阅读说明：本技术 一种新的直线感应加速腔结构 (Novel linear induction accelerating cavity structure ) 是由 陈思富 黄子平 李欣 何佳龙 叶毅 蒋薇 吕璐 刘尔祥 于 2020-12-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种新的直线感应加速腔结构,包括铁磁室,铁磁室内设有磁芯组,磁芯组包括铁氧体磁芯和非晶磁芯。本发明与现有技术相比,具有如下的优点和有益效果：横向阻抗大大降低,不需要像常规非晶磁芯感应腔那样采用增加束管道半径的方式来降低非晶磁芯感应腔的横向耦合阻抗以满足强流束的输运要求；铁氧体磁性材料近似绝缘材料且它将非晶磁芯与高压馈入板隔开,这大幅度增加了非晶磁芯感应加速腔的耐压能力；结构紧凑、可靠,既可用于短脉冲,也可用于长脉冲、多脉冲等需要提供更多伏秒数的情形；与现有感应腔相比,可以减小磁芯的用量,提高加速梯度,减少加速器的长度,利于强流束的传输,同时大幅降低加速器的造价。(The invention discloses a novel linear induction accelerating cavity structure which comprises a ferromagnetic chamber, wherein a magnetic core group is arranged in the ferromagnetic chamber, and the magnetic core group comprises a ferrite magnetic core and an amorphous magnetic core. Compared with the prior art, the invention has the following advantages and beneficial effects: the transverse impedance is greatly reduced, and the transverse coupling impedance of the amorphous magnetic core induction cavity is reduced by adopting a mode of increasing the radius of a beam pipeline to meet the transportation requirement of a strong beam like a conventional amorphous magnetic core induction cavity; the ferrite magnetic material is similar to an insulating material and separates the amorphous magnetic core from the high-voltage feed plate, so that the voltage resistance of the amorphous magnetic core induction accelerating cavity is greatly improved; the structure is compact and reliable, and the device can be used for short pulses, long pulses, multi-pulse and other situations needing to provide more volt-seconds; compared with the existing induction cavity, the induction cavity can reduce the using amount of the magnetic core, improve the acceleration gradient, reduce the length of the accelerator, facilitate the transmission of the strong flux beam and greatly reduce the manufacturing cost of the accelerator.)

一种新的直线感应加速腔结构

技术领域

本发明涉及强流直线感应加速器，具体涉及一种新的直线感应加速腔结构。

背景技术

直线感应加速器是20世纪60年代发展起来的一种积木式结构的强流脉冲加速器，以产生强流脉冲带电粒子束。以电子直线感应加速器为例，其产生的脉冲电子束的电流强度为数kA级、能量数十MeV、脉宽数十ns至数μs。

直线感应加速器的加速段主要由众多直线感应加速腔(简称感应腔)串接而成。感应腔一般通过装载在环形不锈钢腔体的铁磁室中的非线性磁芯的感应隔离，实现在真空加速间隙内部提供时变场而外部无电位累加。其中，磁芯的磁感应强度增量和磁芯的横截面积的乘积(称为伏秒数)表征了感应腔产生一定幅度与宽度的感应脉冲的能力。

直线感应加速器的感应腔中的磁性材料一般为铁氧体或非晶磁芯。由于非晶磁性带材的磁感应强度增量(约为3T)比铁氧体(约为0.7T)大得多，因此，随着非晶磁性带材制造技术的迅速发展，现在的直线感应加速器感应腔都倾向于使用非晶磁芯，尤其是在长脉冲、多脉冲直线感应加速器等需要磁芯提供更多伏秒数的情形，如美国的长脉冲(～2μs)直线感应加速器DARHT-II的感应腔(图1)。即使考虑到非晶磁性带材的封装，作为成品的非晶磁环的磁感应强度增量大于1.4T，价格与相同尺寸的铁氧体基本一致，因此，与使用铁氧体磁芯相比，从提供一定幅度和宽度的感应电压所需伏秒数的能力来看，使用非晶磁芯有利于大幅减小感应腔的横截面积。

但是现有的工程适用的非晶磁芯感应腔目前有两个主要弱点：一是高压耐压问题；一是为满足横向耦合阻抗的设计要求而导致的束管道半径大幅增大的问题。

非晶磁芯感应腔使用的非晶磁性材料(也称金属玻璃)是良好的导电体，趋肤深度只有零点几微米，使用时必须制成微米级薄带，用绝缘材料(或涂层)包裹，绕制成环状。除了需要考虑所有非晶磁芯的层间绝缘、非晶磁芯内外径处的绝缘外，还需重点考虑高压馈入处非晶磁芯的绝缘。正是由于非晶感应腔的非晶磁芯离高压馈入板太近的设计缺陷，造成美国DARHT-II最初设计的众多非晶磁芯感应腔在高压调试时出现大面积击穿。在采用加速腔整体切割、加长、封装等一系列复杂工艺来增加高压馈入板与非晶磁芯的距离并使用绝缘辐条之后(参考文献“Mechanical engineering upgrades to the DARHT-IIinduction cells”，J.Barrazat,T.Ilg,K.Nielsen,et.al.,The 15th IEEEInternational Pulsed Power Conference,2005)，DARHT-II在延期七年之后才最终完成调试。绝缘辐条也浪费了DARHT-II感应腔铁磁室空间。

另外，从强流束长距离稳定传输的角度来考虑，感应腔的结构设计需要考虑束崩溃不稳定性(Beam Break-UP instability：BBU)的抑制问题，而如何将加速腔的横向耦合阻抗控制在要求的范围内是重点考虑的问题。横向耦合阻抗正比于间隙宽度，反比于管道半径的平方。非晶磁性材料和金属相似，会强烈反射电磁波，因此非晶磁芯感应腔的横向耦合阻抗较高，为了将非晶磁芯感应腔的横向耦合阻抗大小设计到可接受的程度，金属玻璃感应腔的束管道半径需要大幅增大，这样，磁芯的内外半径需要增大，这在某种程度上抵消了由于非晶材料的高磁感应强度增量带来的磁芯的用量及费用的减少。例如，美国的DARHT-II长脉冲直线感应加速器，其非晶磁芯感应腔的加速间隙宽度设计为～25mm，其注入器后的前8个感应腔束管道半径被设计为～178mm，其余感应腔的束管道半径也达到了～127mm；作为对比，美国的DARHT-I、法国的AIRIX等典型的短脉冲直线感应加速器而言，其铁氧体感应腔的加速间隙宽度～19mm，束管道半径～74mm。

如上所述，现有的非晶磁芯感应腔因非晶磁性材料的磁感应强度增量很高，因此在磁芯提供足够的伏秒数方面具有很大的优势，既可用于短脉冲，也可用于长脉冲、多脉冲等需要提供更多伏秒数的情形，但是，非晶磁芯感应腔存在因非晶磁芯与高压馈入板靠近而存在的耐压隐患问题、绝缘辐条浪费铁磁室空间问题以及为降低横向耦合阻抗而增加束流管道半径所导致的磁芯使用量及费用大幅增加等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，目的在于提供一种新的直线感应加速腔结构，解决非晶磁芯感应腔的横向耦合阻抗和耐压的问题。

本发明通过下述技术方案实现：一种新的直线感应加速腔结构，包括铁磁室，铁磁室内设有磁芯组，磁芯组包括铁氧体磁芯和非晶磁芯。

进一步的，所述的铁氧体磁芯位于非晶磁芯与加速间隙之间。

进一步的，所述的铁氧体磁芯位于非晶磁芯与形成加速间隙的高压馈入板之间。

进一步的，所述的铁氧体磁芯设有一块。

进一步的，外壳、短路盘I、中壳和高压馈入板形成铁磁室。

进一步的，还包括线圈室，线圈室内设有线圈组。

进一步的，所述的线圈组包括螺旋管线圈和校正线圈。

进一步的，短路盘I、中壳、内壳和高压馈入板形成线圈室。

进一步的，高压馈入板和短路盘II形成加速间隙。

进一步的，所述的加速间隙内设有绝缘环。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种新的直线感应加速腔结构，在铁磁室里靠近高压馈入板处使用了一块铁氧体磁性材料，由于铁氧体磁性材料的吸波特性，非晶磁芯表面放一块铁氧体时，其横向阻抗大大降低，不需要像常规非晶磁芯感应腔那样采用增加束管道半径的方式来降低非晶磁芯感应腔的横向耦合阻抗以满足强流束的输运要求。与现有非晶磁芯感应腔相比，本发明的感应腔结构更紧凑。

2、本发明一种新的直线感应加速腔结构，用来支撑一定幅度和脉宽的脉冲电压所需的伏秒数主要由铁磁室中的非晶磁芯提供，在铁磁室里靠近高压馈入板处使用了一块铁氧体磁性材料，由于铁氧体磁性材料近似绝缘材料且它将非晶磁芯与高压馈入板隔开，这大幅度增加了非晶磁芯感应加速腔的耐压能力。与现有非晶磁芯感应腔相比，本发明的感应腔结构的耐压能力更强，运行更可靠。

3、本发明一种新的直线感应加速腔结构，增加的铁氧体磁性材料额外提供了加速腔的伏秒数，同时本发明的感应腔结构紧凑、可靠，既可用于短脉冲，也可用于长脉冲、多脉冲等需要提供更多伏秒数的情形。与现有感应腔相比，可以减小磁芯的用量，提高加速梯度，减少加速器的长度，利于强流束的传输，同时大幅降低加速器的造价。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为非晶磁芯感应腔结构示意图。

图2为本发明结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：1-绝缘辐条，2-铁氧体磁芯，3-非晶磁芯，4-外壳，5-短路盘I，6-中壳，7-线圈组，8-内壳，9-高压馈入板，10-绝缘环，11-短路盘II。

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明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图2所示，本发明一种新的直线感应加速腔结构，包括磁性极小圆筒形不锈钢的外壳4、环形的短路盘I5、圆筒形的中壳6、圆筒形的内壳8、环形的高压馈入板9、环形的绝缘环10和环形的短路盘II 11。

外壳4、短路盘I5的一部分、中壳6和高压馈入板9的一部分形成铁磁室，短路盘I5的一部分、中壳6、内壳8和高压馈入板9的一部分形成线圈室，高压馈入板9和短路盘II11形成加速间隙。

铁磁室内设有磁芯组，磁芯组包括铁氧体磁芯2和非晶磁芯3。铁氧体磁芯2设有一块，该块铁氧体磁芯2位于非晶磁芯3与高压馈入板9之间，既用于吸波又用于提高感应腔的耐压能力，同时还可以提供一定的伏秒数。非晶磁芯的数量可以根据所需的伏秒数来确定。

线圈室内设有线圈组，线圈组包括螺旋管线圈和校正线圈。加速间隙内设有绝缘环10，用于支撑加在其间的加速电压，并分隔铁磁室区域的变压器油和加速管道的真空区域。

在一具体实施例中，用于强流束传输的新的直线感应加速腔结构如下：除铁磁室中所用的磁芯不同外，使用相同结构的感应腔，进行了不同磁芯情况下的横向耦合阻抗测量。铁氧体磁芯为国产NZ铁氧体磁芯，外径508mm，内径254mm，厚度25mm，Bs≥0.38T，Br≥0.29T；非晶磁芯为国产快脉冲大尺寸非晶磁芯，封装外径497mm，内径266mm，厚度27mm。全部使用国产NZ铁氧体磁芯时，其TM110模式对应的频率为450MHz，横向耦合阻抗为99.3Ω/m；全部使用对应尺寸的国产快脉冲大尺寸非晶磁芯时，其TM110模式对应的频率为539MHz，横向耦合阻抗为175Ω/m；使用“非晶磁芯+1块铁氧体”的磁芯组合时，其TM110模式对应的频率为437MHz，横向耦合阻抗为108Ω/m。与全部使用铁氧体磁芯时相比，全部使用非晶磁芯时，感应腔的横向耦合阻抗大76％；与全部使用铁氧体磁芯时相比，采用“非晶磁芯+1块铁氧体”的磁芯组合，感应腔的横向耦合阻抗仅大8％，与全部使用铁氧体磁芯的情况基本一致，铁氧体磁芯在“非晶磁芯+1块铁氧体”的磁芯组合中起到了非常优异的吸波效果。

在另一具体实施例中，除铁磁室中所用的磁芯不同外，使用相同结构的感应腔，进行了不同情况下的高压测试。铁氧体磁芯为国产NZ铁氧体磁芯，外径508mm，内径254mm，厚度25mm，Bs≥0.4T，Br≥0.3T；非晶磁芯为国产快脉冲大尺寸非晶磁芯，封装外径497mm，内径266mm，厚度27mm。在使用11块国产NZ铁氧体和使用“6块非晶磁芯+1块铁氧体”两种情况下，都得到了250kV的高压方波脉冲，非晶磁芯的伏秒数和耐压能力都满足要求，不需要提供绝缘辐条1进行高压保护。另外，磁芯的高压饱和实验证明，封装后的1块非晶磁芯能提供的伏秒数大致相当于2块铁氧体磁芯能提供的伏秒数，增加的铁氧体磁芯相对绝缘辐条，也能为加速腔提供伏秒数，进一步降磁芯用量，减少加速腔整体结构。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。