BEPCII初步方案设计

1、北京正负电子对撞机重大改造工程初步设计3.4高頻系统3.4.1概述高频系统是电子储存环的基本组成部分，发射机将来自电网的电能转变为 微波，经波导传输馈入谐振加速腔，在腔中建立起加速电压，当电子穿越加速腔时就获得了动能。因此高频系统好比汽车的发动机，源源不断的为束流补充能 量损失。同时，射频加速场、同步辐射和色散效应一起决定了束团纵向基本特 征。BEPC升级改造项目（BEPCII）是一台双环高亮度正负电子对撞机和兼容模 式下的同步光源。原有高频的设备已不能满足 BEPCII在腔压，功率和高阶模方 面的要求，为此BEPC现有的高频系统将进行全面的更新。新系统将采用国际 上应用占主流的500 MHz

2、工作频率取代原有的200 MHz工作频率，以便获得较 短的束长，同时也便于借鉴国际上的先进经验和技术；由于射频超导技术的日 趋成熟和广阔的应用前景，按照科学院发展加速器高新技术的指导方针，系统 将采用超导高频腔。整个高频系统包括两套独立的子系统，e+环和e-环各一套。 每个子系统由超导腔，250 kW速调管发射机，低电平线路和本地的低温设备构 成，图2.4-1表明系统的概貌。在对撞模式下 e+环和e-环的高频子系统可提供 1.5 MV腔压，150 kW功率；在光源模式束流在外环运行经过两只高频腔，高频 系统具备提供3.0 MV腔压，400 kW功率的能力。高频系统的主要参数见表2.4-1图2.

3、4-1 RF系统框图表2.4-1 BEPCII中与高频系统相关的机器参数参数符号单位对撞模式（e+环和e联）同步光模式能量EGev1.89 （最大 2.0）2.5周长Cm237.5306241.129流强IbmA910250束长CT zmm1.51.2动量压缩因子a p0.02350.0161辐射损失UoKeV121336寄生模损失UkKeV14（依赖填充模式）谐波数h396402RF频率frfMHz499.800回旋频率f0MHz1.2621.243同步振荡频率fskHz42.9143.51咼频电压VrfMV1.53.0纵向阻尼时间T ems12.56束流功率PbkW12384（不含寄生模）

4、3.4.1.1 BEPCII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2.4-2 RF系统的设计要求项目要求1腔压1.5 MV2束流负载功率123 kW、流强0.93A3HOMr ”1.5k0 Ghz】R兰fHOM4相位 1o、调节范围土 3605幅度 1%3.4.1.2技术方案目前CESRc 500 MHz超导腔和KEKB 508 MHz超导腔电压的运行值由每 腔1.4 -1

5、.8 MV，每腔提供的束流功率在250 kW以上。BEPCII选择的设计运行 值为1.5 MV/腔，束流功率130 kW,那么e+环和环各需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250 kW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250 kW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

6、-3 RF系统主要参数对撞模式RF系统的运行参数（e+环和e环）参数符号（单位）数值频率frf (MHz)499.8腔压Vc (MV)1.5能量损失/圈Ub (keV)135流强lb (mA)910束流功率Pb (kW)123同步相角札(Deg.)174加速腔数量Nc1速调管数量Nk1发射机功率Pout (kW/Klystro n)250同步光源运行模式RF系统的参数腔压Vc (MV)2.0能量损失/圈Ub (keV)336流强Ib (mA)250束流功率Pb (kW)84同步相角*s (Deg.)167加速腔数量Nc2速调管数量Nk2发射机功率Pout (kW/Klystro n)500系统

7、稳定性加速电压相位稳定度肌(Deg.) 1.0加速电压振幅稳定度也 Va/Va (%) 1.03.4.2加速腔1130 tnVacKiumI丿/h m pcinph m pcinp和mmiiliji j-.uii.Helhn wwlHi M ImjiIT；iper with SR TTKIikidim忙djimn书;imrr IO dfn仕 w 【Ml fmn即JCERAMIC WINDOWINPU1 COl ?LEKDOOIt KNOB TRANSFORMERLHcGATE VALVEGATE VALVETl；NER1f=ITHOM DAM1BERm鸟AVITYL.ImN:SHIELD& M

8、AGMETICSHIELDHOM DAMPERx PL MP图 2.4-2 CESRIII 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1.8 MV/腔，束流达到了 700 mA，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1.5 MV/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

9、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508 MHz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500 MHz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500 MHz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

10、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2.4-4 BEPCII超导腔的技术要求RF propertiesV accQoQext of in put couplerTunerRF lossesPhomPPick-Up 2.0 MV 5.0 108 (at Vacc = 2.0 MV)1.7105 - 10%499.8 土 0.2 (with resolution 5 Hz) 7 kW(at Vacc = 2.0 MV) 1W(at Vacc = 2.0 MV)CryogenicsCryostat pressure fluctuatio n Cryostat he

11、lium level fluctuati on Static lossesHigh power windowTraveli ng wavePower at full reflect ion一 3 mbar (At V acc = 2.0 MV)-1% (At Vacc = 2.0 MV) 35 W300 kW75kW(Cavity off res onance)MechanicalHeight of the Cavity axis Precisio n of posit on adjusteme nt1200 mm-1mmandTotal le ngthTotal weight 3435 mm

12、 250Surface treatme ntfollowi ng the procedure of KEKB or CESRVacuum leak ratesCavity to ambie nt_10 2.0灯0 mbarl/SecCavity to helium tank_10 2.0S0 mbarl/SecCavity to in sulati on vacuum_10 2.00 mbarl/SecIn sulati on vacuum to ambie nt_8 2.0X0 mbarl/SecHelium tank to in sulati on vacuum_8 +/- 1MHz幅度偏

13、差（频偏土 300 kHz时） 0.3 dBRF功率输出（在环流器之后）250kW CW允许最大输出驻波比1.2RF输出波导WR1800固态放大器输入功率（输出功率 20 W） 2 mWRF输入阻抗50 Q速调管输入功率（输出功率180 kW） 20 W输入电压驻波比 1.2RF输入连接器N 型（female）单一谐波的最大值（180 kW输出）-30 dB寄生发射包括交流声的最大值 （相对于180 kW输出功率）-46 dBHV电源关断时间 10 msHV电源关断后释放到速调管的能量 10 JHV电源电压0-50 kVHV电源电压精度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

14、间10000小时电网电压偏差土 10%时，RF相位偏差 20速调管THALES (TED)2电网条件电压3X 380 V 5%，1X 220 V 5%谐波5%频率50 Hz 1%3 环境条件温度5 - 40C湿度 95%海拔1000 m4.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 0.1 卩 Sv/hRF辐射 40 dB效率 60%阴极电压-50 kV阴极电流10 A阳极电压

15、35 kV表2.4-8 AFT公司250 kW环流器技术参数中心工作频率：499.8 MHz带宽 2%正向通过功率 250 kW反向承受功率300 kW隔离度 26 dB中心工作频率插入损耗0.10 dB中心工作频率0.15 dB带宽内/WWV5HandleCcnixcJ SystemMCG斗Step- Slarliii丨丨丨iii丨丨丨iir High Vdlag Power Supply c c c c图2.4-7 PSM HV电源和控制柜（左）TH2161速调管侧视图（右）3443现有设施的改造与重建BEPCII 500 MHz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

16、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100 m2，足以放置一部500 MHz/250 kW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

17、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200 MHz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500 MHz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。Low Lel Control图2.

18、4-8 250 kW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500 MHz的发射机，贝U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500 MHz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 THALES TH2161/500MHz/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

19、 的供电系统略加改造，照常使用，直至第二部500 MHz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。345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2.4-9 LLRF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 2.4-10 LLRF设备列表。各回 路功能描述如下：表2.4-9 LLRF的主要技术指标序号项目技术指标1联锁保护响应时间10ms2相环环路扑捉带土 45度，恢复时间2 ms，开环增益40db

20、，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 控制精度好于土 1度。3幅环对50%的阶跃误差，恢复时间 2 ms，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 控制精度好于土 1 %。4自动调谐环路扑捉带土 45度，调谐范围 400khz,调谐精度10Khz，带宽50Hz5纵向反馈同步振荡抑至20db以上。表2.4-10 LLRF设备列表序号名称功能1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2AGC for Klystro n速调管自动增益控制3P

21、LL for Klystro n速调管锁相环4ALC for Vc加速电压自动电平控制5PLL for Vc加速电压锁相环6RF Feedback（高频反馈）克服强流负载效应7Freque ncy Auto Tuning（频率自动调谐）使超导腔保持谐振状态80 Mode Dampi ng（零模振荡阻尼）抑制束流的纵向振荡9RF Source提供主振499.8Mhz信号和鉴相器辅助500.8Mhz 信号10射频开关阵列监测频率，功率，腔压，HOM等关键参数时信号切换11机柜，UPS电源用于设备安装12精密低损耗稳相电缆用于射频信号馈送13快速保护和安全联锁发生异常时保护窗和超导腔的安全:14热负

22、载控制腔压变化时热负载恒定15快速多通道记录仪丢束流诊断16Bias Voltage 和控制Coupler的配件17RF控制总面板系统总的状态界面18传感器和设备信号输送，变换超导腔各种信号放大，变换和传送meI： a：*图2.4-9低电平控制系统原理图（上图：反馈控制环路，下图：安全联锁）3.4.5.1反馈控制(1)频率自动调谐回路自动补偿超导腔由于LHe池压力波动、束流负载变化和其它因素引起的腔 体频率偏差，保持高频腔处于谐振工作状态。这是由检测高频腔压与入射波的 相位误差信号，经驱动放大电路驱动步进电机和压电陶瓷棒控制调谐超导腔的 频率，使误差信号趋零来实现的，图2.4-10频率自动调谐

23、原理图。波导定向耦合器有限的方向性系数也是频率调谐误差的来源，超导腔空载的调谐点在匹配 时会发生偏移。KEKB采用波导移相器来补赏，其经验应该注意。调谐的轴向灵 敏度400 kHz/mm,回路带宽受机械系统的响应速度限制。超限失谐 上限交流伺服电机驱动器高压放大器压电陶瓷930dBm(1.5MV)调谐下变控制器*频1Mhz鉴相器498.80MHz图2.4-10频率自动调谐原理图(1)高频腔相位控制回路保持高频腔相位锁定，使束流经过高频腔时得到正确的加速相位。由检测 高频腔压与标准参考源的相位变化，控制主路电控移相器来实现。相控回路带 宽受限于束流的纵向振荡频率。路幅度控制回路保持高频腔压的幅度

24、恒定，使束流得到有效的加速电压。由检测高频腔压 信号与标准直流电压信号比较，控制主路的电控衰减器来实现。除了上面这些高频加速场的稳幅、稳相控制回路外，为提高Robi nson流强限，高频系统将采用直接高频反馈回路，降低束流感受到的阻抗，以保证系统在1A重束流负载条件下的稳定性。3452安全连锁和快速保护2.4-11超导高频连锁保护系统是对设备及人身安全进行保护，因而尤其重要。: 要监测及保护的状态量包括：液氦面位置、液氦压力、高频功率、高频腔压、 真空、温度、水流量、速调管状态等。表 2.4-11是系统连锁的信号表，图 超导腔两个关键的快保护：陶瓷窗和大功率。触发压强：10-8至10-3可调图

25、2.4-11超导腔两个关键的快保护（上图：陶瓷窗，下图：大功率）表2.4-11高频系统连锁信号表1#2#3#4#5#6#7#In 1Ceramic wi ndowCryostatCavityCooli ng waterTunerExternal sig nalSystem in terlockIn 2Cavity vacuumLhe pressureGap voltageCouplerLeft limitCen ter controlCeramic wi ndowIn 3ArcLhe levelPowerHOMs (big)Right limitKlystro n sta nd byCryos

26、tatIn 4Electro n beamTank vacuumQuenchHOMs (small)Piezo pressureCryoge nic systemCavityIn 5CryostatCooli ng waterIn 6TunerIn 7External sig nalIn 8OutSystem in terlockSystem in terlockSystem in terlockSystem in terlockSystem in terlockSystem in terlockSwitch driver3453 RF系统的计算机接口和本地站目前的国际上RF设备运行的流行趋势

27、是无人值守，远程监控。国外大型实 验室的高频系统，其运行状态的实时显示，运行参数的记录使系统运行的调整 和故障诊断十分方便，我们计划由 THALES发射机的控制软硬件平台扩展信号 通道来实现这部分功能（表 2.4-12），花钱不多但成熟可靠，技术先进。这将为 系统的高水平运行，改进提高，加速器物理和技术方面的研究提供技术基础， 技术概貌见图2.4-12和图2.4-13。目前高频组已经从系统运行维护的需求出发提出了这方面的技术要求：1.监视和控制信号列表，2工作模式，3.开机顺序（包括联锁逻辑保护点等）,4.控制界 面。具体的软件硬件实现将由控制组负责，与THALES公司控制工程师的详细技术洽谈

28、将在9月进行。表2.4-12高频系统信号类型数量统计表one Un itaiarawdidrdwdkwdafdaidfdgdkgtotalPSM17163949103434781820270KLYSTRON114080212222164292SCC6284152401241243080381LLRF+WG13138131990262626180171total1032618752524112062061504822914P5klC5Up1匸口匸二匸7Cental 訥en PSMBCFtiuOpIckriiPSMI Hqh Vollaqe胡 lit sljtepower sectionEhiei

29、tockGnphifal UsrIn1oda：&GUIKeytcanlMhjmJte CS is a rflerlMk 湎刊吓曲nt based ana hardara artihiduFfi made bEPLCrs t 诃ivis鬧刖| 昭mai 啣怕医宫nd財怕甜 押时知 bsiwEn lh& IOC and lh& PSkl. In mrnum up 1a $ dtlgrHil inlariock 1典加哩.转 o 昭蔔 ng mtKfc. i& cortrd up Lo Um &tti can be progranifr*iUlHTi IZ 旳rU呼二Si冲1CantroiSemI匚

30、：口 匚：匸I匸:Ihn dating hrwwnG EE and ntdnrwiiidBGSI3EridtaguE- tipd ?Filarl朋Han*raiiB-camponenfcOla pulCcnimlerIOCLLRFSC Cavity图2.4-12发射机控制的硬件结构和扩展示意图Linux PC (RedHaL 瞅2)GUI (TCLTKScflpl)1| | She* i-mJ?:ebbvLctianriel accessTOP/TOP/IFIFsesiHWhiterfa-ce图2.4-13发射机控制的软件硬件结构3453 RF系统的波形和HOM谱的监测499.8Mhz的信号,例如入射、反射和腔压等是系统内最为重要的信号，而HOM谱则包含了束流和超导腔相互作用的全部信息，同时也是加速腔微波特性的探针，通过示波器和频谱仪直接观测波形和频谱使高频操作员了解系统状态 最直观的手段，图2.4-14是RF系统主要微波测量仪器配置。RF探头网络图2.4-14 RF系统主要微波测量仪器346系统布局3.4.6.1主要设备的摆放原有的东，西高频厅各放一台发射机，波导穿过侧墙进入第二实验区，进 而连接超导腔的藕合器。西厅的北墙外将建高功率测试