一種射頻大功率耦合器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種粒子加速器射頻【技術領域】，尤其是涉及一種射頻大功率耦合器。其采用碗狀陶瓷窗結構及合理的生產工藝，很好的解決了耦合器傳輸線阻抗匹配問題，內外導體均采用無氧銅材做成圓筒型結構，并設有冷卻通道，外導體由多條軸向水路組成循環冷卻，內導體為單一冷卻水路與外導體回路串聯。碗狀陶瓷窗采用特殊焊接工藝將過渡金屬法蘭與陶瓷焊接而成，形成大氣與真空的隔離與內外導體間的絕緣，并在其內外徑方向設置冷卻回路，在陶瓷窗內表面鍍氮化鈦涂層防止二次電子發射引發的熱量。其碗狀陶瓷窗結構受力較好，且傳輸線阻抗沒有突變問題，能很好的解決了阻抗匹配問題，使高頻功率傳輸效率更高發熱更小，在同等功率等級下結構更加緊湊。
【專利說明】一種射頻大功率耦合器

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種粒子加速器射頻【技術領域】，尤其是涉及一種射頻大功率耦合器。

【背景技術】
[0002] 目前，發展清潔能源成為了全球能源發展的優先選擇，加速器驅動的核廢料嬗變 系統ADS (Accelerator-Driven System)是實現清潔能源的一種有效途徑，強流兆瓦級高功 率質子加速器是ADS系統中最關鍵的系統之一。常溫直線加速器是達到強流兆瓦級高功率 質子加速器輸入級，其輸出流強15毫安，輸出能量2. 1兆電子伏，是非常關鍵的部件之一， 為達到這樣技術指標必須給其輸入120kW的射頻功率。現有技術中，這類功率等級的陶瓷 窗大多采用薄壁平板型和套管式結構，平板型陶瓷窗為達到阻抗要求通常用改變同軸饋管 的外徑與內徑實現變阻，套管式結構隨不需改變同軸饋管的外徑與內徑，通過環狀插入式 調整阻抗，但兩者結構均比碗狀陶瓷窗復雜，不易制作，且爬電距離較短，容易產生放電，且 不可拆卸，這不方便今后的使用與維護，制造成本也碗狀陶瓷窗的數倍。


【發明內容】

[0003] 本發明的目的在于針對現有技術的缺陷而提供一種射頻大功率耦合器，其能滿足 四翼型腔體饋入功率的需要，從而解決了現有技術的問題。
[0004] 為實現上述目的，本發明采取的技術方案為：所述的一種射頻大功率耦合器，其 特點是包括外導體，外導體內設置有內導體和碗狀陶瓷窗，所述的外導體包括圓柱筒形前 段、圓錐筒形中段和碗狀陶瓷窗安裝段，圓柱筒形前段前端設置有旋轉活套法蘭，圓錐筒形 中段上設置有內外導體組合水路，碗狀陶瓷窗安裝段的前端設置有第一支撐法蘭和第二支 撐法蘭，碗狀陶瓷窗安裝段后端設置有圓形法蘭，所述的內導體包括半圓型環狀結構的電 磁耦合環，電磁耦合環通過真空釬焊與圓形直管相連，圓形直管后端設置有圓錐形變阻管， 圓錐形變阻管尾部與碗狀陶瓷窗相連，圓形直管和圓錐形變阻管內設置有內導體水路，所 述的碗狀陶瓷窗前端外徑處設置有陶瓷窗壓緊法蘭和陶瓷窗螺紋壓圈，碗狀陶瓷窗后端內 徑處設置有過渡套筒，對應碗狀陶瓷窗設置有陶瓷窗基座，陶瓷窗基座后端設置有插座， 插座上安裝有插座內水路。
[0005] 所述的第一支撐法蘭上還設置有碗狀陶瓷窗水路，所述的外導體的碗狀陶瓷窗安 裝段外側設置有外導體冷卻水套，外導體冷卻水套兩端安裝有外導體冷卻水套前堵頭和外 導體冷卻水套后堵頭，外導體冷卻水套上還設置有碗狀陶瓷窗安裝段輔助水路。
[0006] 所述的旋轉活套法蘭與外導體腔體之間設置有第一密封圈和導電彈簧，旋轉活套 法蘭用于耦合度的調節，所述的第一支撐法蘭和第二支撐法蘭上也設置有導電彈簧；所述 的圓錐筒形中段上設置有光電探測器導管，光電探測器導管前端通過光電探測上端法蘭和 光電下端法蘭構成光電探測端口，所述的碗狀陶瓷窗安裝段用于固定碗狀陶瓷窗，圓柱筒 形前段、圓錐筒形中段和碗狀陶瓷窗安裝段采用真空釬焊組成一個整體，所述的第一支撐 法蘭和第二支撐法蘭安裝在圓錐筒形中段和碗狀陶瓷窗安裝段之間，圓錐筒形中段與第一 支撐法蘭之間設置有第二密封圈，第一支撐法蘭與碗狀陶瓷窗之間設置有第三密封圈，所 述的陶瓷窗壓緊法蘭和陶瓷窗螺紋壓圈設置在第一支撐法蘭上，陶瓷窗壓緊法蘭與第一支 撐法蘭之間設置有第四密封圈，所述的電磁耦合環與圓形直管相連接處還設置有內導體前 堵頭，圓錐形變阻管后端設置有內導體后堵頭，所述的碗狀陶瓷窗內表面鍍有氮化鈦層，過 渡套筒的前端設置有與內導體后堵頭相連的過渡套筒前堵頭，過渡套筒的后端設置有與陶 瓷窗基座通過螺釘相連的過渡套筒后堵頭，所述的插座內水路通過水路堵頭安裝在陶瓷窗 基座上,插座直接配接同軸饋管內插芯與外部導體連接,用于饋入射頻功率。
[0007] 所述的第一密封圈、第二密封圈、第三密封圈和第四密封圈均為耐高溫氟橡膠0 型密封圈，所述的導電彈簧為高頻導電回路的0型導電彈簧；所述的圓錐筒形中段用于同 軸傳輸線的變阻，所述的光電探測上端法蘭和光電下端法蘭之間設置有真空密封圈；所述 的圓形法蘭為外接端口，用于適配外部組件，碗狀陶瓷窗安裝段通過螺栓與外接標準饋管 對接，圓柱筒形前段和圓錐筒形中段共用冷卻水路，碗狀陶瓷窗安裝段獨立供水冷卻，所述 的陶瓷窗壓緊法蘭為徑向薄壁真空釬焊無氧銅法蘭，所述的過渡套筒為軸向真空釬焊無氧 銅薄壁過渡套筒。
[0008] 所述的電磁耦合環采用雙銅管并行彎曲加工，電磁耦合環內部設置有一進一出兩 路冷卻水，圓形直管內部的兩路冷卻水與電磁耦合環內部的冷卻水相連通。
[0009] 所述的碗狀陶瓷窗采用高頻損耗小的95%三氧化二鋁陶瓷經模具成形再燒結成 碗狀結構，碗狀陶瓷窗內表面鍍有氮化鈦防止二次電子發射引起的電暈放電，所述的陶瓷 窗壓緊法蘭用于高頻導電與真空密封，過渡套筒用于連接前段內導體和后段功率饋入接 口，同時消除內導體和陶瓷窗在傳輸功率時發熱而引起的膨脹變形。
[0010] 本發明的有益效果：所述的一種射頻大功率耦合器，其采用碗狀陶瓷窗結構及合 理的生產工藝，很好的解決了耦合器傳輸線阻抗匹配問題，內外導體均采用無氧銅材做成 圓筒型結構，并設有冷卻通道，外導體由多條軸向水路組成循環冷卻，內導體為單一冷卻水 路與外導體回路串聯。碗狀陶瓷窗采用特殊焊接工藝將過渡金屬法蘭與陶瓷焊接而成，形 成大氣與真空的隔離與內外導體間的絕緣，并在其內外徑方向設置冷卻回路，在陶瓷窗內 表面鍍氮化鈦涂層防止二次電子發射引發的熱量。其碗狀陶瓷窗結構受力較好，且傳輸線 阻抗沒有突變問題，能很好的解決了阻抗匹配問題，使高頻功率傳輸效率更高發熱更小，在 同等功率等級下結構更加緊湊，為此，特別適用于較大功率的腔體結構功率耦合之用。

【專利附圖】

【附圖說明】：
[0011] 圖1是本發明的外形結構示意圖；
[0012] 圖2是本發明的總裝配結構示意圖； 圖3是本發明中所述確定耦合環面積初步參數仿真截圖。
[0013] 圖中所示：1、電磁耦合環；2.內導體前堵頭；3.圓形直管；4.圓柱筒形前段；5.第 一密封圈；6.旋轉活套法蘭；7.光電探測上端法蘭；8.光電下端法蘭；9.真空密封圈； 10.光電探測器導管；11.圓錐筒形中段；12.第一支撐法蘭；13.第二密封圈；14.第三密封 圈；15.第四密封圈；16.陶瓷窗壓緊法蘭；17.陶瓷窗螺紋壓圈；18.第二支撐法蘭；19.內 導體水路；20.圓錐形變阻管；21.外導體冷卻水套前堵頭；22.內導體后堵頭；23.碗狀陶 瓷窗；24.過渡套筒前堵頭；25.過渡套筒；26.過渡套筒后堵頭；27.陶瓷窗基座；28.水路 堵頭；29.外導體冷卻水套；30.螺釘；31.外導體冷卻水套后堵頭；32.碗狀陶瓷窗安裝段； 33.圓形法蘭；34.插座；35.內外導體組合水路；36.碗狀陶瓷窗水路；37.碗狀陶瓷窗安裝 段輔助水路；38.插座內水路；39.光電探測端口；40.導電彈簧。

【具體實施方式】
[0014] 下面結合附圖來詳細說明本發明。
[0015] 如圖1和2所示：所述的一種射頻大功率耦合器，其特點是包括外導體，外導體內 設置有內導體和碗狀陶瓷窗23,所述的外導體包括圓柱筒形前段4、圓錐筒形中段11和碗 狀陶瓷窗安裝段32,圓柱筒形前段4前端設置有旋轉活套法蘭6,圓錐筒形中段11上設置 有內外導體組合水路35,碗狀陶瓷窗安裝段32的前端設置有第一支撐法蘭12和第二支撐 法蘭18,碗狀陶瓷窗安裝段32后端設置有圓形法蘭33,所述的內導體包括半圓型環狀結構 的電磁耦合環1，電磁耦合環1通過真空釬焊與圓形直管3相連，圓形直管3后端設置有圓 錐形變阻管20,圓錐形變阻管20尾部與碗狀陶瓷窗23相連，圓形直管3和圓錐形變阻管 20內設置有內導體水路19,所述的碗狀陶瓷窗23前端外徑處設置有陶瓷窗壓緊法蘭16和 陶瓷窗螺紋壓圈17,碗狀陶瓷窗23后端內徑處設置有過渡套筒25,對應碗狀陶瓷窗23設 置有陶瓷窗基座27,陶瓷窗基座27后端設置有插座34,插座34上安裝有插座內水路38。
[0016] 所述的第一支撐法蘭12上還設置有碗狀陶瓷窗水路36,所述的外導體的碗狀陶 瓷窗安裝段32外側設置有外導體冷卻水套29,外導體冷卻水套29兩端安裝有外導體冷卻 水套前堵頭21和外導體冷卻水套后堵頭31，外導體冷卻水套29上還設置有碗狀陶瓷窗安 裝段輔助水路37。
[0017] 所述的旋轉活套法蘭6與外導體腔體之間設置有第一密封圈5和導電彈簧40,旋 轉活套法蘭6用于耦合度的調節，所述的第一支撐法蘭12和第二支撐法蘭18上也設置有 導電彈40 ;所述的圓錐筒形中段11上設置有光電探測器導管10,光電探測器導管10前端 通過光電探測上端法蘭7和光電下端法蘭8構成光電探測端口 39,所述的碗狀陶瓷窗安裝 段32用于固定碗狀陶瓷窗23,圓柱筒形前段4、圓錐筒形中段11和碗狀陶瓷窗安裝段32 采用真空釬焊組成一個整體，所述的第一支撐法蘭12和第二支撐法蘭18安裝在圓錐筒形 中段11和碗狀陶瓷窗安裝段32之間，圓錐筒形中段11與第一支撐法蘭12之間設置有第 二密封圈13,第一支撐法蘭12與碗狀陶瓷窗23之間設置有第三密封圈14,所述的陶瓷窗 壓緊法蘭16和陶瓷窗螺紋壓圈17設置在第一支撐法蘭12上，陶瓷窗壓緊法蘭16與第一 支撐法蘭12之間設置有第四密封圈15,所述的電磁耦合環1與圓形直管3相連接處還設置 有內導體前堵頭2,圓錐形變阻管20后端設置有內導體后堵頭22,所述的碗狀陶瓷窗23內 表面鍍有氮化鈦層，過渡套筒25的前端設置有與內導體后堵頭22相連的過渡套筒前堵頭 24,過渡套筒25的后端設置有與陶瓷窗基座27通過螺釘30相連的過渡套筒后堵頭26,所 述的插座內水路38通過水路堵頭28裝在陶瓷窗基座27上，插座34直接配接同軸饋管內 插芯與外部導體連接，用于饋入射頻功率。
[0018] 所述的第一密封圈5、第二密封圈13、第三密封圈14和第四密封圈15均為耐高溫 氟橡膠〇型密封圈，所述的導電彈簧40為高頻導電回路的0型導電彈簧；所述的圓錐筒形 中段11用于同軸傳輸線的變阻，所述的光電探測上端法蘭7和光電下端法蘭8之間設置有 真空密封圈9 ;所述的圓形法蘭33為外接端口，用于適配外部組件，碗狀陶瓷窗安裝段32 通過螺栓與外接標準饋管對接，圓柱筒形前段4和圓錐筒形中段11共用冷卻水路，碗狀陶 瓷窗安裝段32獨立供水冷卻，所述的陶瓷窗壓緊法蘭16為徑向薄壁真空釬焊無氧銅法蘭， 所述的過渡套筒25為軸向真空釬焊無氧銅薄壁過渡套筒。
[0019] 所述的電磁耦合環1采用雙銅管并行彎曲加工，電磁耦合環1內部設置有一進一 出兩路冷卻水，圓形直管3內部的兩路冷卻水與電磁耦合環1內部的冷卻水相連通。
[0020] 所述的碗狀陶瓷窗23采用高頻損耗小的95%三氧化二鋁陶瓷經模具成形再燒結 成碗狀結構，碗狀陶瓷窗23內表面鍍有氮化鈦防止二次電子發射引起的電暈放電，所述的 陶瓷窗壓緊法蘭16用于高頻導電與真空密封，過渡套筒25用于連接前段內導體和后段功 率饋入接口，同時消除內導體和陶瓷窗在傳輸功率時發熱而引起的膨脹變形。
[0021] 所述的一種射頻大功率耦合器，其碗狀陶瓷窗利用碗狀的內外弧形表面有效延長 爬電距離，碗狀結構在大氣壓力下承受較大軸向壓力，利用碗狀圓弧的漸變實現阻抗均勻 過渡；碗狀陶瓷窗和同軸傳輸線為分離拆卸式結構，有利于維護清潔，當陶瓷窗耦合器損壞 時拆卸更換；采用碗狀陶瓷窗簡化設計與加工難度，大幅度的降低了制造成本，碗狀圓弧的 漸變可很好實現阻抗均勻過渡，具有結構簡單相對易于低成本制造。所述的電磁耦合環的 大小通過等效電路分析得到公式：

【權利要求】
1. 一種射頻大功率耦合器，其特征是包括外導體，外導體內設置有內導體和碗狀陶瓷 窗，所述的外導體包括圓柱筒形前段、圓錐筒形中段和碗狀陶瓷窗安裝段，圓柱筒形前段前 端設置有旋轉活套法蘭，圓錐筒形中段上設置有內外導體組合水路，碗狀陶瓷窗安裝段的 前端設置有第一支撐法蘭和第二支撐法蘭，碗狀陶瓷窗安裝段后端設置有圓形法蘭，所述 的內導體包括半圓型環狀結構的電磁耦合環，電磁耦合環通過真空釬焊與圓形直管相連， 圓形直管后端設置有圓錐形變阻管，圓錐形變阻管尾部與碗狀陶瓷窗相連，圓形直管和圓 錐形變阻管內設置有內導體水路，所述的碗狀陶瓷窗前端外徑處設置有陶瓷窗壓緊法蘭和 陶瓷窗螺紋壓圈，碗狀陶瓷窗后端內徑處設置有過渡套筒，對應碗狀陶瓷窗設置有陶瓷窗 基座，陶瓷窗基座后端設置有插座，插座上安裝有插座內水路。
2. 如權利要求1所述的一種射頻大功率耦合器，其特征在于：所述的第一支撐法蘭上 還設置有碗狀陶瓷窗水路，所述的外導體的碗狀陶瓷窗安裝段外側設置有外導體冷卻水 套，外導體冷卻水套兩端安裝有外導體冷卻水套前堵頭和外導體冷卻水套后堵頭，外導體 冷卻水套上還設置有碗狀陶瓷窗安裝段輔助水路。
3. 如權利要求1所述的一種射頻大功率耦合器，其特征在于：所述的旋轉活套法蘭與 外導體腔體之間設置有第一密封圈和導電彈簧，旋轉活套法蘭用于耦合度的調節，所述的 第一支撐法蘭和第二支撐法蘭上也設置有導電彈簧；所述的圓錐筒形中段上設置有光電 探測器導管，光電探測器導管前端通過光電探測上端法蘭和光電下端法蘭構成光電探測端 口，所述的碗狀陶瓷窗安裝段用于固定碗狀陶瓷窗，圓柱筒形前段、圓錐筒形中段和碗狀 陶瓷窗安裝段采用真空釬焊組成一個整體，所述的第一支撐法蘭和第二支撐法蘭安裝在圓 錐筒形中段和碗狀陶瓷窗安裝段之間，圓錐筒形中段與第一支撐法蘭之間設置有第二密封 圈，第一支撐法蘭與碗狀陶瓷窗之間設置有第三密封圈，所述的陶瓷窗壓緊法蘭和陶瓷窗 螺紋壓圈設置在第一支撐法蘭上，陶瓷窗壓緊法蘭與第一支撐法蘭之間設置有第四密封 圈，所述的電磁耦合環與圓形直管相連接處還設置有內導體前堵頭，圓錐形變阻管后端設 置有內導體后堵頭，所述的碗狀陶瓷窗內表面鍍有氮化鈦層，過渡套筒的前端設置有與內 導體后堵頭相連的過渡套筒前堵頭，過渡套筒的后端設置有與陶瓷窗基座通過螺釘相連的 過渡套筒后堵頭，所述的插座內水路通過水路堵頭安裝在陶瓷窗基座上，插座直接配接同 軸饋管內插芯與外部導體連接，用于饋入射頻功率。
4. 如權利要求3所述的一種射頻大功率耦合器，其特征在于：所述的第一密封圈、第二 密封圈、第三密封圈和第四密封圈均為耐高溫氟橡膠0型密封圈，所述的導電彈簧為高頻 導電回路的〇型導電彈簧；所述的圓錐筒形中段用于同軸傳輸線的變阻，所述的光電探測 上端法蘭和光電下端法蘭之間設置有真空密封圈；所述的圓形法蘭為外接端口，用于適配 外部組件，碗狀陶瓷窗安裝段通過螺栓與外接標準饋管對接，圓柱筒形前段和圓錐筒形中 段共用冷卻水路，碗狀陶瓷窗安裝段獨立供水冷卻，所述的陶瓷窗壓緊法蘭為徑向薄壁真 空釬焊無氧銅法蘭，所述的過渡套筒為軸向真空釬焊無氧銅薄壁過渡套筒。
5. 如權利要求3所述的一種射頻大功率耦合器，其特征在于：所述的電磁耦合環采用 雙銅管并行彎曲加工，電磁耦合環內部設置有一進一出兩路冷卻水，圓形直管內部的兩路 冷卻水與電磁耦合環內部的冷卻水相連通。
6. 如權利要求3所述的一種射頻大功率耦合器，其特征在于：所述的碗狀陶瓷窗采用 高頻損耗小的95%三氧化二鋁陶瓷經模具成形再燒結成碗狀結構，碗狀陶瓷窗內表面鍍有 氮化鈦防止二次電子發射引起的電暈放電，所述的陶瓷窗壓緊法蘭用于高頻導電與真空密 封，過渡套筒用于連接前段內導體和后段功率饋入接口，同時消除內導體和陶瓷窗在傳輸 功率時發熱而引起的膨脹變形。
【文檔編號】H05H7/02GK104378906SQ201410682293
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月24日 優先權日:2014年11月24日
【發明者】石愛民, 何源, 孫列鵬, 張周禮, 王文斌 申請人:中國科學院近代物理研究所