[发明专利]一种无液氦射频超导加速器

说明书

本发明涉及一种无液氦射频超导加速器，其带电粒子束流经注入系统产生和引出，经束流传输系统被引入到加速模组，功率源系统向加速模组提供射频功率，低电平与控制系统监测运行、维持超导腔内的电磁场幅度和相位稳定，带电粒子在加速模组内得到加速后，再经束流传输系统被引入应用终端。本发明通过固体传导的方式对超导腔进行冷却，使超导腔在低温下稳定运行，加速带电粒子束流，摆脱当前射频超导加速腔只能浸泡在液氦里的冷却方式，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，价格便宜、占地面积小、结构简单、布局紧凑、运维方便等优点，能够显著降低射频超导加速器的应用难度，大大拓展射频超导加速器的应用范围。

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器，属于超导技术领域。

背景技术

带电粒子加速器是高能物理、原子分子物理、生命及材料科学、核物理及放射性核素研究等领域不可缺少的研究手段。得益于射频超导加速腔(超导腔)极低的表面电阻，与常温加速器相比，超导加速器具有可工作于高占空比甚至连续波模式的优点，射频超导是现代粒子加速器的核心技术之一。

超导腔是超导加速器的核心加速部件。当前，超导腔主要采用低温超导材料金属铌制造，需浸泡在温度为2K-4K的液氦里实现冷却。但是，液氦浸泡冷却方式导致制冷系统结构复杂，造价高昂，且需要高度专业的低温制冷运行与维护团队，这严重制约了当前以纯铌超导腔为核心的超导加速器的应用范围。因此，如何摆脱液氦束缚是降低超导加速器复杂程度、运维难度以及拓展超导加速器应用范围的关键。

一方面，具有高超导转变温度(T_c)及高过热磁场的Nb₃Sn、MgB₂、NbN、NbTiN、铁基超导体等射频超导材料，在4.2K甚至更高温度下的射频性能可达到铌基超导腔2K下的水平；另一方面，当前的工业制冷机在4.2K低温下的制冷功率已达到2W，且其制冷功率随温度的提高而增大，具备通过固体传导的冷却方式驱动基于Nb₃Sn、MgB₂、NbN、NbTiN、铁基超导体等高温超导材料的超导腔稳定工作的能力。

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器，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：一种无液氦射频超导加速器，包括带电粒子注入系统、束流传输系统、加速模组系统、功率源系统、低电平与控制系统和应用终端；其中，所述加速模组系统的输入端和输出端分别通过所述束流传输系统连接所述带电粒子注入系统的输出端和所述应用终端的输入端；所述带电粒子注入系统被配置为产生特定能量、特定种类、特定流强、特定参数的带电粒子束流；所述束流传输系统被配置为引导从所述带电粒子注入系统引出的带电粒子束流进入所述加速模组系统的超导腔被加速，以及引导从所述加速模组系统的超导腔引出的被加速的带电粒子束流按照指定的轨迹传输到所述应用终端；所述功率源系统与所述加速模组系统的超导腔连接，所述功率源系统被配置为向所述加速模组系统的超导腔提供射频功率，以在所述超导腔内建立射频电磁场，使带电粒子束流在所述超导腔内受电磁场作用而被加速；所述低电平与控制系统分别与所述带电粒子注入系统、束流传输系统、加速模组系统和应用终端电连接，所述低电平与控制系统被配置为通过采集加速器的温度、真空度、射频、束流位置、束流能量、束流发射度信号并进行处理，以监测加速器的运行状态，维持所述超导腔内的电磁场幅度和相位稳定。

所述的无液氦射频超导加速器，优选地，所述加速模组系统包括：超导腔，被配置成给带电粒子束流提供能量；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。

所述的无液氦射频超导加速器，优选地，所述功率源系统包括功率源和耦合器，所述耦合器与所述超导腔的耦合口连接，所述耦合器被配置为将所述功率源输出的射频功率馈入所述超导腔。