大型氦低温制冷机关键技术研究

CEPC部分双环方案低温系统讨论1加速器中心低温组李少鹏

2016年4月8日内容2CEPC主环部分双环超导腔主要参数

CEPC低温系统热负荷预算CEPC低温系统布局及方案CEPC低温系统关键技术及预研项目3Higgs单环（Pre-

CDR）Higgs

局部双环（高亮度Higgs

局部双环（低功率）Z-pole局部双环超导腔频率（MHz）650650650650超导腔总数38438438432超导腔cell数5221腔数/恒温器4662恒温器长度（m）1010105恒温器数目/高频半分区6441恒温器总数96646416腔压（MV）18.259.59.264.47加速梯度（MV/m）15.820.620.119.4超导腔有效长度（m）1.1530.4610.4610.231R/

Q（Ω）514206206103品质因数Q

04E102E102E105.0E9每腔储能（J）158.7107.4102.147.6运行温度（K）2222每腔高阶模功率（k

W）3.60.80.50.2每腔2

K动态热负荷（W）16.221.920.838.9CEPC部分双环超导腔主要参数CEPC主环超导腔低温热负荷4Booster环采用1.3GHz9-cell超导腔,全环256只9-cell超导腔,每8只腔公用一台cryomodule,共32台Cryomodule；工作温度2K。主环单环方案采用650MHz5-cell超导腔,全环384只5-cell超导腔,每4只腔共用一台Cryomodule,共96台Cryomodule；工作温度2K。主环部分双环方案采用650MHz2-cell超导腔,全环384只2-cell超导腔,每6只腔共用一台Cryomodule,共64台Cryomodule；工作温度2K频率（MHz）每腔电压（MV）占空比每腔

cell数腔数Module数R/QQ温度（K)每个腔壁动态损耗（W）总的动态损耗（kW)Booster环13002020%92563210362E1023.860.99主环（单环）65017.9CW5384965144E10215.65.99主环（部分双环）6509.5CW2384645142E10221.98.41Booster环热负荷初步预算5Booster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cellBooster环，1.3GHz超导腔Cryomodule:8*9cell主环单环方案热负荷初步预算6主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:4*5cell主环部分双环方案热负荷初步预算7主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cell主环，650MHz超导腔Cryomodule:6*2-cellCEPC低温系统总热负荷8单位增强器主环40-80K5-8K2K40-80K5-8K2K各温区总的热负荷KW12.991.882.26120.4918.3313.06等效4.5K热负荷KW1.341.747.39.1216.9742.13总的4.5K等效热负荷KW10.3868.22

(66.67)CEPC总热负荷KW78.6

(77.05)CEPC低温系统电功率消耗初步预算980K热负荷5K热负荷2K热负荷Boost总的热负荷（KW）17.631.882.26主环总的热负荷（KW）120.43(75.79)18.33(13.74)13.06(15.12)CEPC总热负荷（KW）138.06(93.42)20.21(15.62)15.32(17.38)制冷机效率（W/W)16.4197.9703.0电功率消耗（MW）2.26(1.53)4.00(3.09)10.77(12.22)总的电功率消耗（MW）17.63(16.84)主环部分双环方案共设8个低温超导站点:每个站点Booster环4台Cryomodule,共32台；每个站点主环12台(或8台）Cryomodule,共96台（或i64台）。每个站点的低温制冷能力为12KW@4.5K,共96KW@4.5K制冷能力。+

Cryo+

1/2Cryo10CEPC单环方案与部分双环方案比较11两个方案所需总的制冷能力和电功率相近；部分双环方案由于超导腔cell数减少,恒温器数量由96台减少到64台,能够部分降低造价；CEPC低温系统方案12CEPC低温系统拟采用超流氦低温系统设计,超流氦和正常态氦相比,具有非常大的等效导热系数,可以迅速消除热扰动,提高超导系统的稳定性。同时超流氦几乎没有黏性,超流氦很容易渗透到超导设备的各个部分,超导设备的热稳定性高。超流氦低温系统具有独特的优势。超流氦低温系统三种不同的方案（A）常温泵(C)冷压机(B)常温泵和冷压机13世界各大加速器实验室采用的方案2K14LHC

4.5K/2K制冷机流程15低温系统冷却方案压缩机上冷箱压缩机上冷箱下冷箱下冷箱冷压缩机冷压缩机氦气储罐水电气连接冷箱超导腔组元超导腔组元液氮系统地面设备地下设备隧道竖井80-150m特点:1）压缩机、储气罐以及水电仪表空气气等常温设备全部安装在地面；带液氮预冷的上冷箱也安装在地面上,防止液氮或氮气进入地下造成安全隐患；低于液氮温区的设备全部安装在地下,以减少距离上的传热损失；16增强器环9-cell超导腔冷却流程17主环5-cell超导腔冷却流程18CEPC低温系统关键技术研究—目标国产化19CEPC

低温系统

12kW@4.5K

大型氦制冷机关键技术研究（理化所）1）CEPC大型氦制冷机的设计和研究；2）CEPC大型制冷机的透平膨胀机研制；3）CEPC大型制冷机氦压缩机研制；CEPC超流氦2K低温系统关键技术研究（高能所）4）CEPC大型低温系统设计研究；5）大流量2K低温J-T热交换热器研制；6）大流量氦离心式冷压缩机研制；项