基于162.5 MHz HWR超导腔的氦压调谐器的设计与测试

李 涛 张 斌 刘鲁北 何 源 张生虎

（中国科学院近代物理研究所 兰州 730000）

基于162.5 MHz HWR超导腔的氦压调谐器的设计与测试

李 涛 张 斌 刘鲁北 何 源 张生虎

（中国科学院近代物理研究所 兰州 730000）

162.5 MHz (β=0.10) 半波长谐振型(Half Wave Resonance, HWR)超导腔被用于CIADS (China Initiative Accelerator Driven System)项目注入器II的低能段。氦气压力驱动式调谐器基于上述腔体的调谐范围及机械性能要求进行设计制造。为确保调谐器运行良好，进行了常温测试。铜制模型腔测试中调谐范围达到640 kHz，满足频率调节范围要求。铌腔测试中得到腔体频率与气体压力关系，调谐敏感度为0.272 kHz·hPa−1。采用气体质量流量控制方案并搭建气体驱动控制平台进行分辨率测试，在测试结果显示调谐器满足调谐分辨率要求，分辨率精度达到4.4–15 Hz。计算了超导腔与调谐器间的传热量，其值不超过0.002W，小于低温恒温器与调谐器之间的热辐射量，表明此调谐器可用于HWR腔体。

氦压，调谐，超导腔，气体质量流量控制

加速器驱动次临界系统(Accelerator Driven Sub-critical System, ADS)以加速器产生的高能强流质子束轰击靶核（如铅等）产生散裂中子作为外源中子驱动和维持次临界堆运行，具有固有安全性[1]。高能强流质子加速器低能段采用半波长谐振型(Half Wave Resonance, HWR)超导腔，用以加速被射频四级场(Radio Frequency Quadrupole, RFQ)腔体加速过的质子，并使质子达到更高能量后接入spoke腔体中继续加速。其中，162.5 MHz (β=0.10) HWR超导腔[2–3]被用于CIADS (China Initiative Accelerator Driven System)项目注入器II，它将运行于低至4.2K的温度。超导腔在运行过程中，其良好的频率运行区间非常窄，及时的调谐对质子能否被加速起着至关重要的作用。

调谐器是加速器的关键组成部分，用于调整谐振腔频率，使谐振腔工作在选定的频率范围内，从而使加速器正常工作。挤压式调谐器的调谐不会产生新的高阶模，也不会引起高阶模分布状况的很大变化，对于束流轨道也无影响[4]。超导腔加工完成后，酸洗以及降温等都会导致腔体频率产生变化，其频率很可能不在规定的区间。同时，超导腔的频率在运行时会因为所受外力的变化而受到影响，腔体受压时，频率降低，受拉时，频率升高。其中，最主要的外力影响为氦槽内液氦压力的波动。另外，洛伦兹力失谐同时也会导致腔体频率的变化。使用对腔体进行挤压或者拉伸的方式，改变腔体频率到规定的范围，需要使用调谐器。

调谐器设计中可能产生以下几点问题：一，滞后现象——驱动机构的运动和腔体频率变化不成线性规律或者近似线性规律；二，机械振动现象（如扭转震荡）以及回程误差；三，运行时低温恒温器与外界驱动机构的温度交换带来的大量能量损失；最后，需要保证一个复杂结构在低温下运行的稳定性和可靠性。按照目前世界上的调谐器运行情况来看，气体驱动的调谐器具有无回程差、无振动、仅波纹管运动、无滞后等优势[5]，并且其结构简单、轻巧、可用于多种腔型。美国阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory, ANL)在1994−2011年间使用的气体驱动调谐器超过了5×106h运行时间，仅有77.82h故障，说明其运行稳定性是可靠的。

162.5 MHz HWR腔体的部分参数与调谐要求[6]及对应变化为：腔体频率162.5 MHz，调谐范围360kHz，调谐分辨率15Hz，调谐敏感度180kHz·mm−1，频率漂移区间120Hz，需精确控制频率漂移不超过120 Hz。

1 氦压调谐器的总体结构以及受力分析

调谐器的设计采用SolidWorks软件进行建模，总体结构如图1(a)、(b)所示。在设计上，此调谐器主要特点为结构简单、容易拆卸维护、质量较小、造价较低，同时没有任何电子元件置于低温恒温器中，它造成的热损耗将比目前我所使用的调谐器低，并且可靠性增加。图1(a)为轴测图，其中轴向圆柱形为氦槽，HWR腔体在其内部，通过连接法兰与调谐器拉杆相互作用。由于此氦压调谐器只能对腔体施加压力，在腔体运行时，调谐器将处于预压状态。通过向波纹管内冲入低温氦气，使波纹管内压力增大，波纹管伸长，通过压板和支撑柱对上下可调节钢绳分别施加向上和向下的推力。钢绳受到上下作用的推力产生的分力对拉杆施加拉力，并通过与其连接的连接法兰对腔体进行压缩。

图1 氦压调谐器的轴测图(a)和剖视图(b)Fig.1 Axonometri view (a) and section view (b) of helium pneumatic tuner.

根据表1的受力要求，法兰受到的力最大值为4 kN左右。每侧两根压杆，每根压杆平均受力约2kN。设氦压力对钢绳力作用大小为Fh/2，钢丝绳受力大小为Fs，得到钢丝绳产生的向内拉力：

且有：

氦压波纹管移动距离约为2.4 mm。得到波纹管的规格：移动距离大于3 mm。当钢绳角度θ=120°时，波纹管顶板压力大小为：Fh= 2310 N。

此调谐器能够通过调整钢丝绳的长度调整其拉升角度，从而调整波纹管受力大小。此时，充入氦压大小会有变化（角度减小，氦压增大；角度增大，氦压降低），为了安全，波纹管大小可稍有余量（增大波纹管尺寸），使充入氦压压强大小相对降低，如：120°时，波纹管半径为60 mm时，为2×105Pa；70mm时，最大压强为1.48×105Pa。最终的角度大小与安装尺寸以及加工误差相关，主要在氦压波纹管上体现。于是，在安装之后需要对氦压以及腔频率进行大致定标，对于不同的腔体以及不同的运行状态，压力与腔体频率对应关系不同。

2 氦压调谐器常温氦压测试结果

2.1 铜制模型腔进行调谐范围测试

为保护造价昂贵的超导铌腔，首次测试采用了铜制模型腔进行腔体调谐范围测试。在室温下，金属铌与铜的弹性模量与剪切模量基本差异不大，故实验室制造了用于粗测试的铜模型腔。铌在室温下的弹性模量E为1.049×105MPa，剪切弹性模量G为3.75×104MPa，铜的弹性模量为1.08×105MPa，剪切弹性模量G为3.9×104MPa。铜腔在无外压力情况下，频率为162.84 MHz，第一次施加压力后，腔体频率变化如表1所示。

表1 铜腔频率与压力关系Table 1 Relationships between the frequency of Cu cavity and pressure.

从表1中可看出，当氦压加压到2.4×105Pa时，氦压调谐器仍能够运动，而此时腔体频率变化已达到610 kHz，说明调谐器在量程上满足要求。图2为铜腔测试平台。

图2 铜腔测试平台Fig.2 Test platform of Cu cavity.

2.2 铌制模型腔进行测试

第二次测试采用铌腔测试，利用千分表测量位移变化。先逐渐加压到82.74kPa，然后逐渐降压到0 kPa，稳定后再次逐渐加压，进行循环。腔体频率和压力的关系，以及腔体频率与位移的关系如图3所示。在无压力的情况下，铌腔频率为162.3725MHz。

图3 腔体频率对应压力(a)与位移(b)的关系Fig.3 Relationships between the frequency of cavity and pressure (a) or displacement (b).

从HWR腔体氦压调谐器实验可知，调谐敏感度为19 kHz/6.895kPa=2.72 Hz·Pa−1，而目前国内外的压力传感器精确度最高为0.5%。那么，如果采用压力控制，误差是在敏感度的5倍左右，远大于腔体运行漂移范围，故采用控制气体压力方案来控制腔体频率的方案不可行。实测值比前面根据120°计算值200 Hz·Pa−1大，说明实际安装角度大于120°。这里体现了氦压驱动的调谐器相对于电机驱动调谐器的一个优势：可以通过改变拉绳的角度改变受力，进而可以应对腔体加筋等一系列变化导致的受力增大或减少产生的受力变化。由位移关系可知，腔体的调谐敏感度为200 kHz·mm−1，与模拟结果[7]基本一致。

2.3 调谐器分辨率测试

铌腔对氦压调谐器的分辨率进行测试，采用20mL·min−1气体质量流量控制器控制波纹管气体流入，同时测试腔体频率变化。因为此实验装置的设计以及实际测试已经超过当前网络分析仪的精度，故只能根据多点测量得到的曲线并根据气体流量可控制大小对分辨率进行分析。在测试过程中，在频率多个小段变化区间内压力频率变化对应值基本呈线性，未发现回程、跳变等现象。图4为在不同频率情况下，通入定量气体的关系图。

图4 不同频率时气体通入量与腔体频率关系Fig.4 Relationship between the frequency of cavity and the volume of gas at different frequencies.

从图4可以看出，随着氮气的通入，通入气体量对腔体作用效果逐渐减弱，从300 Hz·mL−1左右逐渐减小到145 Hz·mL−1左右，和根据理想气体公式PV=nRT的预想效果趋势一致。当采用20mL·min−1的气体质量流量控制器进行控制时，最小进气量可控制在每次0.05 mL以下，在测试区间内，分辨率随着气体压力的增加而减小，为4.4–15Hz，并且在每一个测试区间内线性良好，已经达到前述设计要求。

CIADS的HWR超导腔目前装配并使用的电机驱动调谐器是参考美国杰斐逊实验室(Thomas Jefferson National Accelerator Facility, TJNAF)使用的调谐器[8]制造的，其分辨率要求仅为100 Hz，实际测量值约2 Hz，但是其线性较差（可能与电机、机械扭转振动、变速箱齿轮咬合等相关），并且存在较严重的机械滞后现象。而氦压驱动的调谐器不仅结构轻巧简单，在测量区间上无回滞，并且线性良好。同时调谐器分辨率可以进一步采用更小流量的质量流量控制器进行控制，从而达到降低分辨率的目的。所以目前制造的氦压调谐器性能更加优良。

3 氦压调谐器低温运行控制系统及可行性分析

超导腔及氦槽最后安装于低温恒温器中，并且运行温度达到4.2 K的低温，需要考虑低温下装置运行的稳定性。首先我们要考虑波纹管内氦气是否会液化的问题，其次考虑控制精度问题。5.2K (2.245×105Pa)为氦气的临界温度，当氦气温度大于5.2 K时，无论如何加压，氦气都将不被液化。通过采用ANSYS中fluent模块对模型进行计算，假定波纹管内为氦气临界温度5.2K，钢绳为腔体运行温度4.2 K（实际温度应当大于4.2 K，这里对漏热量进行最大估值，故取4.2 K），对调谐器和腔体之间进行热传递估算。在4.2 K低温下，316L的导热系数降至0.37 W·m−1·K−1左右，设置钢绳与上端316L材料的支撑块连接处边界条件为4.2 K温度，同时设置波纹管上端法兰与氦气相接处温度边界条件为5.2 K。如图5所示，模拟得到热流量大小为0.002W，说明外界只需要对调谐器有0.002 W大小的热量传递，就能够使波纹管内氦气不液化。根据经验值[9]，低温恒温器对内部部件的热辐射为0.1W·m−2，对调谐器进行热辐射计算得到热辐射大致为0.016 W。可以看出，在热辐射作用下，已经能够使氦气不产生液化；同时氦气接管的导热也将产生少量漏热，对波纹管进行升温。由此可以得出，波纹管内氦气不会被液化。说明调谐器在超导低温下可正常运行。

图5 简化热传递分析Fig.5 Simplified heat transfer analysis.

4 结语

已制造完成的氦压调谐器在压力调节范围内可满足设计要求，且未出现回滞现象，线性良好。

传统的压力和位移控制均不能达到分辨率的要求，而本文提出在分辨率测试过程中使用的控制进气量方式对调谐器进行控制时，调谐器分辨率能达到设计要求，说明此方法在分辨率控制上是可行的。

同时热计算表明，氦气在波纹管中不会液化，使用氦气驱动波纹管方案可行。所制造的调谐器可用于HWR超导腔的调谐。

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9 边琳, 李少鹏, 杨欢, 等. 北京正负电子对撞机重大改造工程超导腔恒温器静态热负荷分析[J]. 低温工程, 2010, 32(3): 7–10. DOI: 10.3969/j.issn.1000-6516. 2010.03.002

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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

中国科学院战略性先导科技专项(No.XDA03020701)资助

李涛，男，1990年出生，2015年于中国科学院大学获硕士学位

张斌，E-mail: zhangb@impcas.ac.cn

2015-03-20，

2015-05-16