本發(fā)明屬于回旋加速器技術領域，涉及一種回旋加速器諧振腔的自動調(diào)諧裝置和方法。

背景技術：

回旋加速器廣泛地運用于重離子生物效應、重離子治癌、材料科學和航天器件的單粒子效應等研究領域，尤其是再放射性藥物制藥、腫瘤治療等領域做出巨大的貢獻。建造擁有自主知識產(chǎn)權的醫(yī)用回旋加速器，并使其順利投入運行勢在必行。合肥離子醫(yī)學中心已開展了質(zhì)子治療等相關生物醫(yī)學的研究，并對研制超導回旋加速器做了大量的調(diào)研和試驗工作。

高頻系統(tǒng)作為回旋加速器的重要組成部分，在粒子加速的過程中起著重要的作用，該系統(tǒng)主要包括高功率射頻源和諧振腔，而諧振腔的設計是回旋加速器高頻系統(tǒng)設計的關鍵部分。它的固有振蕩頻率不僅影響到與高頻發(fā)射機的整機匹配，也決定了加速電場的變化頻率，必須與離子的旋轉頻率同步。

而在實際運行當中，腔體損耗發(fā)熱引起物理形變導致諧振腔的諧振頻率的變化，雖然為了防止腔體熱變形而對其進行水冷，但冷卻水循壞會引起腔體機械震動，加上其他各種設備引起的腔體機械震動，這些因素都會造成腔體失諧。輕度失諧會引起高頻電壓的降低和高頻信號相位的漂移，對加速器的離子束流造成損失，失諧過大會造成高頻發(fā)射機與高頻腔體之間的不匹配，使高頻反射功率過大，高頻功率無法全部傳輸?shù)街C振腔，而向其他薄弱環(huán)節(jié)反射，造成高頻功率源自激振蕩，嚴重時造成高頻功率源的損壞，或者造成高頻饋線內(nèi)部的擊穿放電，甚至燒毀部分高頻饋線。因此必須對腔體進行頻率調(diào)諧，使腔體的失諧保持在允許的最小范圍內(nèi)。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種回旋加速器諧振腔的自動調(diào)諧裝置和方法，用于自動調(diào)諧諧振腔頻率，使高頻腔工作在諧振狀態(tài)；在加速器結構緊湊的情況下，調(diào)諧裝置沒有占用額外空間，而是利用環(huán)形可滑動短路板嵌在內(nèi)桿上，通過驅動移動桿控制調(diào)諧環(huán)移動來實現(xiàn)諧振腔頻率的調(diào)諧。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案實現(xiàn)：

一種回旋加速器諧振腔的自動調(diào)諧裝置，該調(diào)諧裝置包括端與端相對設置的兩組DEE板；每組DEE板上、下兩側分別垂直連接一個內(nèi)桿，每個所述內(nèi)桿上均設有移動調(diào)諧環(huán)；

每個所述調(diào)諧環(huán)由環(huán)形短路板與移動桿構成，所述環(huán)形短路板嵌在內(nèi)桿上，其內(nèi)側與內(nèi)桿電接觸，外側與諧振腔腔壁電接觸；所述移動桿一端連接在環(huán)形短路板上；與所述內(nèi)桿相對的腔體上分別連接有反饋探頭。

該自動調(diào)諧裝置的左、右兩側采用對稱的結構，所述內(nèi)桿、環(huán)形短路板、移動桿位于諧振腔一單腔體內(nèi)。

所述移動桿另一端連接有驅動電機，所述反饋探頭與腔體相連，檢測腔體內(nèi)射頻信號，用于反饋給控制系統(tǒng)來控制驅動電機調(diào)諧移動桿上下移動。

所述反饋探頭分布在左、右單腔體的上、下四個位置，通過反饋信號來調(diào)諧左、右腔體調(diào)諧環(huán)的位置達到完全對稱。

所述調(diào)諧環(huán)由六根均布的移動桿與環(huán)形短路板相連構成，移動桿一端為電機驅動端口，根據(jù)位置信號以及控制信號驅動調(diào)諧。

所述單腔體內(nèi)的環(huán)形短路板采用上、下對稱結構，環(huán)形短路板通過移動桿上、下移動，通過改變腔體的長度來調(diào)諧腔體頻率。

一種回旋加速器諧振腔的自動調(diào)諧方法，該調(diào)諧方法包括下述步驟：

1)根據(jù)諧振腔物理設計分析，計算出環(huán)形短路板的安裝位置、內(nèi)外徑尺寸和移動桿尺寸；

2)將環(huán)形短路板內(nèi)側嵌在內(nèi)桿上，外側與腔壁電接觸，移動桿的底端與環(huán)形短路板連接，頂端與驅動電機相連；

3)使用矢量網(wǎng)絡分析儀調(diào)諧諧振頻率，矢量網(wǎng)絡分析儀一端接在饋線輸入端，測量反射系數(shù)S₁₁，觀察S₁₁最小值對應的頻率點f₁，將f₁與諧振頻率f₀對比，若f₁>f₀，緩慢向上移動環(huán)形短路板，反之，則向下移動環(huán)形短路板，同時觀察S₁₁最小值對應頻率點的變化；當f₁＝f₀時，停止移動環(huán)形短路板，達到諧振腔工作的頻率點。

本發(fā)明的有益效果：

1)本發(fā)明通過自動控制調(diào)諧環(huán)的上下移動來調(diào)諧頻率，避免加速器腔體失諧，且解決了手動調(diào)諧靠操作人員的經(jīng)驗調(diào)整，調(diào)諧時間較長的缺點，實現(xiàn)了自動調(diào)諧的功能；

2)本發(fā)明采用上下移動結構來調(diào)諧頻率，沒有占用橫向空間，結構緊湊，實現(xiàn)了調(diào)諧環(huán)與腔體的良好電接觸，阻抗的平滑過度。

附圖說明

為了便于本領域技術人員理解，下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。

圖1為本發(fā)明一種回旋加速器諧振腔的自動調(diào)諧裝置結構示意圖；

圖中：1-移動桿；2-頂端環(huán)形短路板；3-DEE板；4-頂部探針；5-底部探針；6-移動桿；7-底部探針；8-頂部探針；9-底端環(huán)形短路板；10-電連接；11-內(nèi)桿。

具體實施方式

下面將結合實施例對本發(fā)明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

一種回旋加速器諧振腔的自動調(diào)諧裝置，該自動調(diào)諧裝置的左、右兩邊采用完全對稱的結構，參見圖1，包括端與端相對設置的兩組DEE板3，兩組DEE板3之間為電連接10設置；每組DEE板3上、下兩側分別垂直連接一個內(nèi)桿11，每個內(nèi)桿11上均設有移動調(diào)諧環(huán)；

其中，DEE板3、內(nèi)桿11與調(diào)諧環(huán)均設置于諧振腔一單腔體內(nèi)，該諧振腔的截面呈左、右對稱的兩個十字型形狀；

該調(diào)諧環(huán)由環(huán)形短路板與移動桿構成，具體包括頂端環(huán)形短路板2、底端環(huán)形短路板9以及頂端移動桿1、低端移動桿6；其中，移動桿一端連接在環(huán)形短路板上，環(huán)形短路板中部嵌在內(nèi)桿11上，其內(nèi)側與內(nèi)桿電接觸良好，外側與單腔體腔壁良好的電接觸，每個環(huán)形短路板上均布有六根移動桿；

上述移動桿的另一端與驅動機構相連，該驅動機構為電機；內(nèi)桿11端部相對的腔體上分別連接有反饋探頭4、5、7、8，反饋探頭檢測腔體內(nèi)射頻信號，用于反饋給控制系統(tǒng)來驅動電機自動調(diào)諧移動桿上下移動，用于調(diào)諧腔體的有效長度，改變頻率，使得加速腔達到諧振狀態(tài)；

在單腔體中，內(nèi)桿11，環(huán)形短路板2、9，反饋探頭4、5、7、8，移動桿1、6，均采用上下對稱結構設置，環(huán)形短路板在內(nèi)桿11上移動，同時確保調(diào)諧環(huán)與腔壁保持良好電接觸，以此來調(diào)諧腔體的長度，達到調(diào)諧的目的；

參見圖1，一種回旋加速器諧振腔的自動調(diào)諧方法，該方法包括：將環(huán)形短路板2和9的內(nèi)側與加速器諧振腔的內(nèi)桿11相結合，環(huán)形短路板2和9的外側與腔壁相連；一端與環(huán)形短路板相連的移動桿1和6的另一端與驅動機構相連；調(diào)諧裝置采用上下移動結構，用于調(diào)諧腔體的有效長度，改變頻率，使得加速腔達到諧振狀態(tài)；反饋探頭4、5、7、8與腔體相連，檢測腔體內(nèi)射頻信號，用于反饋給控制系統(tǒng)來驅動電機自動調(diào)諧移動桿上下移動。

當腔體因為熱效應產(chǎn)生形變時，用腔體微擾分析。由電磁場理論可得以下關系：

$\frac{\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0}{{\mathrm{\ω}}_0}=\frac{(\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}_e}-\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}_m})\·\mathrm{\Δ}v}{\stackrel{\‾}{W}}$

上式中，ω為微擾后的諧振頻率，ω₀為微擾前的諧振頻率，是平均電場能量密度和平均磁場能量密度；Δν為體積變化，為微擾后諧振腔內(nèi)總的平均電磁能量。

環(huán)形短路板在內(nèi)桿上上下移動的同時會改變腔體的磁場分布，從而改變腔體的頻率。二分之一波長同軸諧振腔是由兩端短路的同軸線構成，諧振頻率由諧振腔的長度決定，諧振頻率f和諧振腔長度L的關系如下：

$f=\frac{c(2p-1)}{2L}$

式中，p表示諧振模式，c為光速。

通過改變諧振腔長度來補償由于熱效應引起的頻率偏移，使加速腔一直處于諧振狀態(tài)。

本發(fā)明的實施方法和步驟主要如下：

1)根據(jù)諧振腔物理設計分析，計算出滑動短路板的安裝位置、內(nèi)外徑尺寸和移動桿尺寸；

2)將環(huán)形可滑動短路板內(nèi)側嵌在內(nèi)桿上，外側與腔壁接觸，保證良好的電接觸，調(diào)諧環(huán)移動桿的最頂端與驅動電機相連；

3)使用矢量網(wǎng)絡分析儀調(diào)諧諧振頻率，矢量網(wǎng)絡分析儀一端接在饋線輸入端，測量反射系數(shù)S₁₁，觀察S₁₁最小值對應的頻率點f₁，將f₁與諧振頻率f₀對比，若f₁>f₀，緩慢向上移動調(diào)諧環(huán)，反之，則向下移動調(diào)諧環(huán)，同時觀察S₁₁最小值對應頻率點的變化；當f₁＝f₀時，停止移動調(diào)諧環(huán)，這時達到諧振頻率點要求。

4)通過反饋控制自動調(diào)諧調(diào)諧環(huán)，避免由于熱效應引起的腔內(nèi)頻率變化導致腔體失諧的現(xiàn)象。

以上公開的本發(fā)明優(yōu)選實施例只是用于幫助闡述本發(fā)明。優(yōu)選實施例并沒有詳盡敘述所有的細節(jié)，也不限制該發(fā)明僅為所述的具體實施方式。顯然，根據(jù)本說明書的內(nèi)容，可作很多的修改和變化。本說明書選取并具體描述這些實施例，是為了更好地解釋本發(fā)明的原理和實際應用，從而使所屬技術領域技術人員能很好地理解和利用本發(fā)明。本發(fā)明僅受權利要求書及其全部范圍和等效物的限制。