[发明专利]一种用于加速器的新型束屏结构

说明书

本发明公开了一种用于加速器的新型束屏结构，包括内屏及外屏，其中，外屏的内壁沿周向设置有四个冷却管道，所述内屏包括两个固定板，其中一个固定板的中部焊接于一个冷却管道的外壁上，另一个固定板的中部焊接于另一个冷却管道的外壁上，且两个固定板相对分布，且两个固定板之间有间隙；外屏的侧壁上设置有若干圆角矩形排气孔，其中，所述圆角矩形排气孔位于各冷却管道之间，固定板与所在冷却管道及其相邻冷却管道之间的圆角矩形排气孔相平行，且所述固定板与所在冷却管道及其相邻冷却管道的轴线相平行，该结构具有加工难度低、阻抗小、能够避免光子逸出到排气孔及冷却效率高等特点。

技术领域

本发明涉及一种束屏结构，具体涉及一种用于加速器的新型束屏结构。

背景技术

高能粒子对撞机是人类探索微观物质结构的主要手段。但是，随着理论物理的不断完善，现有的质心能量和对撞亮度已经难以满足科学家们对新物理的探究。因此，多国物理学家将目光转向建造新的大型对撞机。

在加速器的束流能量进入TeV量级后，常温下的磁体已经很难满足束流的聚焦和弯转需要的磁场强度，因此，超导磁体成为了必然选择。受限于高温超导技术的限制，对撞机的束流管道必须维持在在2K左右的超低温下，这就对低温冷却系统提出了极高的要求。此外，TeV能量的弯转质子束流会在切线方向持续发射出每米数瓦特的同步辐射。这些同步辐射的能量如果持续作用在高能加速器的超低温束流管道上，会对低温系统造成极大的额外负担。因此，对于高能对撞机而言，需要在束流管道内嵌入一个束屏，用以阻隔高能束流的同步辐射功率，防止其直接作用在低温管道上，降低低温冷却系统的负担。束屏是高能粒子加速器和对撞机真空系统的关键部件之一，也是未来高能粒子加速器和对撞机建设不可或缺的核心部件。束屏的传热性能和结构稳定性优化是目前该领域的前沿问题，也是难点问题。

CEPC-SPPC是中国科学家提出的新一代对撞机设计，SPPC是在CEPC的基础之上，将质子束流能量提高到37.5TeV，实现75TeV的对撞能量。目前，亟需一个适用于SPPC的束屏设计方案。

现有技术和不足：

束屏在被光子轰击后，还会逸出大量气体分子，造成真空室内部真空度降低。为了应对真空室内的气体负载，束屏需要进行表面镂空处理，作为排气孔，利用屏内外的温度差，将屏内的气体分子低温泵送到束屏外部，以维持束流运行环境的高真空度。但是，这种排气孔在另一方面激发束流管道的电磁振荡，对束流产生阻抗作用。对于同步辐射的处理方案，目前主流的有两种：第一种是利用锯齿状结构，使得同步辐射光子垂直入射到束屏表面，这样做可以极大的减少光子的背散射和反射，将功率很好地俘获在小范围内；第二种是使用电抛光的光子反射结构，这种结构可以反射大多数光子并被支撑肋片阻挡并吸收。

目前束屏结构依旧存在很多缺陷：

1)束屏的冷却管道位于垂直方向的上下两端，但是同步辐射的直射点是在水平方向上入射的，冷却管道距离直射点过远，这样的设计冷却效率很低。经计算，在12.8W/m的同步辐射功率下，使用60K的超临界流体液He进行冷却时，在质量流量为30g/s的情况下，该束屏结构的最高温度达到了90K。

2)其次，由于仅在一端引入光子反射结构，整个束屏腔体横截面结构不是延垂直方向的对称结构。此时束流激励起的电磁振荡也是不对称的，引入会使得束流弯转的二级磁场发生严重畸变，影响束流的质量，甚至可能会导致束流崩溃。

3)对于更紧凑的结构很难应用上述的光子反射方案；

4)由于排气孔和锯齿状结构之间没有阻隔结构，该设计不可避免的会造成一定量的光子逸出到排气孔外，直接作用到低温束流管道上。这就与束屏的设计初衷相悖；

5)目前的束屏结构需要大量的焊接加工，加工难度很大。

目前亟需一种更加节能且更实用的加速器束屏方案。

发明内容