1.本发明涉及一种射频超导技术领域，特别是关于一种可拆解的嵌套式复合超导腔。
背景技术：2.射频超导腔是电磁谐振腔的一种，其与常导谐振腔相比具有品质因子高、加速梯度高等优势，是粒子加速器的核心部件，然而其所用的超导材料，如金属铌，价格昂贵且难加工。而且，超导材料热导率普遍较低，且会随着纯度降低而更低。同时，超导腔测试、运行时其内部须抽真空，而其外部有时需置于大气压中，腔体会承受很高的大气压差，为达到所需机械强度，需要使用较厚的材料，且不能选取纯度高、热导率高但机械强度较低的材料，使得现有的超导腔普遍导热较差，运行稳定性不好。为解决此问题，一些复合腔，如压制铜铌复合板后成型的铜铌复合腔被制作出，其内部使用较薄的超导层加上外部热导率高的铜层，以提高整腔的导热效果。但是此种复合腔加工复杂，且因为外壁铜的熔点比铌低约1000℃，导致内部的铌层无法进行高温退火等热处理，限制了此种复合超导腔性能的进一步提升。且此种复合腔造价较纯铌腔更加昂贵。
3.另外，谐振腔运行时，其内部电磁场并不是空间均匀分布的，其内表面电流也仅在谐振腔的固定位置有较高值，故其并不需要所有位置都使用射频表面电阻极低的超导材料。而且，一般的超导腔在加工时都会将束流管也焊接上去，成型后在束流管侧再加密封装置，所需装置的密封圈同样需要超导材料，一般仅能采用昂贵且难处理的金属铟丝密封。而如前所述，束流管处大部分区域并无射频场感应的表面电流，所以使用超导材料并不是必要的。
技术实现要素：4.针对上述问题，本发明的目的是提供一种可拆解的嵌套式复合超导腔，其超导腔加工、处理难度大大降低，维护成本也大大降低。
5.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种可拆解的嵌套式复合超导腔，其包括：超导内腔，至少设置一个，所述超导内腔的整体置于真空环境内；第一非超导外壳，其一端设置有第一连接密封法兰，该第一连接密封法兰的内侧设置有第一半圆形凹槽；第二非超导外壳，其一端设置有第二连接密封法兰，该第二连接密封法兰的内侧设置有第二半圆形凹槽；所述第一连接密封法兰与所述第二连接密封法兰配合安装后，所述第一半圆形凹槽与所述第二半圆形凹槽配合形成密封的容置腔，且该容置腔内为用于容置所述超导内腔的所述真空环境，且所述超导内腔的外壁与所述容置腔的内壁接触。
6.进一步，至少所述超导内腔的内壁面采用镀铌、铌三锡或硼化镁制成，或所述超导内腔的整体采用纯度高的金属铌制成。
7.进一步，所述第一连接密封法兰与所述第二连接密封法兰之间采用螺丝固定连接。
8.进一步，所述第一非超导外壳和所述第二非超导外壳都采用非超导材料制成。
9.进一步，所述第一非超导外壳和所述第二非超导外壳都采用热导率较高的金属铜、铝合金或高性能陶瓷材料制成。
10.进一步，所述第一非超导外壳和所述第二非超导外壳的另一端都设置有束流管及常规谐振腔部件。
11.进一步，在所述第一非超导外壳和所述第二非超导外壳的所述束流管的端部都设置有连接法兰，通过所述连接法兰与外部的制冷机冷头或冷却液传输管道连接，对所述第一非超导外壳和所述第二非超导外壳进行冷却，进而对所述容置腔及其内的所述超导内腔进行传导冷却。
12.进一步，所述嵌套式复合超导腔还包括至少一个双头外壳；
13.所述双头外壳的两端分别设置有第三连接密封法兰，所述第三连接密封法兰内侧设置有第三半圆形凹槽；两端的所述第三半圆形凹槽分别与所述第一半圆形凹槽、所述第二半圆形凹槽配合，分别形成密封的容置腔；每个所述容置腔内都设置有一个所述超导内腔。
14.进一步，所述双头外壳采用非超导材料制成。
15.进一步，相邻的所述双头外壳之间的所述第三连接密封法兰之间、以及所述第三连接密封法兰与所述第一连接密封法兰、所述第二连接密封法兰之间都采用螺丝连接。
16.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
17.1、本发明采用的嵌套式复合超导腔结构使超导部分所需体积减小、形状简化，可降低超导腔的成本，将机械强度需求转移到廉价、易加工的非超导材料上，在不降低性能的前提下，使超导腔加工、处理难度大大降低。
18.2、由于是嵌套结构，本发明的超导内腔部分可单独做热处理后安装，超导腔研发测试对比实验验证、损毁、性能降低时也可仅更换对应部分，使腔的维护成本也大大降低。
19.3、本发明通过双头外壳形成多个容置腔，多个双头外壳之间不需要焊接，置于真空状态下的多个超导内腔之间由于无表面电流的流动，也不需要焊接，还可以任意组装、增减数目。
附图说明
20.图1是本发明实施例1中可拆解的嵌套式复合超导腔整体结构示意图；
21.图2是本发明实施例1中可拆解的嵌套式复合超导腔的分解示意图；
22.图3是图1的主视图；
23.图4是图1的侧视图；
24.图5是图4中c-c剖视图；
25.图6是图1的俯视图；
26.图7是图6中b-b剖视图；
27.图8是本发明实施例2中设置有两个双头外壳的可拆解的嵌套式复合超导腔整体结构示意图；
28.图9是本发明实施例2中设置有两个双头外壳的可拆解的嵌套式复合超导腔的分解示意图；
29.图10是图8的剖视图；
30.图11是本发明实施例2中双头外壳的结构示意图。
具体实施方式
31.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
33.本发明提出一种可拆解的嵌套式复合超导腔，该超导腔由两部分组成，包括超导材料的超导内腔和非超导材料所制外壳。本发明所用结构使超导部分所需体积减小、形状简化，可降低超导腔的成本，将机械强度需求转移到廉价、易加工的非超导材料上，在不降低性能的前提下，使整腔加工、处理难度大大降低；且由于是嵌套结构，超导部分可单独做热处理后安装，超导腔研发测试对比实验验证、损毁、性能降低时也可仅更换对应部分，使腔的维护成本也大大降低。
34.实施例1：
35.在本实施例中，提供一种可拆解的嵌套式复合超导腔。本实施例中，如图1～图7所示，该嵌套式复合超导腔包括：
36.超导内腔1，至少设置一个，该超导内腔1整体置于真空环境内；由于超导内腔1整体都处于真空环境内，其内部为完全真空环境，外壁为真空环境但是与容置腔内壁接触，所以超导内腔1的内外壁没有大气压强差。
37.第一非超导外壳2，其一端设置有第一连接密封法兰3，该第一连接密封法兰3的内侧设置有第一半圆形凹槽4；
38.第二非超导外壳5，其一端设置有第二连接密封法兰6，该第二连接密封法兰6的内侧设置有第二半圆形凹槽7；
39.第一连接密封法兰3与第二连接密封法兰6配合安装后，第一半圆形凹槽4与第二半圆形凹槽7配合形成密封的容置腔，且该容置腔内为用于容置超导内腔1的真空环境，超导内腔1的外壁与容置腔的内壁接触。
40.使用时，由于超导内腔1整体置于真空环境，故其腔壁不必承受巨大的内外大气压强差，所以不必为了机械强度刻意选取较硬但低纯、低热导率的材料，也不需普通超导腔的2-3mm的过高的厚度，故而使超导部分热导率大大提高，有利于提升腔的性能和运行稳定性。
41.上述实施例中，至少超导内腔1的内壁面采用镀铌、铌三锡、硼化镁或其他超导体等材料制成，或超导内腔1的整体采用纯度高(热导率高)的金属铌制成。
42.上述实施例中，超导内腔1不包含束流管等低表面电流分布位置的结构，故使用时无需使用复杂的超导材料密封手段，故此发明使超导部分体积减小，所需昂贵的超导材料
大大减少，机械加工、后处理难度大大降低，降低了生产成本。如鲜有的纯铌超导腔焊接束流管使用电子束焊接，束流管与法兰的焊接为的铌焊接不锈钢。这些昂贵的加工工艺在本实施例中改为铜一体成型外壳加束流管，束流管与法兰的焊接变更为成熟、廉价的铜焊接不锈钢，且不需要每做一个腔都焊接一个束流管和法兰，没有必要花费昂贵的价格造束流管。
43.上述实施例1中，第一连接密封法兰3与第二连接密封法兰6之间采用螺丝固定连接。密封连接后，运行时可使超导材料制成的超导内腔1处于无大气压差的真空环境中。
44.上述实施例1中，第一非超导外壳2和第二非超导外壳5都采用非超导材料制成，优选的，采用热导率较高的金属铜、铝合金或高性能陶瓷材料制成。且第一非超导外壳2和第二非超导外壳5的另一端都设置有束流管8及其他低表面电流的常规谐振腔部件。
45.优选的，在第一非超导外壳2和第二非超导外壳5的束流管8的端部都设置有连接法兰9，通过连接法兰9与外部的制冷机冷头或冷却液传输管道连接，对第一非超导外壳2和第二非超导外壳5进行冷却，进而对容置腔及其内的超导内腔1进行传导冷却。
46.实施例2：
47.本实施例中提供的可拆解的嵌套式复合超导腔与实施例1中提供的可拆解的嵌套式复合超导腔结构基本相同，不同的是，本实施例中的超导内腔1设置为2个以上。除实施例1中的包括的结构外，还包括至少一个双头外壳10，如图8至图11所示。
48.双头外壳10作为连接头用，其两端分别设置有第三连接密封法兰11，第三连接密封法兰11内侧设置有第三半圆形凹槽12，两端的第三半圆形凹槽12分别与第一半圆形凹槽4、第二半圆形凹槽7配合，分别形成密封的容置腔；每个容置腔内都设置有一个超导内腔1。
49.上述实施例中，双头外壳10采用非超导材料制成。
50.上述实施例中，可以通过设置多个双头外壳10，相邻双头外壳10的第三连接密封法兰11相互连接，形成多个用于容置超导内腔1的容置腔。且每个容置腔内都为真空环境。
51.上述实施例中，相邻的双头外壳10之间的第三连接密封法兰11之间、以及第三连接密封法兰11与第一连接密封法兰3、第二连接密封法兰6之间都采用螺丝连接。
52.使用时，可以通过双头外壳10的设置数量，将容置腔的数量进行任意增减。置于真空状态下的多个超导内腔1之间由于无表面电流的流动，也不需要焊接。由于各部分的连接都不用焊接，节省了昂贵的焊接的加工费。
53.综上，本发明使用时，采用非超导部分将超导部分包覆，且包含束流管等低表面电流的常规谐振腔其他组件，且应需求而增加额外的法兰密封口，以将超导部分易于嵌套安装、密封其中。
54.由于本发明的超导内腔1与容置腔直接接触，可以将损耗产生的热从超导材料制成的超导内腔1传导到非超导外壳的第一非超导外壳2和第二非超导外壳5，不必担心导热效率下降的问题。同时，超导内腔1不包含束流管，也无需使用复杂的超导材料密封手段，故此发明使超导部分体积减小，所需超导材料大大减少，机械加工、后处理难度大大降低，降低了生产成本；其机械稳定性大大提高，对于镀膜腔还可避免其膜层因基底形变而断裂、脱落的问题。而且，由于内外部分分离，实施研发测试对比试验，或腔体出现损毁、性能不可恢复等问题，仅需更换对应部件，其余部分可重复利用，这也大大降低了加工和维护成本。
55.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管
参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
技术特征：1.一种可拆解的嵌套式复合超导腔，其特征在于，包括：超导内腔，至少设置一个，所述超导内腔的整体置于真空环境内；第一非超导外壳，其一端设置有第一连接密封法兰，该第一连接密封法兰的内侧设置有第一半圆形凹槽；第二非超导外壳，其一端设置有第二连接密封法兰，该第二连接密封法兰的内侧设置有第二半圆形凹槽；所述第一连接密封法兰与所述第二连接密封法兰配合安装后，所述第一半圆形凹槽与所述第二半圆形凹槽配合形成密封的容置腔，且该容置腔内为用于容置所述超导内腔的所述真空环境，且所述超导内腔的外壁与所述容置腔的内壁接触。2.如权利要求1所述可拆解的嵌套式复合超导腔，其特征在于，至少所述超导内腔的内壁面采用镀铌、铌三锡或硼化镁制成，或所述超导内腔的整体采用纯度高的金属铌制成。3.如权利要求1所述可拆解的嵌套式复合超导腔，其特征在于，所述第一连接密封法兰与所述第二连接密封法兰之间采用螺丝固定连接。4.如权利要求1所述可拆解的嵌套式复合超导腔，其特征在于，所述第一非超导外壳和所述第二非超导外壳都采用非超导材料制成。5.如权利要求4所述可拆解的嵌套式复合超导腔，其特征在于，所述第一非超导外壳和所述第二非超导外壳都采用金属铜、铝合金或高性能陶瓷材料制成。6.如权利要求1所述可拆解的嵌套式复合超导腔，其特征在于，所述第一非超导外壳和所述第二非超导外壳的另一端都设置有束流管及常规谐振腔部件。7.如权利要求6所述可拆解的嵌套式复合超导腔，其特征在于，在所述第一非超导外壳和所述第二非超导外壳的所述束流管的端部都设置有连接法兰，通过所述连接法兰与外部的制冷机冷头或冷却液传输管道连接，对所述第一非超导外壳和所述第二非超导外壳进行冷却，进而对所述容置腔及其内的所述超导内腔进行传导冷却。8.如权利要求1至7任一项所述可拆解的嵌套式复合超导腔，其特征在于，所述嵌套式复合超导腔还包括至少一个双头外壳；所述双头外壳的两端分别设置有第三连接密封法兰，所述第三连接密封法兰内侧设置有第三半圆形凹槽；两端的所述第三半圆形凹槽分别与所述第一半圆形凹槽、所述第二半圆形凹槽配合，分别形成密封的容置腔；每个所述容置腔内都设置有一个所述超导内腔。9.如权利要求8所述可拆解的嵌套式复合超导腔，其特征在于，所述双头外壳采用非超导材料制成。10.如权利要求8所述可拆解的嵌套式复合超导腔，其特征在于，相邻的所述双头外壳之间的所述第三连接密封法兰之间、以及所述第三连接密封法兰与所述第一连接密封法兰、所述第二连接密封法兰之间都采用螺丝连接。
技术总结本发明涉及一种可拆解的嵌套式复合超导腔，其包括：超导内腔，至少设置一个，所述超导内腔的整体置于真空环境内；第一非超导外壳，其一端设置有第一连接密封法兰，该第一连接密封法兰的内侧设置有第一半圆形凹槽；第二非超导外壳，其一端设置有第二连接密封法兰，该第二连接密封法兰的内侧设置有第二半圆形凹槽；所述第一连接密封法兰与所述第二连接密封法兰配合安装后，所述第一半圆形凹槽与所述第二半圆形凹槽配合形成密封的容置腔，且该容置腔内为用于容置所述超导内腔的所述真空环境，且所述超导内腔的外壁与所述容置腔的内壁接触。本发明超导腔加工、处理难度大大降低，维护成本也大大降低。本发明可以在射频超导技术领域中应用。中应用。中应用。
技术研发人员：罗迪迪 何源 谭腾
受保护的技术使用者：中国科学院近代物理研究所
技术研发日：2022.03.29
技术公布日：2022/7/5
