重频1/2/5/10/20Hz，宏脉冲宽度10us～1ms可调。
上述实施例中，优选地，低温单元2包括：冷屏2-1，罩设在超导腔1的外部，冷屏2-1被配制成降低超导腔1的静态热损；磁屏蔽层(图中未示出)，布置在冷屏2-1和超导腔1之间的空间内，磁屏蔽层被配制成屏蔽地球环境磁场，减小超导腔1的磁通俘获；导冷铜块2-2，三组导冷铜块2-2分别沿周向设置在超导腔1的赤道区域和两侧束流管道区域，且导冷铜块2-2的内表面与超导腔1的赤道区域和束流管道区域外表面贴合；二级冷板2-3，设置在导冷铜块2-2的上方，且二级冷板2-3的一侧通过柔性冷链2-4分别与三组导冷铜块2-2连接；制冷机2-5，至少一台制冷机2-5设置在二级冷板2-3的上方，且制冷机2-5的二级冷头2-6通过柔性冷链2-4与二级冷板2-3的另一侧连接。由此，超导腔1内壁的发热通过导冷铜块2-2经柔性冷链2-4传递到二级冷板2-3，再经过柔性冷链2-4传递到制冷机2-5的二级冷头2-6，从而使超导腔1维持在低温超导工作状态。需要说明的，将三组导冷铜块2-2分别沿周向设置在超导腔1的赤道区域和两侧束流管道区域只是针对超导腔1为单个椭球腔(即加速单元)的情况，但若超导腔1包含多个加速单元，则需要的导冷铜块2-2数量根据应用需求决定；并且，如果超导腔1的形状不是椭球腔的话，则需要把导冷铜块2-2设置在超导腔1的发热区域。
上述实施例中，优选地，导冷铜块2-2为对半抱箍形式，导冷铜块2-2的对半抱箍均通过螺钉螺母紧固相连；同时，在导冷铜块2-2与超导腔本体1的接触界面上以及对半抱箍连接处均布置有铟片(图中未示出)，用以加强导热；并且，为减小超导腔1所在空间的剩磁以及进行有效紧固，所用螺钉为316L不锈钢螺钉，所用螺母为硅青铜螺母，所用垫片为不锈钢弹垫；进一步地，螺钉螺母的紧固力矩为115N.m，确保紧固连接处的热阻低于1×10-4Km2/W。
上述实施例中，优选地，在超导腔1的赤道区域外表面、三组导冷铜块2-2、二级冷板2-3和二级冷头2-6等位置均布置有温度传感器(图中未示出)，用于监控超导腔1的温度变化；同时，在二级冷头2-6上布置有高精度加热器(图中未示出)，用于配合温控仪和温度传感器，实现在30-15K之间降温速率平稳且在1min/K-5min/K之间连续可调的条件，且确保超导腔1在轴线方向的温度梯度≤0.025K/cm。
上述实施例中，优选地，在超导腔1的赤道区域外表面及两侧束流管道区域外表面布置有磁通门探头(图中未示出)，该磁通门探头需能够准确测量≤10mGs的磁场强度，用以剩磁测量及监测。
上述实施例中，优选地，真空单元3包括：真空罩3-1，罩设在冷屏2-1的外部，真空罩3-1被配置成在真空罩3-1与超导腔1之间形成用于降低静态热损的夹层真空环境；真空管路3-2，两组真空管路3-2的一端通过真空角阀3-3分别与超导腔1的两束流管道连接，两组真空管路3-2的另一端穿出真空罩3-1后与真空泵组(图中未示出)连接，以在超导腔1和真空管路3-2所组成的超导腔-管道系统内形成用于带电粒子加速的腔体真空环境。
上述实施例中，优选地，腔体真空环境要求常温下的漏率≤5e-10mbarL/S，腔体真空环境要求常温下真空度≤5e-5Pa；夹层真空环境要求常温下漏率≤5e-8mbarL/S，夹层真空环境要求常温下真空度≤5e-3Pa。
上述实施例中，优选地，真空罩3-1采用不锈钢材质，内外表面采用抛光处理，减少气体吸附；真空罩3-1的顶部具有制冷机2-5的对接口，侧面具有和真空管路3-2的对接口，底部具有耦合器4的对接口；真空罩3-1上留有温度传感器穿墙件3-4，用于温度传感器的数据线对接；真空罩3-1上留有磁探头传感器穿墙件3-5，用于磁通门探头的数据线对接；真空罩3-1预留回填口，用于高纯氮气充气恢复真空和管道清洗，保证装置洁净度。
上述实施例中，优选地，由于超导腔1的腔壁损耗极小，带宽极窄，腔体震动有可能造成超导腔的频率失谐，因此为了避免制冷机2-5震动传递到超导腔1而影响其稳定运行，该无液氦射频超导加速装置还包括设置在真空罩3-1顶部的减震器5，制冷机2-5设置在减震器5上，从而大幅度降低与超导腔1对接的制冷机2-5的二级冷头2-6振动幅度；同时，制冷机2-5的二级冷头2-6与超导腔1之间的柔性冷链2-4则可以有效隔阻制冷机2-5的震动向超导腔1传递。
上述实施例中，优选地，超导腔1通过无磁材料制作的支撑结构6支撑在真空罩3-1内，且支撑结构6上布置有微调杆，可以高精度微调超导腔位置，用以满足加速装置超导腔1的准直需求。
上述实施例中，优选地，超导腔1的内表面形成有高温超导材料的薄膜，该高温超导材料是指零磁场下超导转变温度高于15K，同时4K温度下过热磁场高于150mT的材料，例如Nb3Sn、MgB2、NbN、铁基超导材料等。超导腔1的形状及工作频率由被加速的带电粒子种类、能量等参数决定，可以是横磁波(TM)超导腔、横电磁波(TEM)超导腔或者其他的超导腔结构。
本领域技术人员应该理解的是，本发明的附图和实施只是为了便于描述本发明的技术方案，列出的对一种形状的超导腔的无液氦射频超导加速器及其使用方法为例，进行的原理性阐述与说明，而不是指示或暗示所指的超导腔及固体传导冷却结构设计必须具有特定的形状、大小及材质限制，因此不能以此来限制本发明的保护范围。所有采用制冷机驱动，基于固体传导的冷却方式来加速带电粒子的应用，都应在本发明的保护范围。
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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