BEPCII初步方案设计.docx
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BEPCII初步方案设计
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，２50ｋW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1.５ＭV腔压,15０kＷ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。
0ＭV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。
４－１ＲF系统框图
ﻬ表2。
4—１BEPCIＩ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-环）
同步光模式
能量
E
Gev
１．89（最大２．0）
2.5
周长
C
m
２37.530６
2４1．129
流强
Ｉｂ
mA
910
25０
束长
σｚ
mm
1．5
1。
２
动量压缩因子
αp
０。
02３５
０。
0161
辐射损失
U0
KｅＶ
121
３３6
寄生模损失
Ｕk
KeV
～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
MＨｚ
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。
5 MV
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ＣＥSRc ５0０MHz超导腔和ＫEKB 508MHz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2.4－３ 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
Ｉb （mA）
9１0
束流功率
Pb（kW）
１23
同步相角
φs （Ｄｅg.）
17４
加速腔数量
NＣ
１
速调管数量
ＮK
１
发射机功率
Poｕt（kW／Klystroｎ）
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
φｓ（Deg.）
１６7
加速腔数量
ＮＣ
２
速调管数量
NK
2
发射机功率
Pout（kW／Klｙstron）
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２.4－２ 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1.８MV／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５08 MＨz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
RＦ ｐｒopertieｓ
Vaccﻩﻩﻩﻩﻩ〉２．0 MＶ
Ｑｏ >5．０⨯１08（at Ｖａcc =2．0ＭV）
Qextｏf inｐｕt coｕｐlｅrﻩﻩ1。
7⨯ １05 ±10％
Tunｅｒ 4９9.８±0。
2 （wiｔhresoｌutｉon ５ Hz）
RFlossesﻩﻩﻩﻩ< 84W（ａｔＶaｃc ＝ 2。
0MＶ）
PHOM 〉７kW
ＰPｉck—Up ～ 1W（ａt Vacc=2。
０ MV）
Crｙogｅnics
Cｒyｏstat presｓurefｌuｃｔuatioｎﻩﻩﻩ±3 ｍbar （AtVacｃ=2.0ＭV）
Crｙoｓtａtheｌiｕmlｅvel fluｃtuationﻩ±1% （AtVacｃ =２。
0MV）
Stａticloｓsesﻩﻩﻩﻩﻩ〈35W
Hｉgh pｏwerｗindｏw
Tｒavｅlinｇ waｖe 300kW
Poweｒatfulｌreｆｌection 75kW（Caｖityｏｆfreｓonaｎｃｅ）
Ｍeｃhａｎｉｃａｌ
Hｅｉghｔoｆ theCaｖiｔyａxisﻩ12０0 mm
Ｐｒecｉｓionoｆpｏｓitｏn adjustemｅnt ±１mｍ
（ｉnＶerｔiｃａｌand Horｉzoｎtaｌ）
Tｏtaｌlｅngthﻩﻩﻩﻩﻩﻩ＜３４３5mm
Totａlweigｈtﻩﻩﻩﻩﻩ＜５000kg
Faｂricａｔioｎ
ＮbMaｔｅｒiａlﻩﻩﻩﻩﻩRRＲ＞ 2５０
Ｓｕrｆaｃe treatｍｅnt fｏllｏwingtheproｃedｕreoｆ KEKBｏr CESR
Vaｃuuｍｌeａｋrates
Ｃaviｔｙｔｏ amｂiｅｎｔﻩﻩﻩﻩ〈2。
０⨯１0-10ｍｂarl／Sｅc
Cａｖｉｔｙto heｌiｕm taｎｋ ﻩﻩﻩﻩﻩ<２．0⨯1０－10mbarl/Sｅｃ
Cａvitytoinsｕｌaｔiｏnvacｕｕｍﻩﻩﻩ＜2.0⨯10－10 mbａｒl/Sec
Ｉｎｓｕｌaｔｉonvａcｕuｍto ａmｂientﻩﻩ<２．0⨯10—8 mbarl／Ｓec
Ｈeｌiｕm tａnkｔo insｕｌaｔiｏnvａcｕuｍﻩﻩ〈2。
0⨯10-8 mｂarl/Sｅc
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
参数
单位
说明
加速电压
1.５
MV
Ｑ０
~1.０×１０9
foｒ１．５MV/Cａvｉｔy
ＱＬ
～1.７×1０5
Pb，desigｎ=142.３ kW
带宽
2．94
KHz
入射功率
1２7
kW
对撞运行
反射功率
～４
ｋW
对撞运行
同步相角
８4.95
Ｄegrｅe
对撞运行
调谐角
-84。
22
Ｄegｒee
对撞运行
调谐频率
-2．31
ＫHz
对撞运行
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。
９4 ｋＨz，因此大约的估计,1 ｍBar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ﻩﻩ±3mＢar
液面高度ﻩ±1％
总热负载ﻩ±2Ｗﻩ
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
50０ ＭＨｚ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 ~ １.８９ Gev，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，180 kW输出功率（46 ｋV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（５4 kＶ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。
4-６ＢEPＣII5００ MHz/250ｋW高频功率源性能要求
1。
技术指标
中心频率
49９．8 MHz
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）
2５0kＷ CＷ
允许最大输出驻波比
１.2
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
50 Ω
速调管输入功率（输出功率1８0 kW）
≤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
≤10 J
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％,１×２20 V±5%
谐波
〈5％
频率
５0Hz±１％
３.环境条件
温度
5—4０℃
湿度
≤95%
海拔
≤1000 m
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。
1 μSv/h
RF辐射
≤0.１ mW/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/2５0 ｋＷPSM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500 MHｚ/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。
4－7 ＴＨ2161A速调管技术参数
速调管工作频率:
49９。
８MＨz
速调管输出功率
２50ｋＷ
管子带宽（－1dB）
±1MHz
增益
＞40ｄB
效率
〉 60%
阴极电压
-50 kV
阴极电流
10Ａ
阳极电压
35kV
表２．4-8 AFT公司25０ ｋW环流器技术参数
中心工作频率：
4９9．8MHｚ
带宽
±2％
正向通过功率
> 2５０ｋＷ
反向承受功率
3０0kW
隔离度
〉26 ｄB
中心工作频率
插入损耗
０．10ｄB
中心工作频率
0。
1５dB
带宽内
图２．４-7 PSMＨV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１00 m2，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。
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。
ﻫ 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2．4-９ 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＜１０mｓ
2
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.
3
幅 环
对50％的阶跃误差，恢
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