BEPCⅡ超导高频腔输入耦合器结构及特性研究

在高频加速系统中, 加速腔的输入耦合器是至关重要的部分之一, 其性能直接影响高频功率的耦合和加速腔的特性. 北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCⅡ)中的高频系统中, 超导高频加速腔采用的是同轴天线型功率输入耦合器, 这是首次在国内采用的500MHz频率的大功率耦合器. 本文中对这种超导腔耦合器的二次电子倍增效应情况、传输系数、热分布情况三方面的特性进行了研究. 研究结果表明, 耦合器在多个功率点存在二次电子倍增效应, 必需采取相应的措施来改善其对耦合器的不利影响; 通过对耦合器结构尺寸的优化使其在BEPCⅡ工作频率(499.8MHz)下能更有效地传输功率; 通过模拟计算, 得到了耦合器内外导体的热分布图象, 为校核和改进冷却设计和布局的合理性提供了重要的依据.     

BEPCⅡ高频系统的建造

北京正负电子对撞机二期(BEPCⅡ)的高频系统已于2006年11月投入运行,它包括了3个子系统:超导腔、发射机和低电平控制系统.与以前的高频系统相比,工作频率由200MHz变为499.8MHz,超导腔取代了常温腔.在过去一年的运行中,高频系统表现良好,达到了设计指标.     

BEPCⅡ高频发射机和环流器的调整和测试

北京正负电子对撞机升级改造工程(BEPCⅡ)将采用的频率500MHz、输出功率250kW的高频发射机和环流器已安装、调整、测试和验收完毕,这是国内建立的第一套500MHz/250kW发射机系统.本文将详细介绍机器的调测试的原理和各项测量内容及结果, 并比较设计指标和要求,来阐述此发射机的实际技术指标和测试性能.     

国内首次超导高频系统束流调试及高功率试验

2004-2007年BEPC高频系统从常温腔改建到超导腔,逐渐解决了改频的物理问题和超导技术的工程难题,实现了与国际先进技术接轨,并按期保质完成了工程、调束任务.高频系统是BEPCⅡ工程首个吸收国外超导技术、自主完成集成和调试成功的大型装置;2006年7月国内首次超导高频大功率试验成功;2006年11月完成系统联调,按期投入BEPCⅡ首轮调束;同年12月首次投入同步辐射运行;2007年2至5月,东、西两套超导高频系统在1MV以上的加速电压均已实现正/负电子1.89GeV注入积累和110/114mA对撞;在同步辐射运行中,逐渐达到2.5GeV/250mA、束流功率100kw,接近国外同类机器水平;束流试验证明两套高频系统的各类参数标定和测量值与理论设计吻合.10个月运行表明系统可靠.本文对BEPCⅡ高频系统的束流联调和高功率试验做简要描述.     

BEPCⅡ超导腔高次模阻抗抑制优化研究

BEPCⅡ500MHz超导腔是BEPCⅡ储存环的关键设备,腔中高次模的分布和阻抗将很大程度上直接影响束流的稳定.因此,研究BEPCⅡ超导腔的高次模分布和高次模吸收器的吸收效果对实现BEPCⅡ指标至关重要.为此,通过改变高次模吸收器的位置、铁氧体吸收材料的长度、厚度以及腔的渐变过渡波导的角度等对BEPCⅡ超导腔高次模阻抗抑制进行了模拟优化研究,从而找到并确定了吸收器对高次模阻抗抑制的最优值.同时,为证实模拟计算结果的正确性,对BEPCⅡ超导模型腔进行了高次模分布和吸收测量,得到了与计算一致的结果.结果表明,经过细致优化腔的高次模吸收器,腔中大部分高次模被深度吸收了,那些具有潜在危险的高次模阻抗值降到了阈值以下,满足BEPCⅡ束流阻抗要求     

BEPCⅡ冲击磁铁的设计和样机研制

由于BEPCⅡ储存环注入系统对冲击磁铁的设计要求比较高，国际上现有的两种低束流阻抗的冲击磁铁方案都不能完全满足其要求. 本文提出的一种新型冲击磁铁方案解决了BEPCⅡ冲击磁铁的设计难题，并且通过样机的成功研制，证明了这种方案对于BEPCⅡ来说是可行的，结构和工艺设计是合理的.     

SSRF高频低电平系统

整个高频系统包括谐振加速腔、高频功率源和180kW发射机、低电平控制与连锁保护.高频工作频率为499.65MHz.SSRF 500MHz低电平控制系统由信号源、反馈控制回路(频率调谐环路、相位控制环路、幅度控制环路)和连锁保护等构成.加速器高频腔控制系统的稳定性是加速器设计中一项重要指标,特别是在高流强条件下,更是对高频的稳定性提出了较高的要求.如何在加速器中合理地利用先进技术,是整机工作在稳定可靠而又易于控制的状态是低电平系统分析与设计的任务.由于高频系统庞大,低电平控制的对象复杂,作为加速器高频系统中的控制,无论其基础理论还是电子线路,在其各自的领域中都属于比较成熟的东西,但将他们结合起来,组成一个系统并要求系统性能最优,也有一些特殊的难度和要求.例如强束流与加速腔之间的耦合,用腔到束流的传递函数来描述,都是其他系统控制领域中所没有的问题,又要考虑几百千瓦的微波功率器件,它们之间还存在着复杂的耦合,这都增加了系统设计的难度.同时各种回路组成系统时,随机产生的干扰信号也是必须考虑的因素.SSRF系统对低电平控制的要求:1)使各腔间电压相位一致;2)使总加速电压和幅度稳定;3)使腔的频率正确调谐;4)发生异常状态时,保证设备的安全连锁.本文介绍了这个系统的构成和原理、技术指标、安装调试和测试结果     

国内首次超导高频系统束流调试及高功率试验

2004—2007年BEPC高频系统从常温腔改建到超导腔, 逐渐解决了改频的物理问题和超导技术的工程难题, 实现了与国际先进技术接轨, 并按期保质完成了工程、调束任务. 高频系统是BEPCⅡ工程首个吸收国外超导技术、自主完成集成和调试成功的大型装置; 2006年7月国内首次超导高频大功率试验成功; 2006年11月完成系统联调, 按期投入BEPCⅡ首轮调束; 同年12月首次投入同步辐射运行; 2007年2至5月, 东、西两套超导高频系统在1MV以上的加速电压均已实现正/负电子1.89GeV注入积累和110/114mA对撞; 在同步辐射运行中, 逐渐达到2.5GeV/250mA、束流功率100kW, 接近国外同类机器水平; 束流试验证明两套高频系统的     

ADS注入器Ⅰ高频四极场功率源系统研制

ADS注入器Ⅰ高频四极场(RFQ)功率源系统将为325MHz RFQ提供连续波功率,使束流离开RFQ时,其能量达到几MeV。功率源系统除了补偿RFQ腔耗外,还必须提供足够的功率以保证RFQ中的加速电场。ADS注入器ⅠRFQ功率源系统主要包括600kW连续波速调管、80kV/18A基于脉冲步进调制技术的PSM电源、环流器以及相应的波导传输系统等。根据ADS总体指标和RFQ的相关技术参数,提出了功率源的总体布局、技术指标以及设计要求等,在此基础上完成系统安装与调试,并通过专家组测试与验收。     

BEPCII储存环加速器物理问题研究

北京正负电子对撞机改进工程—BEPCⅡ, 已经完成其设计阶段, 并处于建造过程中. 系统回顾了BEPCⅡ储存环的设计, 系统总结了设计中的加速器物理问题.     

ADS注入器Ⅰ高频四极场功率源系统研制

ADS注入器Ⅰ高频四极场(RFQ)功率源系统将为325 MHz RFQ提供连续波功率,使束流离开RFQ时,其能量达到几MeV。功率源系统除了补偿RFQ腔耗外,还必须提供足够的功率以保证RFQ中的加速电场。ADS注入器Ⅰ RFQ功率源系统主要包括600 kW连续波速调管、80 kV/18 A基于脉冲步进调制技术的PSM电源、环流器以及相应的波导传输系统等。根据ADS总体指标和RFQ的相关技术参数,提出了功率源的总体布局、技术指标以及设计要求等,在此基础上完成系统安装与调试,并通过专家组测试与验收。     

571.2MHz次谐波聚束腔的高频电磁场效应

高频谐振腔中的电磁场通常以两种方式影响谐振腔的特性. 一种方式是通过作用在谐振腔内壁上的高频热, 这主要 由高频功率的欧姆损耗导致; 另一种方式是通过作用在谐振腔内壁上的洛仑兹力, 这主要由谐振腔内壁上的面电流 和面电荷导致. 联合使用有限差分软件Superfish和有限元软件ANSYS，本文对571.2MHz次谐波聚束腔中的高频电磁场 效应进行了研究. 此外, 本文还对BEPCⅡ未来预注入器第1个次谐波聚束腔中的高频热效应进行了讨论.     

上海光源储存环高频功率源

上海光源(SSRF)是一台能量为3.5GeV的中能第三代光源.储存环的设计束流是300mA,总的束流功率约625kW,借鉴国际先进经验,从THALES等公司引进500MHz 300kW(cw)高频发射机(包括速调管和相应的PSM型电源)及350kW(Cw)环流器等作为三套高频功率源的主体,一一供给三套超导高频腔,加速电子以补偿其同步辐射以及其他功率损耗.近一年来我们完成了储存环高频厅和其水冷、风冷、配电系统的建设,台速调管的制造厂验收测试,三套发射机的就位安装和调试,第一套发射机的现场验收测试,第一台环流器的安装和高功率验收测试,第一套高频功率源的高功率传输系统在不同反射相位下的满功率老炼.第二、三套发射机的现场验收测试正在进行中,预计10月份全·部完成.迄今为止所有的验收项目均达到技术指标.本文简要地叙述了SSRF高频功率源的选型、技术指标、设计方案、总体布局,重点介绍了现场验收测试的结果.     

上海光源储存环高频功率源

上海光源(SSRF)是一台能量为3.5GeV的中能第三代光源. 储存环的设计束流是300mA, 总的束流功率约625kW, 借鉴国际先进经验, 从THALES等公司引进500MHz 300kW (CW)高频发射机(包括速调管和相应的PSM型电源)及350kW (CW)环流器等作为三套高频功率源的主体, 一一供给三套超导高频腔, 加速电子以补偿其同步辐射以及其他功率损耗. 近一年来我们完成了储存环高频厅和其水冷、风冷、配电系统的建设, 4台速调管的制造厂验收测试, 三套发射机的就位安装和调试, 第一套发射机的现场验收测试, 第一台环流器的安装和高功率验收测试, 第一套高频功率源的高功率传输系统在不同反射相位下的满功率老炼. 第二、三套发射机的现场验收测试正在进行中, 预计10月份全部完成. 迄今为止所有的验收项目均达到技术指标. 本文简要地叙述了SSRF高频功率源的选型、技术指标、设计方案、总体布局, 重点介绍了现场验收测试的结果.     

BEPC Ⅱ氦低温系统的初步设计

低温超导技术将应用于第二代北京正负电子对撞机(BEPC Ⅱ).文中所设计的大型氦低温系统将为第二代北京正负电子对撞机的三个磁体:超导螺线管磁体、插入四极铁磁体和高频超导腔磁体提供4.5K下800W的冷量和60.0L/h的液氦产量.由于每个用户都有其特定的工作要求,该系统为每个用户配置一个控制杜瓦,以满足磁体的工作要求.     

BEPCⅡ直线加速器重大改造和束流调试进展

BEPCⅡ直线加速器的重大改造旨在获得高流强、小发射度和小能散的正负电子束, 以满足对撞机亮度提高两个两级的要求. 这对直线加速器各系统和束流物理是一个挑战. 文章介绍了直接决定束流性能的新电子源、新正电子源、新微波功率源、相位控制系统和束流测量系统等的改造情况; 叙述了束流物理研究; 介绍了束流调试进展情况和进一步改进计划.     

BEPCⅡ直线注入器重大改进进展

BEPCⅡ是“工厂”型的高亮度正负电子对撞机.它要求其直线注入器提供高能(1.89GeV)和强流(40mAe+,30 0mAe- )的正负电子束以实现全能量注入和高注入速率(5 0mA/min .e+) ,并要求直线注入器出口正负电子束的发射度低(1.6πmm·mrade+,0.2πmm·mrade- )、能散小(±0.5 % )以满足储存环接受度的要求.因此,必须对现有BEPC的直线注入器作重大改进,包括新电子枪及其束流调整系统、新正电子源及其磁号装置、新微波功率源及其相位控制系统、新的束流轨道和光路调整系统等.这些新系统和装置大多已完成了设计、研制、测试和试组装等,将在今年的春夏安装于隧道,并期望在年底前获得正负电子束.     

采用直接数字频率合成器混频信号的高频功率源设计

 提取直接数字频率合成器芯片AD9850输出的混频信号作为系统的频率源,介绍了高频功率源的结构和原理。系统的工作频率范围为(96±1) MHz,最大输出功率为10 kW。驱动级采用MOSFET晶体管功率放大模块,末级采用高频真空四极管4CW10000B。四极管采用阴地电路,工作在甲乙类。高频功率源采用压控可变衰减器进行幅度调制,为满足系统的频率和幅值稳定度要求,功率源采用带温度补偿的晶体振荡器,并让四极管工作在过压状态。在应用Ziegler-Nichols法整定控制器的PID参数时,为实现控制系统的在线自整定,系统采用了继电反馈法,由极限周期和增益得出PID参数。     

BEPCⅡ直线加速器的束流调试和稳定运行

BEPCⅡ重大改造工程要求将对撞机的峰值亮度提高近百倍,并具有高积分亮度,为此必须对作为注入器的直线加速器进行重大改造,提供高能、强流、小发射度和小能散度的正负电子束,达到高注入速率(正电子50mA/min.)的要求.这对直线加速器各系统和束流调试是一个挑战.在成功建造了新电子源、新正电子源、新微波功率源、相位控制系统和束流轨道测量系统等的基础上,着重叙述了束流参数的调试结果,束流能量、能散度、发射度、传输效率均达到(或优于)设计指标.描述了束流参数稳定性的研究、改进和成功地达到稳定运行.最后简述了新建中的次谐波聚束系统,以进一步提高束流性能和注入速率.     

BEPCⅡ直线加速器的束流调试和稳定运行

BEPCⅡ重大改造工程要求将对撞机的峰值亮度提高近百倍, 并具有高积分亮度, 为此必须对作为注入器的直线加速器进行重大改造, 提供高能、强流、小发射度和小能散度的正负电子束, 达到高注入速率(正电子50mA/min.)的要求. 这对直线加速器各系统和束流调试是一个挑战. 在成功建造了新电子源、新正电子源、新微波功率源、相位控制系统和束流轨道测量系统等的基础上, 着重叙述了束流参数的调试结果, 束流能量、能散度、发射度、传输效率均达到(或优于)设计指标. 描述了束流参数稳定性的研究、改进和成功地达到稳定运行. 最后简述了新建中的次谐波聚束系统, 以进一步提高束流性能和注入速率.