100MeV回旋加速器射頻諧振腔體機(jī)械設(shè)計與制造

邢建升,紀(jì)彬,林軍

摘要：文章介紹原子能院100MeV強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器射頻諧振腔體機(jī)械設(shè)計與制造過程中考慮與解決的主要技術(shù)問題及解決方法。腔體共2套，單腔可饋入功率100kW，無氧銅制造，外形大、重量大，尺寸精度及表面質(zhì)量要求高，國內(nèi)無研制類似設(shè)備經(jīng)驗。兩套腔體無載品質(zhì)因數(shù)Q0為9434與9691，與理論值10300很接近。

關(guān)鍵詞：諧振腔體；回旋加速器；射頻

【分類號】：TL542

1. 引言

原子能院HI-13串列加速器升級工程，重點建造一臺100MeV強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器[1]。該加速器射頻諧振腔體開路端激勵起射頻電壓，實現(xiàn)對負(fù)氫離子加速而獲得粒子能量?；匦铀倨髂芊耖L期穩(wěn)定運(yùn)行，大部分問題出在射頻系統(tǒng)。研制2套高品質(zhì)射頻諧振腔體，是保證加速器穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。腔體運(yùn)行穩(wěn)定且擁有高的品質(zhì)因數(shù)，很大程度上取決于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造工藝。

2. 機(jī)械設(shè)計與制造中主要技術(shù)問題

2.1 功率損失導(dǎo)致發(fā)熱與設(shè)備冷卻

設(shè)備運(yùn)行時單腔功耗約35kW，會導(dǎo)致腔體發(fā)熱，熱變形是影響腔體穩(wěn)定的重要原因，需通過水冷將熱量帶走，合理的冷卻才能保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。腔體的內(nèi)桿、D板和外殼短路端等位置功耗較大，機(jī)械結(jié)構(gòu)上重點布置水冷，理論模擬得到腔體功耗分布，作為水冷布置的依據(jù)。

2.2 腔內(nèi)表面處理

腔體諧振頻率44.5MHz，此頻率電功率信號遵從趨膚效應(yīng)，腔內(nèi)表面很薄表層電流密度很高，需對表面拋光。拋光也可提高腔體品質(zhì)因數(shù)，降低尖端放電效應(yīng)。常規(guī)拋光加入的拋光膏會殘存在金屬表面，從多電子效應(yīng)看，導(dǎo)致大量二次電子激發(fā)，對腔體鍛煉及穩(wěn)定運(yùn)行不利；從趨膚效應(yīng)看，拋光膏殘存在電流密度最高的腔內(nèi)表面，增加表面電阻，從而增加功耗，所以拋光時不加拋光膏。電流沿腔體分布有方向性，拋光的紋理與理論電流方向應(yīng)一致，以免“切斷”電流信號。

圖1 腔體各部分表面電流方向

2.3 相鄰件連接

作為大功率射頻電信號諧振腔，大密度電流從零件表層通過，對零件表面連接的可靠性與穩(wěn)定性要求高。靜態(tài)連接采用刀口結(jié)構(gòu)，保證連接件外端最大程度結(jié)合，增加接觸長度以減小電流線密度。腔體用無氧銅制成，單件重量大，刀口易損傷，可適當(dāng)加大刀口寬度，做成類刀口結(jié)構(gòu)。動態(tài)連接采用彈性電連接元件，一般用鈹銅簧片。商品簧片規(guī)格有限，在接近300℃時退火而減小或失去彈性。根據(jù)射頻電流走向及空間尺寸及動態(tài)變化允許誤差范圍，選擇合適形狀尺寸的簧片。簧片的連接固定結(jié)構(gòu)要考慮加工工藝性，簧片不被退火，還要考慮簧片的散熱與導(dǎo)熱。無法使用簧片的位置可用鈹銅彈性絲網(wǎng)。

2.4 就近多點接地、信號泄露與屏蔽

射頻腔體元件可等效為電容和電感，腔體固有頻率與信號頻率一致時，信號在腔內(nèi)處于諧振狀態(tài)。接地結(jié)構(gòu)對于射頻信號等效于電感與電容元件，為減小不可預(yù)測的諧波震蕩及外部阻抗，射頻系統(tǒng)需就近多點接地，盡量設(shè)備內(nèi)部共地。本系統(tǒng)功率高，信號波長短易泄露，泄露功率不容忽視，會嚴(yán)重干擾周圍電子設(shè)備。整個信號傳輸路徑及諧振腔，盡可能封閉共地狀態(tài)實現(xiàn)信號傳輸與諧振，盡量少“并聯(lián)”入旁路設(shè)備，最大程度減小其它諧波震蕩與信號泄露。開路端必然有信號泄露，需對周圍設(shè)備進(jìn)行屏蔽處理，信號屏蔽需將信號封閉在良導(dǎo)體空間內(nèi)，可用鈹銅簧片或絲網(wǎng)將周圍金屬部件連成一個封閉空間。

2.5 真空問題

腔體開路端產(chǎn)生加速器射頻加速電壓，是粒子加速與通行區(qū)域，為減小負(fù)氫離子真空剝離，對真空度要求很高。所有真空內(nèi)零部件從結(jié)構(gòu)特點及加工工藝上盡可能提高真空性能。真空內(nèi)所有水冷管采用整根管，避免國際上一些大型回旋加速器因真空內(nèi)水路密封漏水而造成長時間停機(jī)檢修的弊端。

3. 機(jī)械設(shè)計、制造與測試

腔體主要由外腔體（外導(dǎo)體）、內(nèi)桿（內(nèi)導(dǎo)體）和D板組成，對材料的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能要求高，主體采用無氧銅材料。

圖2 腔體及其半剖模型

3.1 各部件的設(shè)計

外腔體作為諧振腔外導(dǎo)體，為直邊扇形空腔，半徑約2m，角度36.4°，腔內(nèi)高611mm，內(nèi)表面是腔體外導(dǎo)體，開口翻邊處為腔體開路端，是粒子加速間隙位置。外表面根據(jù)功耗分布布置水冷銅管，銀釬焊焊在表面，3面分步焊接，使用內(nèi)襯及外壓管工裝實現(xiàn)焊接壓緊與焊后整形。

D板側(cè)邊與外腔體翻邊間的間隙是粒子加速間隙，真空度要求高，同時發(fā)熱較高，設(shè)計時既要充分水冷，也要兼顧水冷結(jié)構(gòu)的真空性能。D板角度33.6°，長度1.8m，如此大尺寸無氧銅件，厚度僅20mm，機(jī)械設(shè)計要考慮增加其強(qiáng)度與剛度以減小變形。D板表面開槽放入銅管作為水冷管，銀銅釬焊滿焊。此結(jié)構(gòu)解決了D板冷卻問題，焊縫大大增加了D板的剛度和強(qiáng)度，解決了D板變形問題。但此種焊縫不是常規(guī)銀釬焊焊縫，靠常規(guī)火焰加熱釬焊易產(chǎn)生較多缺陷而影響真空性能，大量焊料易造成銅管熔蝕。采用真空爐釬焊解決了上述問題，在真空環(huán)境下焊接及均溫加熱可極大減小焊縫缺陷，避免氧化和過大焊接應(yīng)力，設(shè)計合理工裝解決焊接過程中銅管壓平壓實、工件保持水平及銅管兩端頭釬料封堵等問題。

該腔為雙內(nèi)桿結(jié)構(gòu)，前內(nèi)桿直徑128mm，后內(nèi)桿直徑140mm，內(nèi)桿長591mm。內(nèi)桿作為腔體的感性元件，連接 D板與外腔體，一端連接開路端，一端連接短路端。短路端是腔體電流最大位置，電流密度高，要有良好的射頻電連接與冷卻。內(nèi)桿約占腔體總功耗的40%，對冷卻要求高。設(shè)計成夾層結(jié)構(gòu)，內(nèi)芯外面開螺旋水槽，套入外套焊接成一體，形成內(nèi)螺旋水路，實現(xiàn)內(nèi)桿的良好冷卻。

3.2無載品質(zhì)因數(shù)測試

圖3 無載品質(zhì)因數(shù)測試結(jié)果

最終在臺架上測試兩套腔體的無載品質(zhì)因數(shù)Q0分別為9434與9691，與理論值10300很接近，達(dá)到了很高的水平，滿足設(shè)計要求。

4. 結(jié)論

該射頻腔體為目前國內(nèi)緊湊型回旋加速器最大腔體，最終測試無載品質(zhì)因數(shù)接近理論值，在國際上少見。大功率下連續(xù)鍛煉工作穩(wěn)定。制造過程中D板水冷管焊接方式尚無先例，且焊接效果好。外腔體水冷管焊接難度高，同時保證了尺寸精度，是得到高品質(zhì)因數(shù)的重要原因。最終得到很高的品質(zhì)因數(shù)，意味著單腔比設(shè)計減少5kW功耗，降低了水冷負(fù)載，減小了腔體熱變形，提高了低電平控制穩(wěn)定性，使整個射頻系統(tǒng)穩(wěn)定性得到了提高。最終測試腔體加速電壓分布符合束流物理要求，證明了機(jī)械設(shè)計與加工做得成功，只有尺寸精度高、加速間隙與理論接近才能達(dá)到這樣效果[1]。

參考文獻(xiàn)

[1] 畢遠(yuǎn)杰等， 100MeV強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器高頻腔公差研究[J]. 中國物理C，2008

摘要：文章介紹原子能院100MeV強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器射頻諧振腔體機(jī)械設(shè)計與制造過程中考慮與解決的主要技術(shù)問題及解決方法。腔體共2套，單腔可饋入功率100kW，無氧銅制造，外形大、重量大，尺寸精度及表面質(zhì)量要求高，國內(nèi)無研制類似設(shè)備經(jīng)驗。兩套腔體無載品質(zhì)因數(shù)Q0為9434與9691，與理論值10300很接近。

關(guān)鍵詞：諧振腔體；回旋加速器；射頻

【分類號】：TL542

1. 引言

原子能院HI-13串列加速器升級工程，重點建造一臺100MeV強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器[1]。該加速器射頻諧振腔體開路端激勵起射頻電壓，實現(xiàn)對負(fù)氫離子加速而獲得粒子能量?；匦铀倨髂芊耖L期穩(wěn)定運(yùn)行，大部分問題出在射頻系統(tǒng)。研制2套高品質(zhì)射頻諧振腔體，是保證加速器穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。腔體運(yùn)行穩(wěn)定且擁有高的品質(zhì)因數(shù)，很大程度上取決于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造工藝。

2. 機(jī)械設(shè)計與制造中主要技術(shù)問題

2.1 功率損失導(dǎo)致發(fā)熱與設(shè)備冷卻

設(shè)備運(yùn)行時單腔功耗約35kW，會導(dǎo)致腔體發(fā)熱，熱變形是影響腔體穩(wěn)定的重要原因，需通過水冷將熱量帶走，合理的冷卻才能保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。腔體的內(nèi)桿、D板和外殼短路端等位置功耗較大，機(jī)械結(jié)構(gòu)上重點布置水冷，理論模擬得到腔體功耗分布，作為水冷布置的依據(jù)。

2.2 腔內(nèi)表面處理

腔體諧振頻率44.5MHz，此頻率電功率信號遵從趨膚效應(yīng)，腔內(nèi)表面很薄表層電流密度很高，需對表面拋光。拋光也可提高腔體品質(zhì)因數(shù)，降低尖端放電效應(yīng)。常規(guī)拋光加入的拋光膏會殘存在金屬表面，從多電子效應(yīng)看，導(dǎo)致大量二次電子激發(fā)，對腔體鍛煉及穩(wěn)定運(yùn)行不利；從趨膚效應(yīng)看，拋光膏殘存在電流密度最高的腔內(nèi)表面，增加表面電阻，從而增加功耗，所以拋光時不加拋光膏。電流沿腔體分布有方向性，拋光的紋理與理論電流方向應(yīng)一致，以免“切斷”電流信號。

圖1 腔體各部分表面電流方向

2.3 相鄰件連接

作為大功率射頻電信號諧振腔，大密度電流從零件表層通過，對零件表面連接的可靠性與穩(wěn)定性要求高。靜態(tài)連接采用刀口結(jié)構(gòu)，保證連接件外端最大程度結(jié)合，增加接觸長度以減小電流線密度。腔體用無氧銅制成，單件重量大，刀口易損傷，可適當(dāng)加大刀口寬度，做成類刀口結(jié)構(gòu)。動態(tài)連接采用彈性電連接元件，一般用鈹銅簧片。商品簧片規(guī)格有限，在接近300℃時退火而減小或失去彈性。根據(jù)射頻電流走向及空間尺寸及動態(tài)變化允許誤差范圍，選擇合適形狀尺寸的簧片。簧片的連接固定結(jié)構(gòu)要考慮加工工藝性，簧片不被退火，還要考慮簧片的散熱與導(dǎo)熱。無法使用簧片的位置可用鈹銅彈性絲網(wǎng)。

2.4 就近多點接地、信號泄露與屏蔽

射頻腔體元件可等效為電容和電感，腔體固有頻率與信號頻率一致時，信號在腔內(nèi)處于諧振狀態(tài)。接地結(jié)構(gòu)對于射頻信號等效于電感與電容元件，為減小不可預(yù)測的諧波震蕩及外部阻抗，射頻系統(tǒng)需就近多點接地，盡量設(shè)備內(nèi)部共地。本系統(tǒng)功率高，信號波長短易泄露，泄露功率不容忽視，會嚴(yán)重干擾周圍電子設(shè)備。整個信號傳輸路徑及諧振腔，盡可能封閉共地狀態(tài)實現(xiàn)信號傳輸與諧振，盡量少“并聯(lián)”入旁路設(shè)備，最大程度減小其它諧波震蕩與信號泄露。開路端必然有信號泄露，需對周圍設(shè)備進(jìn)行屏蔽處理，信號屏蔽需將信號封閉在良導(dǎo)體空間內(nèi)，可用鈹銅簧片或絲網(wǎng)將周圍金屬部件連成一個封閉空間。

2.5 真空問題

腔體開路端產(chǎn)生加速器射頻加速電壓，是粒子加速與通行區(qū)域，為減小負(fù)氫離子真空剝離，對真空度要求很高。所有真空內(nèi)零部件從結(jié)構(gòu)特點及加工工藝上盡可能提高真空性能。真空內(nèi)所有水冷管采用整根管，避免國際上一些大型回旋加速器因真空內(nèi)水路密封漏水而造成長時間停機(jī)檢修的弊端。

3. 機(jī)械設(shè)計、制造與測試

腔體主要由外腔體（外導(dǎo)體）、內(nèi)桿（內(nèi)導(dǎo)體）和D板組成，對材料的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能要求高，主體采用無氧銅材料。

圖2 腔體及其半剖模型

3.1 各部件的設(shè)計

外腔體作為諧振腔外導(dǎo)體，為直邊扇形空腔，半徑約2m，角度36.4°，腔內(nèi)高611mm，內(nèi)表面是腔體外導(dǎo)體，開口翻邊處為腔體開路端，是粒子加速間隙位置。外表面根據(jù)功耗分布布置水冷銅管，銀釬焊焊在表面，3面分步焊接，使用內(nèi)襯及外壓管工裝實現(xiàn)焊接壓緊與焊后整形。

D板側(cè)邊與外腔體翻邊間的間隙是粒子加速間隙，真空度要求高，同時發(fā)熱較高，設(shè)計時既要充分水冷，也要兼顧水冷結(jié)構(gòu)的真空性能。D板角度33.6°，長度1.8m，如此大尺寸無氧銅件，厚度僅20mm，機(jī)械設(shè)計要考慮增加其強(qiáng)度與剛度以減小變形。D板表面開槽放入銅管作為水冷管，銀銅釬焊滿焊。此結(jié)構(gòu)解決了D板冷卻問題，焊縫大大增加了D板的剛度和強(qiáng)度，解決了D板變形問題。但此種焊縫不是常規(guī)銀釬焊焊縫，靠常規(guī)火焰加熱釬焊易產(chǎn)生較多缺陷而影響真空性能，大量焊料易造成銅管熔蝕。采用真空爐釬焊解決了上述問題，在真空環(huán)境下焊接及均溫加熱可極大減小焊縫缺陷，避免氧化和過大焊接應(yīng)力，設(shè)計合理工裝解決焊接過程中銅管壓平壓實、工件保持水平及銅管兩端頭釬料封堵等問題。

該腔為雙內(nèi)桿結(jié)構(gòu)，前內(nèi)桿直徑128mm，后內(nèi)桿直徑140mm，內(nèi)桿長591mm。內(nèi)桿作為腔體的感性元件，連接 D板與外腔體，一端連接開路端，一端連接短路端。短路端是腔體電流最大位置，電流密度高，要有良好的射頻電連接與冷卻。內(nèi)桿約占腔體總功耗的40%，對冷卻要求高。設(shè)計成夾層結(jié)構(gòu)，內(nèi)芯外面開螺旋水槽，套入外套焊接成一體，形成內(nèi)螺旋水路，實現(xiàn)內(nèi)桿的良好冷卻。

3.2無載品質(zhì)因數(shù)測試

圖3 無載品質(zhì)因數(shù)測試結(jié)果

最終在臺架上測試兩套腔體的無載品質(zhì)因數(shù)Q0分別為9434與9691，與理論值10300很接近，達(dá)到了很高的水平，滿足設(shè)計要求。

4. 結(jié)論

該射頻腔體為目前國內(nèi)緊湊型回旋加速器最大腔體，最終測試無載品質(zhì)因數(shù)接近理論值，在國際上少見。大功率下連續(xù)鍛煉工作穩(wěn)定。制造過程中D板水冷管焊接方式尚無先例，且焊接效果好。外腔體水冷管焊接難度高，同時保證了尺寸精度，是得到高品質(zhì)因數(shù)的重要原因。最終得到很高的品質(zhì)因數(shù)，意味著單腔比設(shè)計減少5kW功耗，降低了水冷負(fù)載，減小了腔體熱變形，提高了低電平控制穩(wěn)定性，使整個射頻系統(tǒng)穩(wěn)定性得到了提高。最終測試腔體加速電壓分布符合束流物理要求，證明了機(jī)械設(shè)計與加工做得成功，只有尺寸精度高、加速間隙與理論接近才能達(dá)到這樣效果[1]。

參考文獻(xiàn)

[1] 畢遠(yuǎn)杰等， 100MeV強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器高頻腔公差研究[J]. 中國物理C，2008

摘要：文章介紹原子能院100MeV強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器射頻諧振腔體機(jī)械設(shè)計與制造過程中考慮與解決的主要技術(shù)問題及解決方法。腔體共2套，單腔可饋入功率100kW，無氧銅制造，外形大、重量大，尺寸精度及表面質(zhì)量要求高，國內(nèi)無研制類似設(shè)備經(jīng)驗。兩套腔體無載品質(zhì)因數(shù)Q0為9434與9691，與理論值10300很接近。

關(guān)鍵詞：諧振腔體；回旋加速器；射頻

【分類號】：TL542

1. 引言

原子能院HI-13串列加速器升級工程，重點建造一臺100MeV強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器[1]。該加速器射頻諧振腔體開路端激勵起射頻電壓，實現(xiàn)對負(fù)氫離子加速而獲得粒子能量?；匦铀倨髂芊耖L期穩(wěn)定運(yùn)行，大部分問題出在射頻系統(tǒng)。研制2套高品質(zhì)射頻諧振腔體，是保證加速器穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。腔體運(yùn)行穩(wěn)定且擁有高的品質(zhì)因數(shù)，很大程度上取決于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造工藝。

2. 機(jī)械設(shè)計與制造中主要技術(shù)問題

2.1 功率損失導(dǎo)致發(fā)熱與設(shè)備冷卻

設(shè)備運(yùn)行時單腔功耗約35kW，會導(dǎo)致腔體發(fā)熱，熱變形是影響腔體穩(wěn)定的重要原因，需通過水冷將熱量帶走，合理的冷卻才能保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。腔體的內(nèi)桿、D板和外殼短路端等位置功耗較大，機(jī)械結(jié)構(gòu)上重點布置水冷，理論模擬得到腔體功耗分布，作為水冷布置的依據(jù)。

2.2 腔內(nèi)表面處理

腔體諧振頻率44.5MHz，此頻率電功率信號遵從趨膚效應(yīng)，腔內(nèi)表面很薄表層電流密度很高，需對表面拋光。拋光也可提高腔體品質(zhì)因數(shù)，降低尖端放電效應(yīng)。常規(guī)拋光加入的拋光膏會殘存在金屬表面，從多電子效應(yīng)看，導(dǎo)致大量二次電子激發(fā)，對腔體鍛煉及穩(wěn)定運(yùn)行不利；從趨膚效應(yīng)看，拋光膏殘存在電流密度最高的腔內(nèi)表面，增加表面電阻，從而增加功耗，所以拋光時不加拋光膏。電流沿腔體分布有方向性，拋光的紋理與理論電流方向應(yīng)一致，以免“切斷”電流信號。

圖1 腔體各部分表面電流方向

2.3 相鄰件連接

作為大功率射頻電信號諧振腔，大密度電流從零件表層通過，對零件表面連接的可靠性與穩(wěn)定性要求高。靜態(tài)連接采用刀口結(jié)構(gòu)，保證連接件外端最大程度結(jié)合，增加接觸長度以減小電流線密度。腔體用無氧銅制成，單件重量大，刀口易損傷，可適當(dāng)加大刀口寬度，做成類刀口結(jié)構(gòu)。動態(tài)連接采用彈性電連接元件，一般用鈹銅簧片。商品簧片規(guī)格有限，在接近300℃時退火而減小或失去彈性。根據(jù)射頻電流走向及空間尺寸及動態(tài)變化允許誤差范圍，選擇合適形狀尺寸的簧片?；善倪B接固定結(jié)構(gòu)要考慮加工工藝性，簧片不被退火，還要考慮簧片的散熱與導(dǎo)熱。無法使用簧片的位置可用鈹銅彈性絲網(wǎng)。

2.4 就近多點接地、信號泄露與屏蔽

射頻腔體元件可等效為電容和電感，腔體固有頻率與信號頻率一致時，信號在腔內(nèi)處于諧振狀態(tài)。接地結(jié)構(gòu)對于射頻信號等效于電感與電容元件，為減小不可預(yù)測的諧波震蕩及外部阻抗，射頻系統(tǒng)需就近多點接地，盡量設(shè)備內(nèi)部共地。本系統(tǒng)功率高，信號波長短易泄露，泄露功率不容忽視，會嚴(yán)重干擾周圍電子設(shè)備。整個信號傳輸路徑及諧振腔，盡可能封閉共地狀態(tài)實現(xiàn)信號傳輸與諧振，盡量少“并聯(lián)”入旁路設(shè)備，最大程度減小其它諧波震蕩與信號泄露。開路端必然有信號泄露，需對周圍設(shè)備進(jìn)行屏蔽處理，信號屏蔽需將信號封閉在良導(dǎo)體空間內(nèi)，可用鈹銅簧片或絲網(wǎng)將周圍金屬部件連成一個封閉空間。

2.5 真空問題

腔體開路端產(chǎn)生加速器射頻加速電壓，是粒子加速與通行區(qū)域，為減小負(fù)氫離子真空剝離，對真空度要求很高。所有真空內(nèi)零部件從結(jié)構(gòu)特點及加工工藝上盡可能提高真空性能。真空內(nèi)所有水冷管采用整根管，避免國際上一些大型回旋加速器因真空內(nèi)水路密封漏水而造成長時間停機(jī)檢修的弊端。

3. 機(jī)械設(shè)計、制造與測試

腔體主要由外腔體（外導(dǎo)體）、內(nèi)桿（內(nèi)導(dǎo)體）和D板組成，對材料的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能要求高，主體采用無氧銅材料。

圖2 腔體及其半剖模型

3.1 各部件的設(shè)計

外腔體作為諧振腔外導(dǎo)體，為直邊扇形空腔，半徑約2m，角度36.4°，腔內(nèi)高611mm，內(nèi)表面是腔體外導(dǎo)體，開口翻邊處為腔體開路端，是粒子加速間隙位置。外表面根據(jù)功耗分布布置水冷銅管，銀釬焊焊在表面，3面分步焊接，使用內(nèi)襯及外壓管工裝實現(xiàn)焊接壓緊與焊后整形。

D板側(cè)邊與外腔體翻邊間的間隙是粒子加速間隙，真空度要求高，同時發(fā)熱較高，設(shè)計時既要充分水冷，也要兼顧水冷結(jié)構(gòu)的真空性能。D板角度33.6°，長度1.8m，如此大尺寸無氧銅件，厚度僅20mm，機(jī)械設(shè)計要考慮增加其強(qiáng)度與剛度以減小變形。D板表面開槽放入銅管作為水冷管，銀銅釬焊滿焊。此結(jié)構(gòu)解決了D板冷卻問題，焊縫大大增加了D板的剛度和強(qiáng)度，解決了D板變形問題。但此種焊縫不是常規(guī)銀釬焊焊縫，靠常規(guī)火焰加熱釬焊易產(chǎn)生較多缺陷而影響真空性能，大量焊料易造成銅管熔蝕。采用真空爐釬焊解決了上述問題，在真空環(huán)境下焊接及均溫加熱可極大減小焊縫缺陷，避免氧化和過大焊接應(yīng)力，設(shè)計合理工裝解決焊接過程中銅管壓平壓實、工件保持水平及銅管兩端頭釬料封堵等問題。

該腔為雙內(nèi)桿結(jié)構(gòu)，前內(nèi)桿直徑128mm，后內(nèi)桿直徑140mm，內(nèi)桿長591mm。內(nèi)桿作為腔體的感性元件，連接 D板與外腔體，一端連接開路端，一端連接短路端。短路端是腔體電流最大位置，電流密度高，要有良好的射頻電連接與冷卻。內(nèi)桿約占腔體總功耗的40%，對冷卻要求高。設(shè)計成夾層結(jié)構(gòu)，內(nèi)芯外面開螺旋水槽，套入外套焊接成一體，形成內(nèi)螺旋水路，實現(xiàn)內(nèi)桿的良好冷卻。

3.2無載品質(zhì)因數(shù)測試

圖3 無載品質(zhì)因數(shù)測試結(jié)果

最終在臺架上測試兩套腔體的無載品質(zhì)因數(shù)Q0分別為9434與9691，與理論值10300很接近，達(dá)到了很高的水平，滿足設(shè)計要求。

4. 結(jié)論

該射頻腔體為目前國內(nèi)緊湊型回旋加速器最大腔體，最終測試無載品質(zhì)因數(shù)接近理論值，在國際上少見。大功率下連續(xù)鍛煉工作穩(wěn)定。制造過程中D板水冷管焊接方式尚無先例，且焊接效果好。外腔體水冷管焊接難度高，同時保證了尺寸精度，是得到高品質(zhì)因數(shù)的重要原因。最終得到很高的品質(zhì)因數(shù)，意味著單腔比設(shè)計減少5kW功耗，降低了水冷負(fù)載，減小了腔體熱變形，提高了低電平控制穩(wěn)定性，使整個射頻系統(tǒng)穩(wěn)定性得到了提高。最終測試腔體加速電壓分布符合束流物理要求，證明了機(jī)械設(shè)計與加工做得成功，只有尺寸精度高、加速間隙與理論接近才能達(dá)到這樣效果[1]。

參考文獻(xiàn)

[1] 畢遠(yuǎn)杰等， 100MeV強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器高頻腔公差研究[J]. 中國物理C，2008