BEPCII初步方案设计Word格式文档下载.docx

BEPCII初步方案设计Word格式文档下载.docx

《BEPCII初步方案设计Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《BEPCII初步方案设计Word格式文档下载.docx（32页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

0.0235

0.0161

辐射损失

U0

KeV

121

336

寄生模损失

Uk

~14

（依赖填充模式）

谐波数

h

396

402

RF频率

frf

MHz

499.800

回旋频率

f0

1.262

1.243

同步振荡频率

fs

kHz

42.91

43.51

高频电压

Vrf

MV

1.5

3.0

纵向阻尼时间

τe

ms

12.5

6

束流功率

Pb

kW

123

84（不含寄生模）

3.4.1.1BEPCII对高频系统的要求

表2.4-2列出了在对撞模式下BEPCII总体设计对e+环和e-环的高频系统的要求,其主要参数与当今500MHZ射频超导最高技术水平相当,超导加速腔和约1A的重束流负载是这个系统的主要特征,建成后系统能否稳定运行是对设计和建造者的严峻挑战。

表2.4-2RF系统的设计要求

项目

要求

1

腔压

1.5MV

2

束流负载

功率123kW、

流强0.93A

3

HOM

4

相位

±

1o、

调节范围±

360o

5

幅度

1%

3.4.1.2技术方案

目前CESRc500MHz超导腔和KEKB508MHz超导腔电压的运行值由每腔1.4–1.8MV，每腔提供的束流功率在250kW以上。

BEPCII选择的设计运行值为1.5MV/腔，束流功率130kW，那么e+环和e-环各需1只超导加速腔即可,表2.4-3是RF系统主要技术参数。

为了建造符合要求的系统，同时促进国内先进加速器技术进步，主要借鉴国际国内的经验和商业产品的状况，基本的工程技术路线为：

购买两台250kW发射机，通过国际合作引进两台超导腔，低电平国内研制。

BEPCII工程中高频系统所担负的任务可概括为如下几点：

84.引进两个超导腔、建好测试基地和维护设施；

2.购买250kW功率源、完成配套设施；

3.研制低电平控制和保护设备；

4.系统调试运行。

表2.4-3RF系统主要参数

对撞模式RF系统的运行参数（e+环和e-环）

符号（单位）

数值

频率

frf（MHz）

499.8

腔压

Vc（MV）

能量损失/圈

Ub（keV）

135

Ib（mA）

Pb（kW）

同步相角

φs（Deg.）

174

加速腔数量

NC

速调管数量

NK

发射机功率

Pout（kW/Klystron）

同步光源运行模式RF系统的参数

2.0

84

167

500

系统稳定性

加速电压相位稳定度

∆φ（Deg.）

1.0

加速电压振幅稳定度

∆Va/Va（%）

1.0

3.4.2加速腔

图2.4-2CESRIII和KEKB超导腔

Cornell大学为CESRc发展的超导腔（图2.4-2上），目前常规运行的腔压1.8MV/腔，束流达到了700mA，并把技术转移到工业界（德国ACCEL公司），形成了交钥匙的商业产品。

与此同时，KEK为B粒子工厂发展研制的超导腔单元（主要部件由日本MELCO公司制造，图2.4-2下），已经历了两年多运行的考验，目前常规运行的腔压1.5MV/腔，束流达到了1.0A。

为了使KEK-B的508MHz的超导腔的技术用于BEPCII成为可能，IHEP加速器中心高频组在KEK专家的帮助下完成了改频设计，这个设计除了为适应BEPCII的工作频率、束流负载和安装条件而对其局部的设计进行了修改：

增加了腔子午线的直线段,减少了耦合器的长度,过渡段真空管道增加了光子吸收器，尽量保持了原有KEKB的508MHz的超导腔的成熟设计。

因此，目前世界范围内存在两种类型的性能优良的深度阻尼高阶模的500MHz的超导腔单元，可供BEPCII工程选用。

根据BEPCII的具体情况和国际上500MHz的超导腔技术状况我们提出了BEPCII所需超导腔的技术要求（表2.4-4）,作为招标和进一步的技术洽谈的基础，目前商务和技术方面的工作都在进行中。

随着各方面价格、工期和供货条件等信息的明了，不久工程指挥部将会同专家从工程和长远发展作出最佳的选择。

表2.4-4BEPCII超导腔的技术要求

RFproperties

Vacc>

2.0MV

Qo>

5.0108（atVacc=2.0MV）

Qextofinputcoupler1.710510%

Tuner499.80.2（withresolution5Hz）

RFlosses<

84W（atVacc=2.0MV）

PHOM>

7kW

PPick-Up~1W（atVacc=2.0MV）

Cryogenics

Cryostatpressurefluctuation3mbar（AtVacc=2.0MV）

Cryostatheliumlevelfluctuation1%（AtVacc=2.0MV）

Staticlosses<

35W

Highpowerwindow

Travelingwave300kW

Poweratfullreflection75kW（Cavityoffresonance）

Mechanical

HeightoftheCavityaxis1200mm

Precisionofpositonadjustement1mm

（inVerticalandHorizontal）

Totallength<

3435mm

Totalweight<

5000kg

Fabrication

NbMaterialRRR>

250

SurfacetreatmentfollowingtheprocedureofKEKBorCESR

Vacuumleakrates

Cavitytoambient<

2.010-10mbarl/Sec

Cavitytoheliumtank<

Cavitytoinsulationvacuum<

Insulationvacuumtoambient<

2.010-8mbarl/Sec

Heliumtanktoinsulationvacuum<

为了使系统在大束流负载条件下运行保持足够的安全空间，采取三项措施：

稍稍过耦合、预失谐小角度和高频反馈或纵向反馈。

在对撞模式下超导腔的设计运行参数列于表2.4-5中，对于同步模式单腔可满足运行要求，双腔运行时可适当降低腔压保持系统与束载的匹配，或采用大功率可调匹配波导元件。

表2.4-5超导腔的设计运行参数

说明

加速电压

Q0

~1.0×

109

for1.5MV/Cavity

QL

~1.7×

105

Pb,design=142.3kW

带宽

2.94

KHz

入射功率

127

对撞运行

反射功率

~4

84.95

Degree

调谐角

-84.22

调谐频率

-2.31

3.4.2.1安装位置和阻拦同步光

为了使BEPCII兼容两种运行模式，又保证超导腔有足够的维护空间，并且防止同步光直接照射腔的内壁，目前的放置方案如图2.4-3所示。

束流的上游采用了弱B铁，并安置了固定的挡光器，使达到真空过渡段侧壁的功率小于100W。

图2.4-3超导腔的位置和附近的磁铁、真空盒

3.4.2.2真空设备与要求

图2.4-4超导加速真空设备简图，包括：

分子泵一台，300L离子泵两台，VAT板阀两只，还有真空规（腔，窗和隔热），残余气体探头；

为了防止升温时内部压力过大加了保险放气阀。

由于超导腔工作在液氦温区，其周边真空环境对长期稳定运行十分重要。

按照KEK-B和CESR的经验，腔附近安装NEG泵增加对H2的抽速，我们须借鉴。

图2.4-4超导加速真空设备简图

3.4.2.3水冷

超导腔的偶合器,HOM吸收体和真空管道的挡光器需要冷却,图2.4-5为超导加速板腔水冷简图。

由于运行所需温度，压力与一次水不同，考虑又是关键贵重部件，设计采用独立的恒温水子系统。

图2.4-5超导腔水冷简图

3.4.3低温设备

整个高频系统包含两个超导腔（每环一个超导腔），运行时公用设施系统的低温工厂提供所需的液氦和液氮，两个超导腔的低温系统在液氦温度总的热负载约为391.2W（详见BEPCII共用设施低温系统），图2.4-6超导腔和相关的低温系统简图。

超导腔属薄壳结构对外界压力比较敏感，来自CESR的典型数据为1Bar的压力变化会导致250kHz的频偏，而BEPCII的超导腔带宽2.94kHz，因此大约的估计，1mBar压力变化将使腔产生7.7度的相移，1cm液面的起伏使压力变化0.12mBar；

参考国外同类设备的情况，BEPCII的要求为：

压力3mBar

液面高度1%

总热负载2W

系统运行时，压力传感器，PID控制单元和回气阀组成压力反馈控制回路；

液面计，PID控制单元和进液阀组成液面高度反馈控制回路；

另外，流量计，PID控制单元和回气阀组成反馈控制回路使输入耦合器的冷却气流保持稳定；

系统通过检测加速腔压反馈调节加热器使整个恒温器的热负载保持恒定，从而低温系统处于稳定负载的工作状态。

除了稳定运行的工作方式，系统在超导腔的降温，升温和测试时分别运行于相应工作方式，在失超等非正常状态发生时的特殊工作状态。

3.4.4功率源和波导馈送系统

500MHz速调管功率源是高频系统的一项关键设备，BEPC的经验表明高频系统的运行状态很大程度上决定于发射机的可靠性和稳定性。

因其技术要求高、耗资大、工期长、涉及面广，在BEPCII项目论证及初步设计中倍受领导和相关科研人员的关注和悉心研究。

3.4.4.1速调管发射机源的技术指标和要求

由BEPCII物理要求，E~1.89Gev，I~0.91A，单环同步辐射功率约为110kW，计入高次模及插入件损耗，束流总功率约为130kW，考虑到5%的传输损失和适当的功率裕度，速调管输出功率不应小于160kW。

对世界各速调管生产厂家的调研结果显示，就目前BEPCII的功率要求来说，180kW输出功率（46kV电源电压）的管子较为合适。

如果考虑今后的进一步发展，即束流流强或同步辐射运行模式要求提高，需要更多的高频功率，则可以选择更高一级输出功率的管子，即250kW（54kV电压）的管子。

我们根据国家大型项目招投标的有关规定对BEPCII高频功率源的发射机进行了世界范围的招标，目前招投标工作已完成，正在进行合同签订的最后工作。

根据中标公司——法国THALES公司的报价情况和设备的技术指标，我们将选择500MHz/250kW的速调管——TH2161A和相应的电源用于BEPCII工程，并在此基础上提出BEPCII高功率源设计方案及技术要求。

BEPCII是一台大型科研装置，其可靠性要求极高，通常每周工作7天，每天工作24小时，连续工作9个月的时间。

依据TH2161A大功率速调管和发射机电源的技术现状和国内外的机器运行经验，表2.4-6列出了BEPCII高频系统500MHz功率源性能要求。

表2.4-6BEPCII500MHz/250kW高频功率源性能要求

1．技术指标

中心频率

499.8MHz

3dB带宽

>

+/-1MHz

幅度偏差（频偏±

300kHz时）

≤0.3dB

RF功率输出（在环流器之后）

250kWCW

允许最大输出驻波比

RF输出波导

WR1800

固态放大器输入功率（输出功率20W）

≤2mW

RF输入阻抗

50Ω

速调管输入功率（输出功率180kW）

≤20W

输入电压驻波比

≤1.2

RF输入连接器

N型（female）

单一谐波的最大值（180kW输出）

-30dB

寄生发射包括交流声的最大值

（相对于180kW输出功率）

-46dB

HV电源关断时间

≤10ms

HV电源关断后释放到速调管的能量

≤10J

HV电源电压

0-50kV

HV电源电压精度

≤1%

HV电源谐波及噪声起伏

0.5%PP

HV电源寿命

10万小时

HV电源平均无故障运行时间

500小时

速调管保修时间

10000小时

电网电压偏差±

10%时，RF相位偏差

≤20°

速调管

THALES（TED）

2．电网条件

电压

3×

380V±

5%，1×

220V±

5%

谐波

<

50Hz±

3．环境条件

温度

5-40℃

湿度

≤95%

海拔

≤1000m

4．冷却方式

强迫水冷（鼓风机、空气过滤器、内部风管和水管、连锁和控制都并入功率源柜内）。

5．安全规范

本产品遵循安全规程IEC-215或相应的中华人民共和国国家标准或部颁标件。

在变压器和电容器内不允许用聚氯联苯，推荐使用无油的空气或环氧树脂绝缘的变压器。

X射线辐射

≤0.1μSv/h

RF辐射

≤0.1mW/cm

6.控制和状态采样

6.1本地

一面本地控制屏使功率源处于监测下运行。

功率源带有控制和联锁设备，其具有状态和故障指示的分立的连锁电平，此连锁电平能对全部电路和电压驻波比进行保护。

故障类型由自保、可复位的指示器来指示。

6.2远程监控

功率源将同BEPCII计算机控制系统联网，经本功率源的遥控接口可以远程监控本功率源的运行状态。

生产厂要提供接口的全部说明。

3.4.4.2速调管及电源和环流器等设备的选型

目前世界上生产500MHz高功率速调管的厂家共有两家：

法国THALES公司和日本TOSHIBA公司，国内目前尚无生产过500MHz/180kW/250kW速调管的厂家。

从类型上，发射机可分为全固态发射机和速调管发射机。

从目前的技术水平来看，全固态发射机仅有较低功率的（最大约20kW），且仅局限于电视发射领域。

所以，速调管发射机应是我们目前唯一的选择。

速调管高压电源又主要分为撬棒电路式的传统型电源和脉冲步进调制器（PSM）型电源。

前者撬棒式电源是过去普遍采用的，运行中容易出问题，是发射机最薄弱的环节，目前世界各实验室都尽量避免使用这种电源；

后者为将来普遍采用的新型电源，它是由许多模块堆积成的（例如，180kW/46kV的电源由68个模块组成），每个模块产生较低电压，如运行中个别模块出现问题将不影响速调管的运行，并且更换模块十分方便，属于世界先进水平。

所以，我们的宗旨是引进两台500MHz/250kWPSM型电源的速调管发射机用于BEPCII工程。

从目前调研情况来看，THALES公司生产的500MHz速调管发射机从技术和价格上占有一定的优势。

上海同步辐射装置（SSRF）已引进一台THALES500MHz/180Kw（TH2161）速调管发射机并做了长时间的运行测试，机器性能基本达到了设计要求。

THALES公司可提供整套的速调管、速调管电源和水负载。

表2.4-7列出了500MHz/250kW（TH2161A）速调管技术指标，图2.4-7是其侧视图。

发射机的馈送波导将选用美国DIELECTRIC公司的WR1800波导产品。

高功率环流器德国AFT公司的产品在世界占主导地位，表2.4-8列出了其技术参数。

BEPCII将根据国家有关规定通过招投标的方式来确定最终的环流器厂家。

表2.4-7TH2161A速调管技术参数

速调管工作频率:

速调管输出功率

250kW

管子带宽（-1dB）

1MHz

增益

40dB

效率

60%

阴极电压

-50kV

阴极电流

10A

阳极电压

35kV

表2.4-8AFT公司250kW环流器技术参数

中心工作频率:

2%

正向通过功率

250kW

反向承受功率

300kW

隔离度

26dB

中心工作频率

插入损耗

0.10dB

0.15dB

带宽内

图2.4-7PSMHV电源和控制柜（左）TH2161速调管侧视图（右）

3.4.4.3现有设施的改造与重建

BEPCII500MHz速调管系统对现有的配电、水冷、风冷系统及发射机大厅提出了新的要求，分别叙述如下：

（3）发射机大厅

目前高频系统有东、西两个发射机大厅，每厅面积约100m2，足以放置一部500MHz/250kW速调管发射机，按BEPCII初步方案，先拆掉一个厅（目前确定为高频西厅）里的4部老发射机。

我们初步设计了一个发射机及相关设施的布局图（图2.4-8）。

并通过与速调管电源厂家协商确定了电源的安装方式，解决了电源大厅的高度难题。

速调管电源的安装时，先固定变压器再采用平移方法安装电源外罩，从而替代过去自上而下的吊装方式，这样，可不必安装天车，既省时又省工，尤其是在停机安装时间短的情况下。

另外，发射机走线地槽和地线布局应根据新机器的特点重新考虑（待厂家最后设计报告评审通过后）。

通向超导腔的功率馈管的走向和通道孔需重新设计和施工，施工设计方案需与总师和基建的同志共同商定。

计划中的超导腔水平测试及维修间的建造及被测腔的功率馈送等细节应与发射机大厅改造和机器馈线安装共同考虑。

（2）冷却水系统

目前的200MHz四极管发射机冷却水系统从流量和压力来看，不能满足将来500MHz发射机的要求，需要重新布局冷却水路，提高流量、水压和水质。

此项工程工作量较大，具体要求要根据厂家的最后设计报告所确定的内容提出，并与总师及相关人员讨论确定。

另外，流量计的选择因其价格较高需要重点考虑，细节将以专题报告的形式提出。

图2.4-8250kW高频功率源系统布局（西厅）

（3）配电系统

目前两厅的BEPC发射机使用的配电系统为<

380V/1200A。

若继续用于两部500MHz的发射机，则每部分别为<

380V/600A，不能满足配电要求，并且现有的配电设备均已使用了10年以上，可靠性及先进性均无法谈及。

所以在500MHz发射机定货的同时，应开始着手改造两厅的总配电柜及两厅的分柜。

SSRF已购进的新配电柜性能指标满足THALESTH2161/500MHz/180kW发射机的要求，并已良好地用于机器的运行，可作为BEPCII的选择参考。

在更换配电系统的同时，为不影响BEPC机器运行，可将东厅4部发射机的供电系统略加改造，照常使用，直至第二部500MHz新机器替代之。

发射机有一定的环境要求，仍需视具体的机器而定。

但目前我们现有的空调设备基本上满足各类500MHz/250kW发射机的要求。

3.4.5低电平控制系统

低电平控制子系统实现系统的反馈控制和安全连锁快速保护功能，主要由信号源，联锁保护线路和几个反馈控制回路组成，表2.4-9LLRF的主要技术指标，如图2.4-9所示为低电平控制系统原理图，表2.4-10LLRF设备列表。

各回路功能描述如下：

表2.4-9LLRF的主要技术指标

序号

技术指标

联锁保护

响应时间<

10ms

相环

环路扑捉带±

45度，恢复时间<

2ms，开环增益>

40db,环路放大器的带宽在1－10khz范围内可调，在20db功率的动态变化范围内，闭环反馈控制精度好于±

1度。

幅环

对50％的阶跃误差，恢复时间<

1％。

自动调谐

45度，调谐范围400khz,调谐精度10Khz，带宽>

50Hz

纵向反馈

同步振荡抑至20db以上。

表2.4-10LLRF设备列表

名称

功能

主路信号链元件

环路间的电平，相位匹配与信号隔离，控制元件,检测信号提取

AGCforKlystron

速调管自动增益控制

PLLforKlystron

速调管锁相环

ALCforVc

加速电压自动电平控制

PLLforVc

加速电压锁相