BEPCⅡ超导腔静态热负荷和无载品质因数Q0的测量

超导腔的静态热负荷和无载品质因数是表征超导腔低温恒温器以及超导铌腔性能好坏的最重要参数.BEPCⅡ超导腔采用的是液氦浸泡冷却方式,对两个超导腔在测试站分别进行了降温调试,在超导腔达到超导状态并稳定运行后,对其静态热损耗进行了测定.此外,超导腔Qo 的测量主要是采用热力学的方法测量其高频损耗然后经计算得出Qo.介绍了BEPCⅡ超导腔静态热负荷和无载品质因数的测量原理及方法,并且给出了两个超导腔在不同高频加速电压下的测试结果.此测试结果已作为BEPCⅡ超导腔验收测试的重要依据.     

BEPCⅡ超导腔静态热负荷和无载品质因数Q_0的测量

超导腔的静态热负荷和无载品质因数是表征超导腔低温恒温器以及超导铌腔性能好坏的最重要参数.BEPCⅡ超导腔采用的是液氨浸泡冷却方式,对两个超导腔在测试站分别进行了降温调试,在超导腔达到超导状态并稳定运行后,对其静态热损耗进行了测定.此外,超导腔Q_0的测量主要是采用热力学的方法测量其高频损耗然后经计算得出Q_0.介绍了BEPCⅡ超导腔静态热负荷和无载品质因数的测量原理及方法,并且给出了两个超导腔在不同高频加速电压下的测试结果.此测试结果已作为BEPCⅡ超导腔验收测试的重要依据.     

低温二次电子产额测试系统设计与研究

在合肥先进光源（HALF）建设中,由低温超导材料组成的真空部件被大量使用,尤其是超导高频腔。超导腔以高加速梯度、低束流阻抗、高无载品质因数和低运行成本等特点,成为21世纪国际上拟建的大型加速器的首选。而超导腔和低温真空室内表面的二次电子发射可能会引发电子云（EC）现象。超剂量的二次电子倍增功率沉积会引起低温区域热负载增加、超导腔失超等现象,因此降低超导高频腔内二次电子发射成为合肥先进光源设计过程中的巨大挑战。在常温材料二次电子产额（SEY）测试系统的基础上,作者自主研发设计低温样品架结构,使液氦流经样品台并通过热传导冷却样品,计算漏热来反推所需要的制冷量和液氦的消耗速率。在系统集成调试后进行降温性能测试,搭建了低温材料二次电子测试系统。     

BEPCⅡ超导腔静态热负荷和无载品质因数Q0的测量

超导腔的静态热负荷和无载品质因数是表征超导腔低温恒温器以及超导铌腔性能好坏的最重要参数. BEPCⅡ超导腔采用的是液氦浸泡冷却方式, 对两个超导腔在测试站分别进行了降温调试, 在超导腔达到超导状态并稳定运行后, 对其静态热损耗进行了测定. 此外, 超导腔Q₀的测量主要是采用热力学的方法测量其高频损耗然后经计算得出Q₀. 介绍了BEPCⅡ超导腔静态热负荷和无载品质因数的测量原理及方法, 并且给出了两个超导腔在不同高频加速电压下的测试结果. 此测试结果已作为BEPCⅡ超导腔验收测试的重要依据.     

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.     

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.     

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     

上海光源500MHz超导腔水平测试

上海光源是能量为3.5 GeV的第三代先进中能同步辐射光源,其储存环上安装了三台超导高频腔补偿电子因同步辐射等原因丢失的能量。为保障上海光源的长期稳定高效运行,中国科学院上海应用物理研究所和上海市低温超导高频腔技术重点实验室共同研制了具备低高次模损失参数和可承受更高入射功率的新型500 MHz超导腔,作为上海光源在线运行超导高频腔的备用腔。超导铌腔经低温垂直测试达到所需加速性能后,需要与高功率输入耦合器、高次模吸收器、低温恒温器等集成并完成水平测试,获得超导腔模组的加速性能、低温性能和真空性能。介绍了超导腔备用腔的研制、集成和测试过程,采用文丘里(Venturi)校准法获得模组的静态功耗反应模组的低温性能,并通过高功率测试获得了超导腔备用腔模组的加速性能。测试结果表明：自主研制的500 MHz超导腔备用腔满足上海光源的工作需求,在超导腔的加速腔压为2.0 MV时,无载品质因数为1.2×10⁹ @4.2 K,且低温模组的静态热损耗为36.1 W。     

BEPCⅡ高频功率源技术要求和设计

北京正负电子对撞机升级改造工程(BEPCⅡ)将采用频率为500MHz的高频系统取代现有的200MHz高频系统,其对撞模式的束流流强设计指标为0.91A, 这对高频功率源提出了很高的要求. 本文根据BEPCⅡ总体指标和高频系统的相关技术参数, 提出了其高频功率源的总体布局、技术指标和设计要求以及配套设施的设计方案,在此基础上我们已完成了第一套高频功率源的安装和调试, 并通过了专项和整机的测试验收.     

腔体双边二次电子倍增一阶与三阶模式瞬态特性对比

为评估高阶模式二次电子倍增对加速器射频腔动态建场过程的影响,采用蒙特卡罗与粒子模拟相结合的方法对金属无氧铜腔体双边二次电子倍增一阶与三阶模式的瞬态演化及饱和特性进行了数值模拟对比研究.研究结果表明:二次电子倍增过程中,二次电子数目、放电电流、放电功率、沉积功率随时间呈现以指数形式快速增长后趋于饱和振荡的物理规律;相对一阶模式,三阶模式的饱和值更低且上升时间更长.放电电流存在延时现象,由此引发了二次电子倍增过程中部分充电现象的出现.统计发现平均放电功率等于平均沉积功率,三阶模式的放电功率大约是一阶模式1%的水平,由此判断加速器腔体动态建场过程中高阶模式的影响较小.二次电子倍增过程中,一阶模式呈现单电子束团加速运动特性,而三阶模式则呈现加速/减速/加速及多电子束团相向运动的复杂特性;二次电子倍增进入饱和后,三阶模式的空间电荷效应明显弱于一阶模式.     

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.     

BEPCII超导腔高功率输入耦合器

北京正负电子对撞机重大改造工程（BEPCII）将采用超导高频系统,其超导高频加速腔采用同轴天线型高功率输入耦合器。在耦合器的设计中,理论模拟高功率输入耦合器的外部Q值非常重要,它可以为耦合器的优化设计、安装及测试提供理论参考依据。本文用一种时域分析的方法计算了BEPCII超导腔高功率输入耦合器的外部Q值,并与实验结果进行了对比,二者取得了良好的一致,误差度在10％以内。证明了该计算方法的正确性和可行性。同时,本文还对影响该耦合器外部Q值的几何参数进行了优化和研究。为同轴型高功率输入耦合器的设计提供了理论参考依据。     

325 MHz spoke腔的二次电子倍增效应

采用CST软件的粒子工作室模块, 对spoke超导腔中可能发生的二次电子倍增效应进行了分析研究,并采用二次电子倍增效应发生后形成稳定状态时的粒子数增长率来表征其强度。模拟计算表明：该腔存在两处二次电子倍增效应,spoke柱两端的两点一阶倍增; spoke腔两端侧壁与中心圆筒交界处的单点一阶倍增;二次电子倍增在加速腔压为0.65 MV时的增长率最高,而腔压大于1 MV时,增长率均为负,即无倍增发生。     

BEPCⅡ国产500 MHz超导腔运行综述

北京正负电子对撞机二期(BEPCⅡ),国产500 MHz超导腔经过紧张的安装调试于2017年10月正式投入带束流运行。首先对此国产超导腔两次降温调试的相关参数进行了监测和对比分析;其次研究了通过高功率老练的方法改善超导腔的品质因数,并实时监测超导腔老练过程中的辐射剂量;最后对超导腔的带束流运行情况进行了介绍分析。结果表明：BEPCⅡ国产500 MHz超导腔虽然放置了6年,但是状态良好,通过高功率老练能够降低超导腔的辐射剂量,改善其性能,完全满足束流运行要求。     

一种可调耦合度型高功率输入耦合器的设计

旨在设计一支新型、耦合度可调、连续波型高功率输入耦合器,外部品质因数的调节范围为1.5×10⁵~2×10⁶,以适应先进光源技术研发与测试平台超导电子直线加速器束流试验装置不同束流模式下的需要。这是国内首次开展耦合度可调式连续波型高功率输入耦合器的研制。采用HFSS三维电磁仿真软件完成了耦合器的高频结构设计,对耦合器的微波传输、场分布进行了计算;同时采用CST微波工作室对不同内导体天线插入深度下耦合器的外部品质因数进行了仿真计算,结合650 MHz 2单元超导腔进行了耦合度调节实验,仿真计算与实验测试结果基本一致。     

325MHz超导腔输入耦合器镀铜层厚度的实验研究

通过对工作在325 MHz、镀铜厚度分别为10,20,30μm的耦合器外导体进行高功率测试,研究了超导腔输入耦合器外导体内壁镀铜层厚度与漏热的依赖关系,目的在于寻找最优化的铜层厚度来降低超导腔输入耦合器的低温漏热。实验结果表明,20μm铜层的耦合器具有较低的动态损耗。综合考虑静态损耗与动态损耗,则20μm铜层厚度为最优化的铜层厚度。     

介质单边二次电子倍增的理论分析与数值模拟

 针对介质单边二次电子倍增现象,理论分析给出了其动力学方程、二次电子初始能量与角度分布,结合二次电子发射的材料特性,研究了二次电子倍增的理论预估敏感区间。利用蒙特卡罗方法抽样选取电子初始发射能量和角度,数值研究了二次电子倍增的敏感区间,并与理论结果进行了比对,给出了二次电子数目随时间的增长关系;采用固定时间步长并考虑电子束动态加载饱和效应的细致蒙特卡罗方法,研究了二次电子数目、直流场、射频场、介质表面沉积功率、电子放电功率、二次电子碰撞能量及电子渡越时间等二次电子倍增特性物理量的变化过程,并且讨论了初始电流及二次电子倍增工作点对二次电子倍增整个过程的影响作用,得出了二次电子倍增存在初始阈值发射电流密度的结论。     

介质单边二次电子倍增的理论分析与数值模拟

针对介质单边二次电子倍增现象,理论分析给出了其动力学方程、二次电子初始能量与角度分布,结合二次电子发射的材料特性,研究了二次电子倍增的理论预估敏感区间。利用蒙特卡罗方法抽样选取电子初始发射能量和角度,数值研究了二次电子倍增的敏感区间,并与理论结果进行了比对,给出了二次电子数目随时间的增长关系;采用固定时间步长并考虑电子束动态加载饱和效应的细致蒙特卡罗方法,研究了二次电子数目、直流场、射频场、介质表面沉积功率、电子放电功率、二次电子碰撞能量及电子渡越时间等二次电子倍增特性物理量的变化过程,并且讨论了初始电流及二次电子倍增工作点对二次电子倍增整个过程的影响作用,得出了二次电子倍增存在初始阈值发射电流密度的结论。     

材料二次电子产额对腔体双边二次电子倍增的影响

采用蒙特卡罗抽样与粒子模拟相结合的方法,数值研究了材料二次电子产额对腔体双边二次电子倍增瞬态演化及饱和特性的影响.研究发现:随着材料二次电子产额的增加,二次电子增长率以及稳态二次电子数目和振幅均呈现增加的趋势,放电电流起振时间逐步缩短,稳态电流幅值以及放电功率平均值和振幅值均呈现逐步增加并趋于饱和的规律,沉积功率波形延时以及脉宽呈现逐步增加并趋于饱和的趋势.粒子模拟给出了高/低二次电子产额情况下的电子相空间分布、电荷密度分布、平均碰撞能量、平均二次电子产额、二次电子数目和放电电流的细致物理图像.模拟结果表明:高二次电子产额材料,饱和时更倾向趋于单边二次电子倍增类型分布;低二次电子产额材料的二次电子倍增饱和特性由空间电荷场的"去群聚"效应和"反场"效应同时决定,而高二次电子产额材料的二次电子倍增饱和特性则主要是由发射面附近的强空间电荷场"反场"效应决定的.     

双边二次电子倍增效应分析

 根据高功率微波源相互作用腔结构,建立了一种双边二次电子倍增效应模型。采用概率统计和蒙特卡罗模拟方法,计算了敏感曲线和二次电子的时间演化规律,分析了射频场参数和结构参数对二次电子倍增效应的影响。结果表明：高频场比低频场更容易发生二次电子倍增效应;二次电子倍增效应的时间演化与射频场的大小和腔结构呈非单调关系,且电子掠入射时比正入射时的共振区域要大得多,这与理论分析的结果一致。