一种用于超导回旋加速器磁场调节棒的紧凑型驱动装置

摘要

本发明公开了一种用于超导回旋加速器磁场调节棒的紧凑型驱动装置，该紧凑型驱动装置竖直安装在超导回旋加速器盖板的狭窄空间内、用于连接和带动盖板上的磁场调节棒上下往复运动；该紧凑型驱动装置为细长形状，从上到下包括驱动装置、磁屏蔽体、限位装置、位置反馈装置、磁场调节棒支架主体；所述步进电机和连轴器之间还设有减速机，减速机用于增加小尺寸步进电机的扭矩、在不降低所述驱动装置大推力情况下，缩小所述步进电机的体积；本发明通过在步进电机和精密直线执行器之间增加减速机、通过将只有4.2厘米边宽的步进电机、减速机、精密直线执行器、以及将只有1厘米宽的线性电子尺相结合，解决了在狭窄空间实现大推力的新问题。

说明书

技术领域

本发明属于加速器技术领域，尤其涉及一种用于超导回旋加速器磁场调节棒的紧凑型驱动装置。

背景技术

回旋加速器是利用磁场和电场共同使带电粒子作回旋运动，在运动中经高频电场反复加速的装置，是高能物理中的重要装置，其中超导回旋加速器也是目前医用质子治疗加速器的核心设备。在超导回旋加速器中，为了最小化束流的径向进动，避免相干振荡的发生，提高引出区的束流引出效率，要求束流具有很好的对中性，尤其在单圈引出的回旋加速器中，束流对中是十分关键的。利用磁场调节棒调节磁场一次谐波具有结构简单、无源、没有热负载和可靠性高的优点。

超导回旋加速器的中心区和引出区分别设有磁场调节棒。中心区磁场调节棒用于产生一次谐波使内部离子源中引出的束流径向对中、控制整个加速区的径向振荡；引出区磁场调节棒用于产生共振进动引出所需的特定幅值、相位的一次谐波，提高引出效率。

磁场调节棒驱动装置安装在加速器盖板内、用于驱动磁场调节棒做上下往复运动。由于超导回旋加速器盖板上磁场强度高，强度高则需要安装设备非常多，比如真空泵、制冷机拉杆、高频系统调谐驱动装置、磁场调节棒驱动装置、束流相宽调节器驱动装置等等，由于安装设备相对多而超导回旋加速器自身尺寸又相对其它回旋加速器尺寸小，所以加速器盖板内就显得非常拥挤、安装空间很小，因此，在高磁场环境里狭小的安装空间内设计一套大推力的磁场调节棒驱动装置是一大难点。

现有技术解决大推力磁场调节棒驱动装置的办法，往往是通过增加磁场调节棒驱动装置的体积从而实现大推力，而对于狭小空间内实现大推力却无能为力。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种用于超导回旋加速器磁场调节棒的紧凑型驱动装置，目的在于解决狭小空间内实现大推力的问题。

本发明为解决其技术问题提出以下技术方案

一种用于超导回旋加速器磁场调节棒的紧凑型驱动装置，该紧凑型驱动装置竖直安装在超导回旋加速器盖板的狭窄空间内、用于连接和带动盖板上的磁场调节棒上下往复运动；该紧凑型驱动装置为细长形状，从上到下包括驱动装置、磁屏蔽体、限位装置、位置反馈装置、磁场调节棒支架主体；驱动装置由上端的步进电机、下端的精密直线执行器和中间的联轴器构成，下端的精密直线执行器连接磁场调节棒，步进电机位于磁屏蔽体内部，可以有效减少外部磁场对步进电机工作影响；所述精密直线执行器用于将步进电机的旋转运动转化为直线运动，从而带动磁场调节棒进行上下往复运动；

其特点是：所述步进电机和连轴器之间还设有减速机，减速机用于增加小尺寸步进电机的扭矩、在不降低所述驱动装置3200N大推力情况下，缩小所述步进电机的体积；所述减速机、精密直线执行器、步进电机各自的宽度约为细长形状的紧凑型驱动装置安装空间宽度的一半。

所述狭窄空间内安装的紧凑型驱动装置安装空间高度为70厘米、宽度为9厘米，所述减速机、精密直线执行器、步进电机的正方形边长为4.2厘米。

所述磁屏蔽体为高导磁材料Q235A做成密闭的立方体，用于屏蔽外围磁场使步进电机正常工作。

所述限位装置，包括用于驱动装置电气行程极限保护的限位开关、用于触发限位开关的限位触发块、用于防止限位开关失效驱动装置继续运行的硬上限位块、硬下限位块、上限位开关支架、下限位开关支架、内六角圆柱头螺钉构成；限位开关用于驱动装置电气行程极限保护；上限位开关通过内六角圆柱头螺钉固定限位开关支架上，可以上下移动从而根据需要灵活设置电气极限行程；限位触发块安装在本发明的驱动装置上往返运动用于触发限位开关；硬上限位块和硬下限位块安装在磁场调节棒支架主体上，用于防止限位开关失效驱动装置继续运行而损坏加速器主体设备。

所述位置反馈装置包括线性电子尺、电子尺垫板、固定卡、内六角圆柱头螺钉构成；线性电子尺和电子尺垫板通过固定卡和内六角圆柱头螺钉入定在磁场调节棒支架主体上，线性电子尺截面积1.5平方厘米、采用德国Novotecnik公司的高精度线性传感器，可以用于强磁场、强电离辐射等特殊环境内；电子尺垫板将线性电子尺垫高，保持电子尺拉杆不变形；所述固定卡，用于固定所述线性电子尺，并且可以灵活调节所述线性电子尺的位置。

所述磁场调节棒支架主体用于固定所述驱动装置、磁屏蔽体、限位装置、位置反馈装置，并将它们组装为一整体磁场调节棒的紧凑型驱动装置，并通过所述磁场调节棒支架主体固定安装在超导回旋加速器盖板上。

本发明的优点效果

本发明通过在步进电机和精密直线执行器之间增加减速机、通过将只有4.2厘米边宽的步进电机、减速机、精密直线执行器、以及将只有1.5平方厘米截面积的线性电子尺相结合，解决了在狭窄空间实现大推力的新问题。以上各个部分相互支持和相互依赖取得的效果要比组合以前各部分单独的效果要优越得多：如果没有极小尺寸的减速机，步进电机的尺寸一定降不下来；如果没有极小尺寸和高精度的精密直线执行器和减速机、以及步进电机相配合，同样不能解决狭窄空间大推力的问题；如果没有1.5平方厘米截面积的高精度线性电子尺相配合，则尽管减速机、步进电机、精密直线执行器的尺寸已经降低到不足整体宽度的一半，但因为其周围的设备诸如线性尺的尺寸降低不到限定范围，则整体组装后的尺寸或者超出9厘米的宽度范围，或者因为小尺寸电子尺的精度不够，同样不能实现高精度的磁场调节棒的位置测量。本发明各个部分相互依赖相互依存，取得了突出的实质性进步和显著的效果，解决了现有技术对于狭小空间内实现大推力却无能为力的问题。

附图说明

图1为紧凑型驱动装置前视图；

图2为紧凑型驱动装置剖视图；

图3为紧凑型驱动装置后视图；

图4为紧凑型驱动装置立体图；

图5为驱动装置示意图；

图中：1：磁场调节棒支架主体；2：下限位柱A；3：延长杆；4：端部支撑件；5：脚座安装底座；6：限位支杆；7：行程开关支架A；8：行程开关支架B；9：触发块；10：电位器垫板；11：限位块；12：传动轴；13：电动缸上法兰A；14：电动缸上法兰B；15：电机支架；16：磁屏蔽体；17：航空插头座；18：线性电位计；19：精密直线执行器；20：步进电机；20-1：减速机；21：联轴器；22：欧姆龙行程开关；

23：内六角圆柱头螺钉M5×20；24：平垫圈倒角型A级5；25：内六角圆柱头螺钉M4×8；26：内六角圆柱头螺钉M4×25；27：内六角圆柱头螺钉M5×12；28：内六角圆柱头螺钉M5×16；29：内六角平圆头螺钉M4×10；30：内六角平端紧定螺钉M5×10；31：内六角圆柱头螺钉M3×25；32：内六角圆柱头螺钉M4×16；33：内六角沉头螺钉M5×20；34：内六角圆柱头螺钉M5×40；35：毡圈油封30；36：内六角圆柱头螺钉M5×10。

具体实施方式

本发明设计原理

1、常规状态下步进电机和精密直线执行器直接连接。精密直线执行器用于将步进电机的旋转运动转化为直线运动，电机一般每分钟转速几百转，不论电机每分钟转速多少，精密直线执行器均能够适应电机的转速。当电机转速块时，精密直线执行器带动磁场调节棒上下运动的速度就快，反之就慢，因此，常规情况下在步进电机和精密直线执行器之间无需增加减速机。

2、用减速机弥补狭窄空间小型电机达不到大推力的问题。本发明在常规作法的步进电机和精密直线执行器之间增加了一个减速机，减速机的用途和常规减速机用途不同：减速机的常规用途除了用于减速，还用于汽车爬坡时为了克服爬坡时增大的阻力而增大扭矩，此时使用减速机不是要减小汽车发动机的尺寸而是通过增大扭矩力克服汽车爬坡带来的新增加的阻力。本发明中减速机用途不同，虽然仍然是利用增大扭矩力的功能，但不是用于克服阻力而是去弥补狭窄空间电机尺寸非常小导致功率减小不能实现大推力的问题。

3、本发明对磁场调节棒运动速度要求不高但对于大推力要求很高：磁场调节棒在磁场中运动的方向和磁场力的方向是相反的，其运动过程中受到的磁场的阻力非常强、达到3200N。因而可以牺牲一点速度而满足大推力的要求。当电机通过减速机减速以后，连接磁场调节棒的精密直线电机带动磁场调节棒的速度也会相应减小，因为本发明磁场调节棒调节磁场只是每天才调节一次，速度快一点和速度慢一点均是可以接受的，而通过降低速度达到大推力的要求才是目标。

4、线性电子尺截面积和狭小空间的配合。线性电子尺精度非常关键，其精度的优劣直接影响场调节棒位置的测量，既要选择小电子尺又要选择精度高的电子尺，才能适应本发明超导回旋加速器的高精度需要。本发明选择德国Novotecnik公司的高精度线性传感器，线性电子尺截面积只有1.5平方厘米，满足了极小空间安装和高精度的需求。

基于以上原理，本发明设计了一种用于超导回旋加速器磁场调节棒的紧凑型驱动装置如图2所示。

一种用于超导回旋加速器磁场调节棒的紧凑型驱动装置，该紧凑型驱动装置竖直安装在超导回旋加速器盖板的狭窄空间内、用于连接和带动盖板上的磁场调节棒上下往复运动；该紧凑型驱动装置为细长形状，从上到下包括驱动装置(19；20；20-1；21)、磁屏蔽体16、限位装置、位置反馈装置、磁场调节棒支架主体1；驱动装置由上端的步进电机20、下端的精密直线执行器19和中间的联轴器21构成，下端的精密直线执行器19连接磁场调节棒，步进电机20位于磁屏蔽体16内部，可以有效减少外部磁场对步进电机20工作影响；

其特点是：所述步进电机20和连轴器21之间还设有减速机20-1(如图5所示)，减速机20-1用于增加小尺寸步进电机的扭矩、在不降低所述驱动装置3200N大推力情况下，缩小所述步进电机的体积；所述减速机20-1、精密直线执行器19、步进电机20-1各自的宽度约为细长形状的紧凑型驱动装置安装空间宽度的一半。

所述狭窄空间内安装的紧凑型驱动装置安装空间高度为70厘米、宽度为9厘米，所述减速机20-1、精密直线执行器19、步进电机20的正方形边长为4.2厘米。

所述磁屏蔽体16如图2所示，为高导磁材料Q235A做成密闭的立方体，用于屏蔽外围磁场使步进电机正常工作。

所述限位装置，包括用于驱动装置电气行程极限保护的限位开关22、用于触发限位开关的限位触发块9、用于防止限位开关失效驱动装置继续运行的硬上限位块11、硬下限位块2、上限位开关支架8、下限位开关支架7、内六角圆柱头螺钉构成；限位开关22用于驱动装置电气行程极限保护；上限位开关22通过内六角圆柱头螺钉26固定限位开关支架7、8上，可以上下移动从而根据需要灵活设置电气极限行程；内六角圆柱头螺钉26规格为M4*25,满足GB/T 70.1-2000标准；限位触发块9安装在本发明的驱动装置上往返运动用于触发限位开关22；硬上限位块11和硬下限位块2安装在磁场调节棒支架主体1上，用于防止限位开关失效驱动装置继续运行而损坏加速器主体设备。

位置反馈装置如图2所示，包括线性电子尺18、电子尺垫板10、固定卡、内六角圆柱头螺钉构成；线性电子尺18和电子尺垫板10通过固定卡和内六角圆柱头螺钉入定在磁场调节棒支架主体1上，线性电子尺18截面积1.5平方厘米、采用德国Novotecnik公司的高精度线性传感器，可以用于强磁场、强电离辐射等特殊环境内；电子尺垫板10将线性电子尺垫高，保持电子尺拉杆不变形；所述固定卡，用于固定所述线性电子尺18，并且可以灵活调节所述线性电子尺18的位置。

实施例

中国原子能科学研究院正在研制我国具有自主知识产权的一台230MeV医用超导回旋加速器，用于癌症治疗。磁场调节棒在加速器主磁铁中精确运动对于加速器调试运行起到极其重要的作用。230MeV超导回旋加速器采用两组磁场调节棒(共16个)作为束流对中调节器，分别置于中心区(8个，上下磁极各4根)和引出区(8个，上下磁极各4根)。运动驱动机构工作区域的漏磁场非常强；驱动机构安装空间非常狭小，仅φ90mm；加速器中心磁场达到2.35T，调节棒在磁场中移动时会受到阻碍相对运动的磁场力作用非常强达到3200N。

该驱动系统的发明，克服了在强电离辐射、高磁场强度、狭小安装空间的特殊环境中达到大推力、高定位精度和高重复精度的难点，对优化束流的径向进动，减小加速区域的相干振荡振幅，提高引出区的束流引出效率等具有重要意义。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本实用发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。