[发明专利]一种单芯棒轮辐式超导加速腔及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种强流质子加速腔，特别是关于一种针对最优β（相对论速度）范围为0.1～0.2，且能够抑制二次电子倍增效应的单芯棒轮辐式超导加速腔及其制造方法。

背景技术

近年来，核能的利用在我国得到迅速发展，核能利用的安全性及核废料处理等问题成为未来限制核能发展的主要问题。作为核能利用问题的解决方案之一的加速器驱动嬗变系统，主要由强流质子直线加速器以及高通量靶组成。单芯棒轮辐式超导腔是强流质子直线加速器的重要组成部分之一（如图5～图7所示），尤其针对中低能段进行加速。其主要优势在于分路阻抗高，在束流通过的路径上没有横向作用场，以及可以独立相位控制等，非常适合用于强流质子直线加速器的低能段加速。

从1989年首次提出单芯棒轮辐式超导腔的概念以来，经过20多年的发展，该类型超导腔的应用范畴、腔形优化设计方法、制造加工工艺技术水平、超导腔后处理工艺水平、以及超导腔的性能等各方面都得到了显著的提高。目前，由美国费米实验室最新设计制造的单芯棒轮辐式超导腔，最大加速梯度可以达到23MV/m，远超过该能量段加速器的运行梯度要求。

但是，单芯棒轮辐式超导腔仍存在较严重的问题。在2MV/m到十几MV/m的较宽加速梯度范围内，存在严重的二次电子倍增效应。而该类型超导腔的运行梯度一般选取7～10MV/m。二次电子倍增效应会大量损耗微波能量，增大超导腔的负载，产生强烈的X射线辐射，造成加速器运行的不稳定。该问题将会限制单芯棒轮辐式超导腔的应用前景。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种针对最优β（相对论速度）范围为0.1～0.2，且适用于加速器驱动嬗变系统注入器的单芯棒轮辐式超导加速腔及其制造方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种单芯棒轮辐式超导加速腔，其特征在于：它包括一腔体，所述腔体由两个形状相同的半腔体焊接而成，所述腔体中心内凹、外端鼓起，轮廓呈椭球形；所述腔体的中心内凹处对称设置有一对束管孔，两所述束管孔内分别焊接有一束管，两所述束管的外侧分别焊接有一与外接装置连接的法兰；与两所述束管连线方向垂直，在所述腔体上对称设置了一对芯棒孔，与两所述芯棒孔间隔90°的所述腔体上对称设置有一对清洁孔；两所述芯棒孔内焊接有一由两半薄壁腔焊接而成的芯棒，所述芯棒的中间段呈直筒形，两端呈对称的漏斗形，两所述漏斗形的端口处分别焊接在相应的芯棒孔上；所述芯棒的中间段穿设并焊接有一中心束管，所述中心束管与两端所述束管位于同一轴线上；两清洁孔内分别焊接有一清洁管，两所述清洁管的外侧分别焊接有一与外接装置连接的法兰。

所述腔体、束管、芯棒、中心束管和清洁管均采用高纯铌材料制作而成。

所述束管和清洁管连接的各所述法兰均采用铌钛合金制作而成。

一种单芯棒轮辐式超导加速腔的制造方法，其包括以下步骤：1）采用RRR值大于300的高纯铌材料，通过冲压模具制作出两个半腔体和两个半芯棒；2）用车床加工出两个束管、一个中心束管、两个清洁管、以及连接所述束管和清洁管的法兰；3）用超声清洗装置，对经步骤1）和步骤2）完成的零件进行超声清洗，清洗时间不少于40分钟；4）采用氢氟酸、硝酸、磷酸按1:1:2体积比组成的混合酸，对步骤3）中完成的零件进行化学清洗，化学清洗的酸液温度控制在20℃以内，清洗时间为10～40分钟；5）用电阻率不小于18MΩ·cm的超纯水清洗步骤4）中完成的零件，并在优于1000级的超净室中晾干；6）利用真空电子束焊机对经步骤5）得到的零件进行焊接，真空电子束焊机的工作电压为60KV，工作电流为5～50mA；7）制造完成。

所述步骤6）中，焊接包括以下步骤：①将两束管分别对应焊接在两半腔体内凹处束管孔上；②将两个半腔体焊接成完整的腔体；③将两个半芯棒焊接成芯棒，并将中心束管穿入芯棒，且焊接成一体；④将焊接完成的芯棒通过芯棒孔穿入焊接完成的腔体，并焊接成一体；⑤将两清洁管分别对应焊接在腔体两侧的清洁孔上；⑥将对应的法兰分别焊接在两清洁管和两束管上。