带电粒子回旋加速器的腔体锻炼加速装置与方法、回旋加
速器
技术领域
[0001] 本
发明涉及质子/重离子等带电粒子加速的技术领域，尤其是涉及一种
带电粒子回旋加速器的腔体锻炼加速装置与方法、回旋加速器，其中一种具体的带电粒子可以应用为质子，指
质量数等于1的自由离子，另一种具体的带电粒子可以应用为重离子，指质量数大于等于4的自由离子。
背景技术
[0002] 多
电子倍增效应对于带电粒子回旋加速器的运行质量有着关键影响，在
真空环境-5下，例如是真空度小于 1×10 mbar时，少量的射频功率在二次电子发射系数高于1的腔体金属几何表面就足以产生与
频率、功率以及距离相关的电子
云往复震荡，以致于回旋加速器无法正常工作。
[0003] 通常带电粒子回旋加速器主要由离子源系统、粒子输运系统、主磁
铁、高频系统、真空系统及各种辅助系统等组成。其中高频系统一般由高频加速
电极、高频共振腔和高频功率源三部分构成。高频系统的作用在于为离子提供回旋加速器所必需的高频
电压，是加速器中最基本的组成部分之一，为了保持高频共振腔工作状态的稳定需要长时间的腔体锻炼，才能尽可能的消除多电子倍增效应造成的有害影响。
[0004] 目前国际上常用的腔体锻炼方法是采用重复周期短的脉冲进行锻炼，安全系数较高，但不可避免地需要消耗大量的锻炼时间。这是因为回旋加速器的高频共振腔内是一种非线性负载，在多电子倍增效应下，高频腔内产生电子云会影响射频范围高频系统的匹配，当电子轰击的
能量不能加以限制，会造成高频腔内表面材料的改变和失效，甚至损坏加速器射频陶瓷耦合窗这类的关键部件。例如是紧凑型回旋加速器，其空间狭小，材料繁多，结构复杂，特别是当高频腔体电极处于
磁铁峰、谷区的边缘场中，上述客观因素加剧了回旋加速器受到多电子倍增效应的运行复杂性。
[0005] 原
申请人在中国发明
专利申请公布号CN108633160A公开了一种质子加速器束流冷却装置，属于质子加速器领域，包括导热束流阻断体，导热束流阻断体
侧壁上开设有存储凹槽，凹槽内存储有
冷却液；导热束流阻断体与中空管体一端相连，中空管体另一端与导热冷凝体相连，导热束流阻断体的凹槽、中空管体的内腔和冷凝体之间形成供冷却液冷却的冷却内腔。因此，已公开了可以通
过热传导的方式对质子加速器进行
散热冷却。
发明内容
[0006] 本发明的第一目的是提供一种带电粒子回旋加速器的腔体锻炼加速装置，能够在腔体锻炼过程发生锻炼不足时以被动式缓冲冷却的方式提高高频腔冷却回路的循环
温度，进而提高高频腔的出气速度，有效缩短高频腔的锻炼时间。
[0007] 本发明的第二目的是提供一种带电粒子回旋加速器，使用前述的腔体锻炼加速装置，用以实现回旋加速器高频腔腔体的锻炼加速的技术效果。
[0008] 本发明的第三目的是提供一种带电粒子回旋加速器的腔体锻炼加速方法，用以实现加快高频腔的排气，使高频腔更快速度过多电子效应区，减少加速器从首次调试到达到运行工况的时间。
[0009] 本发明的第一发明目的是通过以下技术方案得以实现的：提出一种带电粒子回旋加速器的腔体锻炼加速装置，所述腔体锻炼加速装置所适用的带电粒子回旋加速器包括高频腔与经由第一功率传递路径对所述高频腔馈入功率的高频发射机，所述腔体锻炼加速装置包括功率重分配装置与缓冲冷却装置。所述功率重分配装置切换所述高频发射机的馈入功率至第二功率传递路径，用于重新分配所述高频腔馈收到的馈入功率;所述缓冲冷却装置以有序的方式先冷却由接受所述第二功率传递路径产生的热量再冷却所述高频腔。
[0010] 通过采用上述技术方案，利用所述功率重分配装置与所述缓冲冷却装置，在使用所述腔体锻炼加速装置进行带电粒子回旋加速器的腔体锻炼时，当所述高频腔的腔体表面间歇发生多电子倍增效应，能够重新分配所述高频发射机的馈入功率至非连接所述高频腔的第二功率传递路径;同时，能够接受所述第二功率传递路径产生的热量缓冲冷却所述高频腔，因此以被动式缓冲冷却的方式提高高频腔冷却回路的循环温度，进而提高高频腔的出气速度，有效缩短高频腔的锻炼时间。
[0011] 本发明在第一较佳示例中可以进一步配置为：所述功率重分配装置包括环形器与假负载器，所述高频发射机经由所述环形器个别连接至所述假负载器与所述高频腔，用于选择性向所述高频腔与所述假负载器的任一者馈入功率，所述假负载器用于接受当所述高频腔的腔体表面间歇发生多电子倍增效应时由所述高频发射机馈入的功率。
[0012] 可以通过采用上述优选技术方案，利用环形器与假负载器的组合关系，实现切换所述高频发射机馈入功率的功率再分配功能。
[0013] 本发明在第一较佳示例的第一具体样态中可以进一步配置为：所述缓冲冷却装置包括内循环冷却回路、外循环冷却回路及换热器，所述内循环冷却回路用于冷却所述高频腔，所述外循环冷却回路透过所述换热器与所述内循环冷却回路间接热交换，所述假负载器设置在所述外循环冷却回路往所述换热器的冷却路径中。
[0014] 可以通过采用上述优选技术方案，利用外循环冷却回路与换热器的组合关系，实现所述缓冲冷却装置以有序的方式先冷却所述假负载器并维持所述高频腔温度的缓冲冷却功能。
[0015] 本发明在第一较佳示例的第二具体样态中可以进一步配置为：所述第一功率传递路径包括连接所述高频发射机至所述环形器的第一馈入管以及连接所述环形器至所述高频腔的第二馈入管，所述第二功率传递路径包括连接所述高频发射机至所述环形器的第一馈入管以及连接所述环形器至所述假负载器的第三馈入管。
[0016] 可以通过采用上述优选技术方案，利用所述第一馈入管经过所述环形器至所述第二馈入管与所述第三馈入管，实现所述第一功率传递路径与所述第二功率传递路径在连接所述高频发射机的分段共用。
[0017] 本发明在第一较佳示例的第一具体样态的一具体结构中可以进一步配置为：所述内循环冷却回路的冷却路径上设置有第一
循环泵，用于提供由所述换热器换热的内循环冷却液至所述高频腔的
流体动
力。
[0018] 可以通过采用上述优选技术方案，利用所述内循环冷却回路的
循环泵，能够实现所述内循环冷却回路的封闭式冷却路径建置，有利于所述高频腔的缓冲冷却，并方便外循环冷却回路的检查维护。
[0019] 本发明在第一较佳示例的第一具体样态的一具体结构中更具体地还可以进一步配置为：所述换热器只提供热量交换，所述内循环冷却回路的内循环冷却液与所述外循环冷却回路的外循环冷却液不互相连通;或者/以及，所述外循环冷却回路的冷却路径上设置有第二循环泵与制冷机，所述假负载器位于所述制冷机与所述换热器之间。
[0020] 可以通过采用上述优选技术方案，利用所述换热器只提供热量交换且不互相连通冷却液，以实现两个内外循环冷却回路的封闭式冷却路径;或者/以及，利用所述假负载器位于所述制冷机与所述换热器之间，能实现所述缓冲冷却装置以有序的方式先冷却所述假负载器再冷却所述高频腔的技术效果。
[0021] 本发明在第二较佳示例中可以进一步配置为：所述缓冲冷却装置的制冷机与所述高频发射机之间连接有功率与冷却同步
连接线，所述缓冲冷却装置在用以冷却所述高频腔的路径上提前预冷所述被切换的所述高频发射机的馈入功率经过所述第二功率传递路径产生的热量，使所述缓冲冷却装置对所述高频腔的制冷效率与所述高频发射机的馈入功率为非同步关系。
[0022] 通过采用上述优选技术方案，利用功率与冷却的同步连接并配合其连接的所述腔体锻炼加速装置的组件，使得所述缓冲冷却装置对所述高频腔的制冷效率与所述高频发射机的馈入功率在腔体锻炼的使用上可以由同步关系优化为缓冲冷却的非同步关系。
[0023] 本发明的第二发明目的是通过带电粒子回旋加速器使用上述任一示例的腔体锻炼加速装置的技术方案或其多种技术方案的可能组合得以实现的。
[0024] 本发明的第三发明目的是通过以下技术方案得以实现的：提出一种带电粒子回旋加速器的腔体锻炼加速方法，在具有
磁场与真空的腔体锻炼过程中，调节高频发射机的参数，使所述高频发射机与高频腔阻抗匹配，所述高频发射机的馈入功率经由第一功率传递路径进入所述高频腔，并通
过冷却带走所述高频腔的热功率;及，当所述高频腔的腔体表面间歇发生多电子倍增效应时，重新分配所述高频发射机的馈入功率至非连接所述高频腔的第二功率传递路径;同时，接受所述第二功率传递路径产生的热量缓冲冷却所述高频腔，其中所述高频腔在功率不馈入时的换热效率相对较低于功率馈入时的换热效率。
[0025] 通过采用上述技术方案，发生多电子倍增效应时，能够被动地降低所述高频腔在功率不馈入时的换热效率，实现所述高频腔的腔体锻炼加快。
[0026] 本发明在第三较佳示例中可以进一步配置为：所述腔体锻炼加速方法，还包括：维持所述高频腔在功率不馈入时的温度稳定，以利所述高频腔内的气体排出;有序地往复进行前述的功率馈入、功率不馈入时缓冲冷却与功率不馈入时稳温排气，借以逐步降低激励
信号幅度，直到所述高频腔的腔体电压跌落至度过多电子效应区域。
[0027] 通过采用上述优选技术方案，利用功率不馈入时稳温排气以及有序地往复进行功率馈入、功率不馈入时缓冲冷却与功率不馈入时稳温排气，还能够模拟脉冲锻炼的操作，且具有优于单一使用脉冲锻炼的排气效果，更快的完成高频锻炼过程，对于回旋加速器的关键部件有更好的保护效果。
[0028] 综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：1.能够在腔体锻炼过程发生锻炼不足时以被动式缓冲冷却的方式提高高频腔冷却回路的循环温度，进而提高高频腔的出气速度，有效缩短高频腔的锻炼时间；
2.使回旋加速器具有高频腔腔体的锻炼加速功能；
3.实现加快高频腔的排气，使高频腔更快速度过多电子效应区，减少加速器从首次调试到达到运行工况的时间，或者还能够模拟脉冲锻炼的操作，且具有优于单一使用脉冲锻炼的排气效果，更快的完成高频锻炼过程，对于回旋加速器的关键部件有更好的保护效果；
4.实现当高频发射机和高频腔不匹配时，功率自动进入假负载器；随着假负载器吸收高频发射机的功率，且产生能量优先被外循环冷却回路带走，随即在换
热机中传递到高频腔的内循环冷却回路，以维持高频腔的温度，达到加速高频腔的腔体表面出气的目的。
附图说明
[0029] 图1绘示本发明第一较佳
实施例的带电粒子回旋加速器的腔体锻炼加速装置的结构方
块示意图;图2绘示本发明第二较佳实施例的带电粒子回旋加速器的腔体锻炼加速方法的流程方块示意图。
[0030] 附图标记:10、高频腔; 20、高频发射机;30、功率重分配装置; 31、环形器; 32、假负载器;40、缓冲冷却装置; 41、内循环冷却回路; 42、外循环冷却回路; 43、换热器; 44、第一循环泵; 45、制冷机;51、第一馈入管; 52、第二馈入管; 53、第三馈入管;60、功率与冷却同步连接线。
具体实施方式
[0031] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作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。
[0032] 需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定
姿态(如附图所示)下各部件之间的相对
位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0033] 以下将本发明的带电粒子回旋加速器的腔体锻炼加速装置与方法、回旋加速器做进一步详细描述，但不应该限定本发明的保护范围。
[0034] 参照图1，为本发明第一实施例公开的一种带电粒子回旋加速器的腔体锻炼加速装置，所述腔体锻炼加速装置所适用的带电粒子回旋加速器包括高频腔10与经由第一功率传递路径对所述高频腔10馈入功率的高频发射机20，其中所述高频发射机20具体是提供射频范围的加速功率，所述高频腔10是用于对质子或重离子等带电粒子加速的腔室。所述腔体锻炼加速装置包括功率重分配装置30与缓冲冷却装置40。所述功率重分配装置30切换所述高频发射机20的馈入功率至第二功率传递路径，用于重新分配所述高频腔10馈收到的馈入功率;所述缓冲冷却装置40以有序的方式先冷却由接受所述第二功率传递路径产生的热量再冷却所述高频腔10。
[0035] 因此，采用上述技术方案，利用所述功率重分配装置30与所述缓冲冷却装置40，在使用所述腔体锻炼加速装置进行带电粒子回旋加速器的腔体锻炼时，当所述高频腔10的腔体表面间歇发生多电子倍增效应，能够重新分配所述高频发射机20的馈入功率至非连接所述高频腔10的第二功率传递路径;同时，所述缓冲冷却装置40能够接受所述第二功率传递路径产生的热量缓冲冷却所述高频腔10，因此以被动式缓冲冷却的方式提高高频腔10冷却回路的循环温度，进而提高高频腔10的出气速度，有效缩短高频腔10的锻炼时间。
[0036] 关于所述功率重分配装置30的一种具体样态，在本实施例或其他等同作用的类似示例中，所述功率重分配装置30包括环形器31与假负载器32，所述高频发射机20经由所述环形器31个别连接至所述假负载器32与所述高频腔10，用于选择性向所述高频腔10与所述假负载器32的任一者馈入功率，所述假负载器32用于接受当所述高频腔10的腔体表面间歇发生多电子倍增效应时由所述高频发射机20馈入的功率。因此，利用环形器31与假负载器32的组合关系，实现切换所述高频发射机20馈入功率的功率再分配功能。所述环形器31是一种可用于通信或功率输出的电子装置，在本示例是用于改变所述高频发射机20的加速功率的馈入方向。所述假负载器32是能接受所述高频发射机20改变方向后的加速功率而产生一种假性负载状态，消耗该加速功率部分转化为
热能但不对所述高频腔10产生作用。更优选的是所述假负载器32能模拟所述高频腔10在接受加速功率时的负载程度，可允许频率匹配于所述高频腔10，与所述高频发射机20之间阻抗匹配，并能承受其发射的功率。
[0037] 关于所述第一功率传递路径与所述第二功率传递路径的一种具体样态，在本实施例或其他等同作用的类似示例中，所述第一功率传递路径包括连接所述高频发射机20至所述环形器31的第一馈入管51以及连接所述环形器31至所述高频腔10的第二馈入管52，所述第二功率传递路径包括连接所述高频发射机20至所述环形器31的第一馈入管51以及连接所述环形器31至所述假负载器32的第三馈入管53。因此，利用所述第一馈入管51经过所述环形器31至所述第二馈入管52与所述第三馈入管53，实现所述第一功率传递路径与所述第二功率传递路径在连接所述高频发射机20的分段共用。如上所述的馈入管在一种结构上可以是同心
铜管，在名称上可以称为馈管。
[0038] 关于所述缓冲冷却装置40的一种具体样态，在本实施例或其他等同作用的类似示例中，所述缓冲冷却装置40包括内循环冷却回路41、外循环冷却回路42及换热器43，所述内循环冷却回路41用于冷却所述高频腔10，所述外循环冷却回路42透过所述换热器43与所述内循环冷却回路41间接热交换，所述假负载器32设置在所述外循环冷却回路42往所述换热器43的冷却路径中。因此，利用外循环冷却回路42与换热器43的组合关系，实现所述缓冲冷却装置40以有序的方式先冷却所述假负载器32再冷却所述高频腔10的缓冲冷却功能。在一更具体的示例说明中，所述内循环冷却回路41的流体循环方向具体如图1的右侧箭头所示，通过图中⑤与⑥的冷却路径;所述外循环冷却回路42的流体循环方向具体如图1的左侧箭头所示，通过图中①、②与③的冷却路径，所述内循环冷却回路41与所述外循环冷却回路42在所述换热器43内的热交换流体方向可以是同方向，也可以是相反方向;在本示例是相反方向，将有助于所述内循环冷却回路41由在所述换热器43的入口端至出口端的缓慢冷却，当所述外循环冷却回路42在所述换热器43的出口端相近于所述内循环冷却回路41由在所述换热器43的入口端，当所述外循环冷却回路42的冷却液体在较高的温度下可以预先冷却述内循环冷却回路41由在所述换热器43的入口端的冷却液体。由以上说明可知，所述外循环冷却回路42相对于所述内循环冷却回路41具有更大的设计裕度，例如所述外循环冷却回路42的冷却回路长度可以更大，能够在回路上的所需要位置装设更多装置以产生冷却效果。
[0039] 关于所述内循环冷却回路41的一种示例结构，在本实施例或其他等同作用的类似示例中，所述内循环冷却回路41的冷却路径上设置有第一循环泵44，用于提供由所述换热器43换热的内循环冷却液至所述高频腔10的流体动力。因此，利用所述内循环冷却回路41的循环泵，能够实现所述内循环冷却回路41的封闭式冷却路径建置，有利于所述高频腔10的缓冲冷却，并方便外循环冷却回路42的检查维护。
[0040] 关于所述换热器43的一种具体作用样态，在本实施例或其他等同作用的类似示例中，所述换热器43只提供热量交换，所述内循环冷却回路41的内循环冷却液与所述外循环冷却回路42的外循环冷却液不互相连通。因此，利用所述换热器43只提供热量交换且不互相连通冷却液，以实现两个内外循环冷却回路41、42的封闭式冷却路径。
[0041] 关于所述外循环冷却回路42的一种示例结构，所述外循环冷却回路42的冷却路径上设置有第二循环泵(图未示出)与制冷机45，所述假负载器32位于所述制冷机45与所述换热器43之间。因此，利用所述假负载器32位于所述制冷机45与所述换热器43之间，能实现所述缓冲冷却装置40以有序的方式先冷却所述假负载器32并维持所述高频腔10温度的技术效果。在一优选结构中，所述制冷机45同时具有制冷与制热的作用，使得在高频腔10功率不馈入的锻炼过程中换热机组制冷机的出
水温度可高于具有制冷机组制冷机的出水温度。所述制冷机45具体可以是一种
风水换热机组。
[0042] 关于所述制冷机45的一种具体连接样态，在本实施例或其他等同作用的类似示例中，所述缓冲冷却装置40的制冷机45与所述高频发射机20之间连接有功率与冷却同步连接线60，可以如图1所示在位置⑦的连接路径，使得所述高频发射机20的馈入功率与所述制冷机45的制冷功率可为正相关，这有利于所述高频腔10在带电粒子加速运行时进行冷却;进一步利用所述缓冲冷却装置40在用以冷却所述高频腔10的路径上提前预冷所述被切换的所述高频发射机20的馈入功率经过所述第二功率传递路径产生的热量，使所述缓冲冷却装置40对所述高频腔10的制冷效率与所述高频发射机20的馈入功率为非同步关系。因此，利用所述功率与冷却同步连接线60及其连接关系并配合所述腔体锻炼加速装置的组件，使得所述缓冲冷却装置40对所述高频腔10的制冷效率与所述高频发射机20的馈入功率在腔体锻炼的使用上可以由同步关系优化为缓冲冷却的非同步关系。
[0043] 本发明还涉及提供一种带电粒子回旋加速器，使用上述任一示例的腔体锻炼加速装置的技术方案或其多种技术方案的可能组合得以实现的。
[0044] 为了更方便理解本发明的技术方案,但不作为本发明的限定，提出以下说明。图2绘示本发明第二实施例公开的一种带电粒子回旋加速器的腔体锻炼加速方法，可配合参照图1，包括以下步骤。
[0045] 步骤S1:在具有磁场与真空的高频腔腔体锻炼过程中，调节高频发射机20的参数，使所述高频发射机20与高频腔10阻抗匹配，所述高频发射机20的馈入功率经由第一功率传递路径进入所述高频腔10，并通过冷却带走所述高频腔10的热功率。前述的冷却可以使用第一实施例的内循环冷却回路41的内循环冷却液带走所述高频腔10的热功率，也可以使用其它已知冷却装置。此外，所述高频腔10在带电粒子加速运行时也是可以如步骤S1这般操作，本示例的腔体锻炼加速方法可以应用于质子/重离子加速器启动前的腔体锻炼阶段也可以应用于在带电粒子加速运行阶段产生异常时的紧急腔体锻炼阶段，适用的加速器是以紧凑型超导回旋加速器为较优选择。
[0046] 步骤S2:当所述高频腔10的腔体表面间歇发生多电子倍增效应时，重新分配所述高频发射机20的馈入功率至非连接所述高频腔10的第二功率传递路径;同时，接受所述第二功率传递路径产生的热量缓冲冷却所述高频腔10，其中所述高频腔10在功率不馈入时的换热效率相对较低于功率馈入时的换热效率。
[0047] 因此，采用上述技术方案，发生多电子倍增效应时，能够被动地降低所述高频腔10在功率不馈入时的换热效率，实现所述高频腔10的腔体锻炼加快。
[0048] 关于步骤S2的一种具体适用场合，在加速器停机至启动前的操作过程中，所述高频腔10在停止磁场和真空时，对间歇性的多电子效应留下的痕迹会进行表面涂层;同时，高频腔10在表面涂层的形成过程中会
吸附大气中的气体分子。步骤S1中重新建立真空条件后，进行高频锻炼高频腔会持续不断的排出这些气体。步骤S2中这些气体再次破坏真空条件，破坏建立起的高频
电场。随后建立真空和磁场条件，随着连续功率馈入到高频腔体，腔体表面间歇发生的多电子倍增效应会引起腔体阻抗和频率改变。当出现上述工况后，高频发射机的功率通过环形器进入环形器连接的假负载器。此时假负载产生的热量被
循环水带走，这些循环水通过换热器维持高频腔回路的温度，进而保持高频腔的温度，使高频腔处于较快的出气速率，加快本阶段的高频锻炼。
[0049] 关于连接步骤S2后的一种更具体操作，在本实施例或其他等同作用的类似示例中，所述腔体锻炼加速方法还可以包括：步骤S3:维持所述高频腔10在功率不馈入时的温度稳定，以利所述高频腔10内的气体排出，具体温度稳定时间可以设定在至少30分钟以上;
步骤S4:有序地往复进行前述的功率馈入、功率不馈入时缓冲冷却与功率不馈入时稳温排气，借以逐步降低
激励信号幅度，直到所述高频腔10的腔体电压跌落至度过多电子效应区域。
[0050] 因此，利用功率不馈入时稳温排气以及有序地往复进行功率馈入、功率不馈入时缓冲冷却与功率不馈入时稳温排气，还能够模拟脉冲锻炼的操作，且具有优于单一使用脉冲锻炼的排气效果，更快的完成高频锻炼过程，对于回旋加速器的关键部件有更好的保护效果。
[0051] 不受限制地，除了能以第一实施例的腔体锻炼加速装置执行上述腔体锻炼加速方法，在不同变化实施例中，也可以使用具有相同或类似的功率重分配缓与冲冷却功能的带电粒子回旋加速器执行上述腔体锻炼加速方法。
[0052] 当使用第一实施例的腔体锻炼加速装置进行上述腔体锻炼加速方法时，具有更具体的有益效果如下：通过增加环形器31的设置，发射机20和高频腔10不匹配时，发射机20馈入的功率自动进入假负载器32；随着假负载器32吸收发射机20的功率，这些能量能够被外循环冷却回路42的循环水带走，随即在换热机43中传递到高频腔的内循环冷却回路41，以维持高频腔10的温度，达到加速腔体表面出气的目的，进而实现加速锻炼特定加速器高频腔体的技术效果。
[0053] 本具体实施方式的一个或一个以上实施例均作为方便理解或实施本发明技术方案的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应被涵盖于本发明的
请求保护范围内。
