[发明专利]一种基于固体传导冷却的无液氦射频超导加速模组

说明书

本发明涉及一种基于固体传导冷却的无液氦射频超导加速模组，包括：超导腔，被配置成给带电粒子束提供能量；低温单元，被配置成向超导腔提供所需的低温环境；真空单元，与超导腔连接，真空单元被配置成向超导腔提供运行所需的腔体真空环境与夹层真空环境；耦合器，与超导腔的耦合口连接，耦合器被配置成向超导腔馈入射频功率。本发明摆脱了传统超导腔必须浸泡在液氦里冷却的工作方式，一方面其布局紧凑，布置简单，维护方便，维护周期长，应用简单，能够显著降低射频超导技术在小规模应用的难度和成本；另一方面，其造价远低于当前的液氦浸泡式射频超导加速单元，非常适合射频超导技术的小型化、产业化应用。

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模组，属于超导技术领域。

背景技术

低能强流高功率电子直线加速器，为电子束辐照、X射线、太赫兹相干光源、光中子源等提供重要的研究平台。尤其是随着社会发展，电子束辐照在处理废气、废水等环境污染问题体现出重要的工业应用潜力。得益于超导态下极低的表面电阻，超导腔允许大束流孔径设计，显著降低束腔相互作用，且可运行于高占空比甚至连续波模式下，在加速强流粒子束方面具有得天独厚的优势。基于铌基超导腔的超导加速器是通过浸泡在2K-4K之间的液氦实现冷却，需要大型的低温制冷站、复杂的恒温器系统以及专业的低温制冷维护团队，是射频超导技术普及应用的主要障碍。

当前，超导转变温度≥15K的高温超导材料超导腔在4.2K甚至冷氦气状态下的射频性能已可达到铌基超导腔2K下的水平。同时，工业制冷机技术近年来迅速发展，已可在4.2K低温下达到2W的制冷功率，并且目前国产工业制冷机平均维护周期长达18个月。基于商业制冷机固体传导冷却的高温超导材料超导腔电子加速器无需液氦冷却，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，结构简单，规模小，运行维护方便，能够显著降低射频超导技术小规模应用的难度和成本，非常适合射频超导技术的小型化、产业化应用。

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模组，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：一种基于固体传导冷却的无液氦射频超导加速模组，包括：超导腔，被配置成给带电粒子束提供能量；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；耦合器，与所述超导腔的耦合口连接，所述耦合器被配置成向所述超导腔馈入射频功率。

所述的无液氦射频超导加速模组，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，三组所述导冷块分别沿周向设置在所述超导腔的赤道区域和两侧束流管道区域，且所述导冷块的内表面与所述超导腔的赤道区域和束流管道区域外表面贴合；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三组所述导冷块连接；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模组，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；并且，所用螺钉为316L不锈钢螺钉，所用螺母为硅青铜螺母；所述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。