电子枪参数的优化结果研制进展

CEPC高效率速调管研制周祖圣中国科学院高能物理研究所2017.12.01内容提要背景设计方案研制进展进度计划总结背景希格斯粒子发现后，中国科学家于2012年提出建造下一代环形正负电子对撞机（CEPC）并适时转为质子对撞机（SppC）的方案，同时欧洲也提出基于LHC的FCC方案，日本也提出ILC方案，都希望在未来高能物理方面有新的突破。背景FCC和CEPC等未来加速器，由于束流功率高（30~50MW/Beam），对功率源效率提出了更高的要求，更高的效率意味着更低的造价以及更低的运行费用，因此，研制高效率的功率源是未来加速器需要首要考虑的问题。背景考虑到在百千瓦量级RF功率源的现状，速调管在其稳定性和寿命方面仍然是大型加速器功率源的首选。背景因此，2016年初，在所创新经费的支持下启动了高效率速调管设计工作。2017年，在王贻芳“科学家工作室”经费支持下，开始样管研制工作。设计方案45/120GeV10GeV→45/120GeV10GeV45/120GeVCEPC布局示意图SRF参数需求参数设计值工作频率(MHz)650腔型2-cell超导腔单腔输入功率(kW)278腔总数336设计方案①考虑到速调管功率水平和造价，采用一套速调管给两个超导腔提供功率，即“一带二方”案；②考虑功率传输损耗、超导腔失配引起的反射及低电平反馈系统要求，速调管输出功率确定为800kW连续波功率；③目前连续波速调管效率约60-65%，考虑到理论和技术的发展，确定效率研制目标值80%。研制进展实施方案：①国内无相关研制经验，研制策略是从易到难，首先进行常规效率速调管研制；②为节约经费，样管部分电子枪、聚焦线圈和收集极部件可拆卸和重复使用；③更换谐振腔串设计后，进行高效率速调管加工。研制进展常规效率设计重复使用电子枪、聚焦线圈和收集极高效率设计研制进展与此同时，利用院特聘研究员计划引进KEKShigekiFukuda教授来所长期工作。HejoinedtothemanyprojectssuchasTRISTAN,KEKB,J-Parc,FEL,NLC(NextLinearCollider),cERL,andSTF/ILC(InternationalLinearCollider).HehadbeentheleaderofrfgroupinKEKLinacandcontributedtothemanydevelopmentsofrf,includingklystron,powersupplyandpowerdistributionsystemandthemaintenanceworkoftheacceleratoroperation.From2005,hejoinedtoGDEofILCandfrom2008;hewasaconvenerofrfsystemofILCandcontributedtoILC-TDR.ILCrfschemesofDRFSandDKSwereproposedbyhim.Forklystronstudy,hejoinedtoUS-Japancollaborationtodevelop150MWklystronfrom1983to1984inSLACUSA.HecontributedtothedevelopmentsofS-band50MWklystroninKEKB,324MHzand972MHz3MWpulsedklystronsofJ-Parc,bysolvingtheoscillationproblemofinverselypropagatingelectronformcollectorandthedrifttubeoscillation.From2015,hejoinedtotheCEPCklystrondevelopmentinChinaastheinvitedforeignprofessor.研制进展与地方政府和企业成立“大功率器件工业研究院”，进行速调管产业化研究。研制进展与企业和相关研究所成立联合研制小组，进行“产学研”合作。研制进展-总体设计电子注运动轨迹电子注纵向相空间变化速调管时域输出信号波形时域输出信号波形频谱三维CST程序模拟计算得到的速调管饱和输出功率为769.5kW，效率为64.1%，饱和输出增益为48.4dB。研制进展-电子枪根据Vaughan提出的设计理论建立电子枪的基本结构利用电子光学计算软件进行模拟计算并优化DGUN、EGUN、MAGIC及CST模拟计算得到的电子注光学参数DGUNEGUNMAGIC2DCST设计值束腰半径(mm)17.817.4817.4817.6417.5导流系数(µP)0.640.640.650.640.65阴极面电流密度(A/cm2)0.450.39~0.43----0.5阴极面电流密度均匀度(%)--9.8%----10%电子枪参数的优化结果研制进展-聚焦线圈利用POSSION程序对磁聚焦进行设计并优化，最终确定聚焦磁场由1组反线圈和15组常规线圈产生POSSION程序计算及优化得到的二维磁聚焦模型研制进展-谐振腔串使用CST和ANSYS程序进行多物理耦合场分析，设计并优化谐振腔冷却方式研制进展-收集极采用强制水冷方式，考虑速调管长度，计算并优化得到收集极设计，可承受满功率电子注的热耗散。热负载温度分布热应力总体结构研制进展-输出窗650MHz/800kW时S11小于-90dB600-700MHz频率范围内S参数均小于-30dB±0.5MHz带宽内驻波比小于1.05水路结构温度分布研制进展-整管机械设计初步完成常规效率整管机械设计研制进展-高效率设计6Cavities2ndharmoniccavityPerveance:0.65µpEfficiency:73%9CavitiesBACPerveance:0.65µpEfficiency:85.43%8CavitiesBACPerveance:0.65µpEfficiency:79.41%8CavitiesBACPerveance:0.25µpEfficiency:85%8CavitiesCSMPerveance:0.25µpEfficiency:84.61%Shortlength9CavitiesBACPerveance:0.25µpEfficiency:82%Shortlength进度计划-2016-2020①2016.01-2016.08完成速调管电子枪设计；②2016.05-2016.10完成速调管收集极设计；③2016.04-2017.08完成速调管输出窗设计；④2017.01-2017.06完成速调管聚焦线圈设计；⑤2017.06-2017.10完成常规效率速调管谐振腔设计；⑥2017.08-2017.12进行常规效率速调管机械设计；⑦2017.06-2018.08进行高效率速调管设计；⑧2017.01-2019.03进行常规效率速调管样管加工和测试；⑨2018.09-2019.11进行高效率速调管样管加工与测试；⑩2019.12-2020.03项目结题与验收。总结①完成速调管电子枪设计；②完成输出窗设计；③完成收集极设计；④完成常规效率速调管理论设计；⑤正进行高效率速调管理论设计；⑥正进行常规效率速调管机械设计；⑦即将启动常规效率速调管加工；⑧争取早日在国内完成高效率连续波速调管研制工作。谢谢大家!