100MeV回旋加速器射频谐振腔体机械设计与制造

摘要：文章介绍原子能院100MeV强流质子回旋加速器射频谐振腔体机械设计与制造过程中考虑与解决的主要技术问题及解决方法。腔体共2套，单腔可馈入功率100kW，无氧铜制造，外形大、重量大，尺寸精度及表面质量要求高，国内无研制类似设备经验。两套腔体无载品质因数Q0为9434与9691，与理论值10300很接近。

关键词：谐振腔体；回旋加速器；射频

【分类号】：TL542

1. 引言

原子能院HI-13串列加速器升级工程，重点建造一台100MeV强流质子回旋加速器[1]。该加速器射频谐振腔体开路端激励起射频电压，实现对负氢离子加速而获得粒子能量。回旋加速器能否长期稳定运行，大部分问题出在射频系统。研制2套高品质射频谐振腔体，是保证加速器稳定运行的关键。腔体运行稳定且拥有高的品质因数，很大程度上取决于机械结构设计与制造工艺。

2. 机械设计与制造中主要技术问题

2.1 功率损失导致发热与设备冷却

设备运行时单腔功耗约35kW，会导致腔体发热，热变形是影响腔体稳定的重要原因，需通过水冷将热量带走，合理的冷却才能保证设备稳定运行。腔体的内杆、D板和外壳短路端等位置功耗较大，机械结构上重点布置水冷，理论模拟得到腔体功耗分布，作为水冷布置的依据。

2.2 腔内表面处理

腔体谐振频率44.5MHz，此频率电功率信号遵从趋肤效应，腔内表面很薄表层电流密度很高，需对表面抛光。抛光也可提高腔体品质因数，降低尖端放电效应。常规抛光加入的抛光膏会残存在金属表面，从多电子效应看，导致大量二次电子激发，对腔体锻炼及稳定运行不利；从趋肤效应看，抛光膏残存在电流密度最高的腔内表面，增加表面电阻，从而增加功耗，所以抛光时不加抛光膏。电流沿腔体分布有方向性，抛光的纹理与理论电流方向应一致，以免“切断”电流信号。

图1 腔体各部分表面电流方向

2.3 相邻件连接

作为大功率射频电信号谐振腔，大密度电流从零件表层通过，对零件表面连接的可靠性与稳定性要求高。静态连接采用刀口结构，保证连接件外端最大程度结合，增加接触长度以减小电流线密度。腔体用无氧铜制成，单件重量大，刀口易损伤，可适当加大刀口宽度，做成类刀口结构。动态连接采用弹性电连接元件，一般用铍铜簧片。商品簧片规格有限，在接近300℃时退火而减小或失去弹性。根据射频电流走向及空间尺寸及动态变化允许误差范围，选择合适形状尺寸的簧片。簧片的连接固定结构要考虑加工工艺性，簧片不被退火，还要考虑簧片的散热与导热。无法使用簧片的位置可用铍铜弹性丝网。

2.4 就近多点接地、信号泄露与屏蔽

射频腔体元件可等效为电容和电感，腔体固有频率与信号频率一致时，信号在腔内处于谐振状态。接地结构对于射频信号等效于电感与电容元件，为减小不可预测的谐波震荡及外部阻抗，射频系统需就近多点接地，尽量设备内部共地。本系统功率高，信号波长短易泄露，泄露功率不容忽视，会严重干扰周围电子设备。整个信号传输路径及谐振腔，尽可能封闭共地状态实现信号传输与谐振，尽量少“并联”入旁路设备，最大程度减小其它谐波震荡与信号泄露。开路端必然有信号泄露，需对周围设备进行屏蔽处理，信号屏蔽需将信号封闭在良导体空间内，可用铍铜簧片或丝网将周围金属部件连成一个封闭空间。

2.5 真空问题

腔体开路端产生加速器射频加速电压，是粒子加速与通行区域，为减小负氢离子真空剥离，对真空度要求很高。所有真空内零部件从结构特点及加工工艺上尽可能提高真空性能。真空内所有水冷管采用整根管，避免国际上一些大型回旋加速器因真空内水路密封漏水而造成长时间停机检修的弊端。

3. 机械设计、制造与测试

腔体主要由外腔体（外导体）、内杆（内导体）和D板组成，对材料的导电和导热性能要求高，主体采用无氧铜材料。

图2 腔体及其半剖模型

3.1 各部件的设计

外腔体作为谐振腔外导体，为直边扇形空腔，半径约2m，角度36.4°，腔内高611mm，内表面是腔体外导体，开口翻边处为腔体开路端，是粒子加速间隙位置。外表面根据功耗分布布置水冷铜管，银钎焊焊在表面，3面分步焊接，使用内衬及外压管工装实现焊接压紧与焊后整形。

D板侧边与外腔体翻边间的间隙是粒子加速间隙，真空度要求高，同时发热较高，设计时既要充分水冷，也要兼顾水冷结构的真空性能。D板角度33.6°，长度1.8m，如此大尺寸无氧铜件，厚度仅20mm，机械设计要考虑增加其强度与刚度以减小变形。D板表面开槽放入铜管作为水冷管，银铜钎焊满焊。此结构解决了D板冷却问题，焊缝大大增加了D板的刚度和强度，解决了D板变形问题。但此种焊缝不是常规银钎焊焊缝，靠常规火焰加热钎焊易产生较多缺陷而影响真空性能，大量焊料易造成铜管熔蚀。采用真空炉钎焊解决了上述问题，在真空环境下焊接及均温加热可极大减小焊缝缺陷，避免氧化和过大焊接应力，设计合理工装解决焊接过程中铜管压平压实、工件保持水平及铜管两端头钎料封堵等问题。

该腔为双内杆结构，前内杆直径128mm，后内杆直径140mm，内杆长591mm。内杆作为腔体的感性元件，连接 D板与外腔体，一端连接开路端，一端连接短路端。短路端是腔体电流最大位置，电流密度高，要有良好的射频电连接与冷却。内杆约占腔体总功耗的40%，对冷却要求高。设计成夹层结构，内芯外面开螺旋水槽，套入外套焊接成一体，形成内螺旋水路，实现内杆的良好冷却。

3.2无载品质因数测试

图3 无载品质因数测试结果

最终在台架上测试两套腔体的无载品质因数Q0分别为9434与9691，与理论值10300很接近，达到了很高的水平，满足设计要求。

4. 结论

该射频腔体为目前国内紧凑型回旋加速器最大腔体，最终测试无载品质因数接近理论值，在国际上少见。大功率下连续锻炼工作稳定。制造过程中D板水冷管焊接方式尚无先例，且焊接效果好。外腔体水冷管焊接难度高，同时保证了尺寸精度，是得到高品质因数的重要原因。最终得到很高的品质因数，意味着单腔比设计减少5kW功耗，降低了水冷负载，减小了腔体热变形，提高了低电平控制稳定性，使整个射频系统稳定性得到了提高。最终测试腔体加速电压分布符合束流物理要求，证明了机械设计与加工做得成功，只有尺寸精度高、加速间隙与理论接近才能达到这样效果[1]。

参考文献

[1] 毕远杰等， 100MeV强流质子回旋加速器高频腔公差研究[J]. 中国物理C，2008