一种用于加速器的新型束屏结构

1.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：

2.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。
3.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。
4.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。
5.现有技术和不足：
6.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。
7.目前束屏结构依旧存在很多缺陷：
8.1)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。
9.2)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。
10.3)对于更紧凑的结构很难应用上述的光子反射方案；
11.4)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；
12.5)目前的束屏结构需要大量的焊接加工，加工难度很大。
13.目前亟需一种更加节能且更实用的加速器束屏方案。


技术实现要素：

14.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种用于加速器的新型束屏结构，该结构具有加工难度低、低阻抗、能够避免光子逸出到排气孔及冷却效率高的特点。
15.为达到上述目的，本发明所述的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；
16.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。
17.所述冷却管道的横截面为d型结构。
18.各冷却管道沿周向均匀分布。
19.固定板的内侧面上设置有第一铜镀层。
20.所述外屏的内壁上设置有第二镀铜层。
21.外屏的外侧套接有支撑结构。
22.所述固定板内侧面的中部设置有第一锯齿状结构。
23.冷却管道的外壁上设置有第二锯齿状结构。
24.所述固定板为半椭圆结构。
25.各冷却管道的尺寸相同。
26.本发明具有以下有益效果：
27.本发明所述的用于加速器的新型束屏结构在具体操作时，采用双屏结构，外屏为一体化加工结构，加工难度较低，束屏外屏上设置额外的冷却管道，有利于提高冷却效率，节约制冷系统成本，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15g/s的情况下，本发明的最高温度仅为60.4k，因此本发明不仅降低了质量流量要求，同时将最高温度和冷却液体的温度差降低了两个量级。束屏内屏采用1/4对称的设计，防止了磁场畸变，提高了束流质量。双屏结构有利于消除排气孔带来的电磁耦合阻抗，解放排气孔面积限制，提供更高的气体泵速。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，用于阻隔束流与圆角矩形排气孔之间的射频接触，同时阻隔反射及背散射的光子，避免光子逸出到排气孔，且冷却效率较高，阻抗低，结构简单，操作方便，实用性极强。
28.进一步，316ln不锈钢在低温下的热导率极低，可以有效衰减作用在束屏结构上的热功率；束屏壁镀铜的设计有利于最小化束流镜像电流的欧姆损耗。
29.进一步，排气孔在横截面上采用了最大化的尺寸设计，在纵向上，13mm/17mm的纵
向尺寸有利于在保证结构机械强度的前提下，最大化气体泵送速度。
30.进一步，60-100k的工作温度考虑了低铜镀层电导率，以及控制束屏结构和束流管道之间的热辐射效率。
31.进一步，椭圆形的内屏结构可以为束流的闭合轨道误差提供足够的裕度，最小化束流损失。
32.进一步，束屏结构的两侧内屏之间镂空尺寸降低，使得束流和排气孔实现了更加充分的电磁阻隔。可以更好的避免束流激励的电磁波在排气孔附近产生“低频陷阱”，影响束流品质。
33.进一步，内屏上垂直的镂空结构可以为气体提供泵送通道，水平方向上的锯齿状结构可以吸收大部分的同步辐射功率。
34.进一步，外屏上的锯齿状结构有利于吸收背散射的光子。
附图说明
35.图1为本发明的截面图；
36.图2为本发明的结构示意图；
37.图3为本发明中支撑结构3的示意图；
38.图4为束屏在37.5tev，730ma质子束工作条件下的同步辐射功率分布图；
39.图5为束屏在60k冷却液下冷却的温度分布图。
40.其中，1为第一锯齿状结构、2为圆角矩形排气孔、3为支撑结构、4为第二锯齿状结构、5为冷却管道、6为第一铜镀层。
具体实施方式
41.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
42.在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
43.参考图1至图3，本发明所述的用于加速器的新型束屏结构包括内屏及外屏，其中，外屏的内壁设置有四个冷却管道5，其中，所述冷却管道5的横截面为d型结构，且各冷却管道5沿周向均匀分布，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5的外壁上，另一个固定板的中部焊接于另一个冷却管道5的外壁上，且两个固定板相对分布，固定板的内侧面上设置有第一铜镀层6，外屏的外侧套接有支撑结构3，所述固定板内侧面的中部设置有第一锯齿状结构1。
44.所述外屏的内壁上设置有第二镀铜层，厚度为0.1mm。
45.外屏的侧壁上设置有若干圆角矩形排气孔2，其中，圆角矩形排气孔2的纵向尺寸为13mm，所述圆角矩形排气孔2位于各冷却管道5之间，冷却管道5的外壁上设置有第二锯齿状结构4，固定板与所在冷却管道5及其相邻冷却管道5之间的圆角矩形排气孔2相平行，且所述固定板与所在冷却管道5及其相邻冷却管道5的轴线相平行，用于阻隔束流与圆角矩形排气孔2之间的射频接触，同时用于阻隔反射及背散射的光子。
46.所述固定板为半椭圆结构，且两个固定板之间有间隙，各冷却管道5的尺寸相同。
47.束屏内屏采用1/4对称的设计，防止磁场畸变，提高束流质量；
48.束屏结构的两侧内屏之间镂空尺寸降低，使得束流和排气孔实现了更加充分的电磁阻隔。可以更好的避免束流激励的电磁波在排气孔附近产生“低频陷阱”，影响束流品质。
49.图1为束屏的横向截面设计图，在sppc中，超导磁体线圈的孔径为45mm，为安装不锈钢束流管道，则需预留1.5mm半径的区域。另外，为承受超导磁体失超时产生的洛伦兹力，束流管道的厚度至少为1.5mm。在束流管道与束屏之间，还需要为支撑结构3预留出1.5mm左右的半径。综上所述，束屏的外径设置为18.75mm。本发明所述的束屏采用1/4对称结构，有效降低加工难度，并在横向和垂直方向上设置4个相同尺寸的冷却管道5，以保证相同压力源下同等的流量。在冷却管道5之间，设置最大内角为22
°
的圆角矩形排气孔2。本发明所述的束屏中内屏为横向的椭圆型结构，在垂直方向上，设置7.93mm的镂空，以考虑机械应力下，最大化气体泵速的设计。束屏的同步辐射侧设置高度为7.78mm尺寸的第一锯齿状结构1，以吸收99.9％以上直射同步辐射光子；内屏的横向尺寸为27.48mm，以考虑储存环中质子束流闭合轨道误差下的孔径设计，满足加速器的低束流损失要求。
50.图2为束屏结构三维视图，在工作时，所述第二锯齿状结构4直接吸收同步辐射，通过圆角矩形排气孔2向外泵送气体分子，通过所述第一锯齿状结构1吸收二次散射的辐射光子。
51.图4为束屏在37.5tev，730ma质子束工作条件下的同步辐射功率分布图，本发明所述的束屏使用超临界液氦流体进行冷却，工作在60k-100k温度下，图5为束屏在60k冷却液下冷却的温度分布图。