李 濤 張 斌 劉魯北 何 源 張生虎

（中國科學院近代物理研究所 蘭州 730000）

基于162.5 MHz HWR超導腔的氦壓調諧器的設計與測試

李 濤 張 斌 劉魯北 何 源 張生虎

（中國科學院近代物理研究所 蘭州 730000）

162.5 MHz (β=0.10) 半波長諧振型(Half Wave Resonance, HWR)超導腔被用于CIADS (China Initiative Accelerator Driven System)項目注入器II的低能段。氦氣壓力驅動式調諧器基于上述腔體的調諧范圍及機械性能要求進行設計制造。為確保調諧器運行良好，進行了常溫測試。銅制模型腔測試中調諧范圍達到640 kHz，滿足頻率調節(jié)范圍要求。鈮腔測試中得到腔體頻率與氣體壓力關系，調諧敏感度為0.272 kHz·hPa?1。采用氣體質量流量控制方案并搭建氣體驅動控制平臺進行分辨率測試，在測試結果顯示調諧器滿足調諧分辨率要求，分辨率精度達到4.4–15 Hz。計算了超導腔與調諧器間的傳熱量，其值不超過0.002W，小于低溫恒溫器與調諧器之間的熱輻射量，表明此調諧器可用于HWR腔體。

氦壓，調諧，超導腔，氣體質量流量控制

加速器驅動次臨界系統(tǒng)(Accelerator Driven Sub-critical System, ADS)以加速器產生的高能強流質子束轟擊靶核（如鉛等）產生散裂中子作為外源中子驅動和維持次臨界堆運行，具有固有安全性[1]。高能強流質子加速器低能段采用半波長諧振型(Half Wave Resonance, HWR)超導腔，用以加速被射頻四級場(Radio Frequency Quadrupole, RFQ)腔體加速過的質子，并使質子達到更高能量后接入spoke腔體中繼續(xù)加速。其中，162.5 MHz (β=0.10) HWR超導腔[2–3]被用于CIADS (China Initiative Accelerator Driven System)項目注入器II，它將運行于低至4.2K的溫度。超導腔在運行過程中，其良好的頻率運行區(qū)間非常窄，及時的調諧對質子能否被加速起著至關重要的作用。

調諧器是加速器的關鍵組成部分，用于調整諧振腔頻率，使諧振腔工作在選定的頻率范圍內，從而使加速器正常工作。擠壓式調諧器的調諧不會產生新的高階模，也不會引起高階模分布狀況的很大變化，對于束流軌道也無影響[4]。超導腔加工完成后，酸洗以及降溫等都會導致腔體頻率產生變化，其頻率很可能不在規(guī)定的區(qū)間。同時，超導腔的頻率在運行時會因為所受外力的變化而受到影響，腔體受壓時，頻率降低，受拉時，頻率升高。其中，最主要的外力影響為氦槽內液氦壓力的波動。另外，洛倫茲力失諧同時也會導致腔體頻率的變化。使用對腔體進行擠壓或者拉伸的方式，改變腔體頻率到規(guī)定的范圍，需要使用調諧器。

調諧器設計中可能產生以下幾點問題：一，滯后現(xiàn)象——驅動機構的運動和腔體頻率變化不成線性規(guī)律或者近似線性規(guī)律；二，機械振動現(xiàn)象（如扭轉震蕩）以及回程誤差；三，運行時低溫恒溫器與外界驅動機構的溫度交換帶來的大量能量損失；最后，需要保證一個復雜結構在低溫下運行的穩(wěn)定性和可靠性。按照目前世界上的調諧器運行情況來看，氣體驅動的調諧器具有無回程差、無振動、僅波紋管運動、無滯后等優(yōu)勢[5]，并且其結構簡單、輕巧、可用于多種腔型。美國阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory, ANL)在1994?2011年間使用的氣體驅動調諧器超過了5×106h運行時間，僅有77.82h故障，說明其運行穩(wěn)定性是可靠的。

162.5 MHz HWR腔體的部分參數(shù)與調諧要求[6]及對應變化為：腔體頻率162.5 MHz，調諧范圍360kHz，調諧分辨率15Hz，調諧敏感度180kHz·mm?1，頻率漂移區(qū)間120Hz，需精確控制頻率漂移不超過120 Hz。

1 氦壓調諧器的總體結構以及受力分析

調諧器的設計采用SolidWorks軟件進行建模，總體結構如圖1(a)、(b)所示。在設計上，此調諧器主要特點為結構簡單、容易拆卸維護、質量較小、造價較低，同時沒有任何電子元件置于低溫恒溫器中，它造成的熱損耗將比目前我所使用的調諧器低，并且可靠性增加。圖1(a)為軸測圖，其中軸向圓柱形為氦槽，HWR腔體在其內部，通過連接法蘭與調諧器拉桿相互作用。由于此氦壓調諧器只能對腔體施加壓力，在腔體運行時，調諧器將處于預壓狀態(tài)。通過向波紋管內沖入低溫氦氣，使波紋管內壓力增大，波紋管伸長，通過壓板和支撐柱對上下可調節(jié)鋼繩分別施加向上和向下的推力。鋼繩受到上下作用的推力產生的分力對拉桿施加拉力，并通過與其連接的連接法蘭對腔體進行壓縮。

圖1 氦壓調諧器的軸測圖(a)和剖視圖(b)Fig.1 Axonometri view (a) and section view (b) of helium pneumatic tuner.

根據(jù)表1的受力要求，法蘭受到的力最大值為4 kN左右。每側兩根壓桿，每根壓桿平均受力約2kN。設氦壓力對鋼繩力作用大小為Fh/2，鋼絲繩受力大小為Fs，得到鋼絲繩產生的向內拉力：

且有：

氦壓波紋管移動距離約為2.4 mm。得到波紋管的規(guī)格：移動距離大于3 mm。當鋼繩角度θ=120°時，波紋管頂板壓力大小為：Fh= 2310 N。

此調諧器能夠通過調整鋼絲繩的長度調整其拉升角度，從而調整波紋管受力大小。此時，充入氦壓大小會有變化（角度減小，氦壓增大；角度增大，氦壓降低），為了安全，波紋管大小可稍有余量（增大波紋管尺寸），使充入氦壓壓強大小相對降低，如：120°時，波紋管半徑為60 mm時，為2×105Pa；70mm時，最大壓強為1.48×105Pa。最終的角度大小與安裝尺寸以及加工誤差相關，主要在氦壓波紋管上體現(xiàn)。于是，在安裝之后需要對氦壓以及腔頻率進行大致定標，對于不同的腔體以及不同的運行狀態(tài)，壓力與腔體頻率對應關系不同。

2 氦壓調諧器常溫氦壓測試結果

2.1 銅制模型腔進行調諧范圍測試

為保護造價昂貴的超導鈮腔，首次測試采用了銅制模型腔進行腔體調諧范圍測試。在室溫下，金屬鈮與銅的彈性模量與剪切模量基本差異不大，故實驗室制造了用于粗測試的銅模型腔。鈮在室溫下的彈性模量E為1.049×105MPa，剪切彈性模量G為3.75×104MPa，銅的彈性模量為1.08×105MPa，剪切彈性模量G為3.9×104MPa。銅腔在無外壓力情況下，頻率為162.84 MHz，第一次施加壓力后，腔體頻率變化如表1所示。

表1 銅腔頻率與壓力關系Table 1 Relationships between the frequency of Cu cavity and pressure.

從表1中可看出，當氦壓加壓到2.4×105Pa時，氦壓調諧器仍能夠運動，而此時腔體頻率變化已達到610 kHz，說明調諧器在量程上滿足要求。圖2為銅腔測試平臺。

圖2 銅腔測試平臺Fig.2 Test platform of Cu cavity.

2.2 鈮制模型腔進行測試

第二次測試采用鈮腔測試，利用千分表測量位移變化。先逐漸加壓到82.74kPa，然后逐漸降壓到0 kPa，穩(wěn)定后再次逐漸加壓，進行循環(huán)。腔體頻率和壓力的關系，以及腔體頻率與位移的關系如圖3所示。在無壓力的情況下，鈮腔頻率為162.3725MHz。

圖3 腔體頻率對應壓力(a)與位移(b)的關系Fig.3 Relationships between the frequency of cavity and pressure (a) or displacement (b).

從HWR腔體氦壓調諧器實驗可知，調諧敏感度為19 kHz/6.895kPa=2.72 Hz·Pa?1，而目前國內外的壓力傳感器精確度最高為0.5%。那么，如果采用壓力控制，誤差是在敏感度的5倍左右，遠大于腔體運行漂移范圍，故采用控制氣體壓力方案來控制腔體頻率的方案不可行。實測值比前面根據(jù)120°計算值200 Hz·Pa?1大，說明實際安裝角度大于120°。這里體現(xiàn)了氦壓驅動的調諧器相對于電機驅動調諧器的一個優(yōu)勢：可以通過改變拉繩的角度改變受力，進而可以應對腔體加筋等一系列變化導致的受力增大或減少產生的受力變化。由位移關系可知，腔體的調諧敏感度為200 kHz·mm?1，與模擬結果[7]基本一致。

2.3 調諧器分辨率測試

鈮腔對氦壓調諧器的分辨率進行測試，采用20mL·min?1氣體質量流量控制器控制波紋管氣體流入，同時測試腔體頻率變化。因為此實驗裝置的設計以及實際測試已經超過當前網絡分析儀的精度，故只能根據(jù)多點測量得到的曲線并根據(jù)氣體流量可控制大小對分辨率進行分析。在測試過程中，在頻率多個小段變化區(qū)間內壓力頻率變化對應值基本呈線性，未發(fā)現(xiàn)回程、跳變等現(xiàn)象。圖4為在不同頻率情況下，通入定量氣體的關系圖。

圖4 不同頻率時氣體通入量與腔體頻率關系Fig.4 Relationship between the frequency of cavity and the volume of gas at different frequencies.

從圖4可以看出，隨著氮氣的通入，通入氣體量對腔體作用效果逐漸減弱，從300 Hz·mL?1左右逐漸減小到145 Hz·mL?1左右，和根據(jù)理想氣體公式PV=nRT的預想效果趨勢一致。當采用20mL·min?1的氣體質量流量控制器進行控制時，最小進氣量可控制在每次0.05 mL以下，在測試區(qū)間內，分辨率隨著氣體壓力的增加而減小，為4.4–15Hz，并且在每一個測試區(qū)間內線性良好，已經達到前述設計要求。

CIADS的HWR超導腔目前裝配并使用的電機驅動調諧器是參考美國杰斐遜實驗室(Thomas Jefferson National Accelerator Facility, TJNAF)使用的調諧器[8]制造的，其分辨率要求僅為100 Hz，實際測量值約2 Hz，但是其線性較差（可能與電機、機械扭轉振動、變速箱齒輪咬合等相關），并且存在較嚴重的機械滯后現(xiàn)象。而氦壓驅動的調諧器不僅結構輕巧簡單，在測量區(qū)間上無回滯，并且線性良好。同時調諧器分辨率可以進一步采用更小流量的質量流量控制器進行控制，從而達到降低分辨率的目的。所以目前制造的氦壓調諧器性能更加優(yōu)良。

3 氦壓調諧器低溫運行控制系統(tǒng)及可行性分析

超導腔及氦槽最后安裝于低溫恒溫器中，并且運行溫度達到4.2 K的低溫，需要考慮低溫下裝置運行的穩(wěn)定性。首先我們要考慮波紋管內氦氣是否會液化的問題，其次考慮控制精度問題。5.2K (2.245×105Pa)為氦氣的臨界溫度，當氦氣溫度大于5.2 K時，無論如何加壓，氦氣都將不被液化。通過采用ANSYS中fluent模塊對模型進行計算，假定波紋管內為氦氣臨界溫度5.2K，鋼繩為腔體運行溫度4.2 K（實際溫度應當大于4.2 K，這里對漏熱量進行最大估值，故取4.2 K），對調諧器和腔體之間進行熱傳遞估算。在4.2 K低溫下，316L的導熱系數(shù)降至0.37 W·m?1·K?1左右，設置鋼繩與上端316L材料的支撐塊連接處邊界條件為4.2 K溫度，同時設置波紋管上端法蘭與氦氣相接處溫度邊界條件為5.2 K。如圖5所示，模擬得到熱流量大小為0.002W，說明外界只需要對調諧器有0.002 W大小的熱量傳遞，就能夠使波紋管內氦氣不液化。根據(jù)經驗值[9]，低溫恒溫器對內部部件的熱輻射為0.1W·m?2，對調諧器進行熱輻射計算得到熱輻射大致為0.016 W。可以看出，在熱輻射作用下，已經能夠使氦氣不產生液化；同時氦氣接管的導熱也將產生少量漏熱，對波紋管進行升溫。由此可以得出，波紋管內氦氣不會被液化。說明調諧器在超導低溫下可正常運行。

圖5 簡化熱傳遞分析Fig.5 Simplified heat transfer analysis.

4 結語

已制造完成的氦壓調諧器在壓力調節(jié)范圍內可滿足設計要求，且未出現(xiàn)回滯現(xiàn)象，線性良好。

傳統(tǒng)的壓力和位移控制均不能達到分辨率的要求，而本文提出在分辨率測試過程中使用的控制進氣量方式對調諧器進行控制時，調諧器分辨率能達到設計要求，說明此方法在分辨率控制上是可行的。

同時熱計算表明，氦氣在波紋管中不會液化，使用氦氣驅動波紋管方案可行。所制造的調諧器可用于HWR超導腔的調諧。

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CLC TL5

Design and test of the helium pneumatic tuner based on 162.5 MHz superconducting cavity

LI Tao ZHANG Bin LIU Lubei HE Yuan ZHANG Shenghu
(Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China)

Background: 162.5 MHz (β=0.10) Half Wave Resonance (HWR) superconducting cavity is used for the low-energy section of injection II in the China Initiative Accelerator Driven System (CIADS) project. Purpose: The helium pneumatic tuner is designed on the tuning range and performance requirements of the mentioned cavity above. There is no domestic reference. Methods: In order to make sure that it would run well, room temperature test was made. Results: In the test of copper modal cavity, the tuning range reached 640 kHz, which satisfied the tuning range requirements. In the test of Niobium cavity, the connection of the frequency with the gas pressure was satisfied, the tuning sensitivity was 0.272 kHz·hPa?1. Gas mass flow control scheme was put forward. And a pneumatic platform for resolution test was set up. In the test, the tuner met the requirement of the tuning resolution, of which the resolution precision reached 4.4–15 Hz. The heat transfer between superconducting cavity and the tuner was calculated, and its value was no more than 0.002 W, which was lower than the thermal radiation between the cryostat and the tuner. Conclusion: The tuner could be used for HWR cavity.

Helium pneumatic, Tuning, Superconducting cavity, Control of gas mass flow

TL5

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.100201

中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項(No.XDA03020701)資助

李濤，男，1990年出生，2015年于中國科學院大學獲碩士學位

張斌，E-mail: zhangb@impcas.ac.cn

2015-03-20，

2015-05-16