基于162.5 MHz HWR超導(dǎo)腔的氦壓調(diào)諧器的設(shè)計(jì)與測(cè)試

李 濤 張 斌 劉魯北 何 源 張生虎

（中國科學(xué)院近代物理研究所 蘭州 730000）

基于162.5 MHz HWR超導(dǎo)腔的氦壓調(diào)諧器的設(shè)計(jì)與測(cè)試

李 濤 張 斌 劉魯北 何 源 張生虎

（中國科學(xué)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(dǎo)腔被用于CIADS (China Initiative Accelerator Driven System)項(xiàng)目注入器II的低能段。氦氣壓力驅(qū)動(dòng)式調(diào)諧器基于上述腔體的調(diào)諧范圍及機(jī)械性能要求進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。為確保調(diào)諧器運(yùn)行良好，進(jìn)行了常溫測(cè)試。銅制模型腔測(cè)試中調(diào)諧范圍達(dá)到640 kHz，滿足頻率調(diào)節(jié)范圍要求。鈮腔測(cè)試中得到腔體頻率與氣體壓力關(guān)系，調(diào)諧敏感度為0.272 kHz·hPa?1。采用氣體質(zhì)量流量控制方案并搭建氣體驅(qū)動(dòng)控制平臺(tái)進(jìn)行分辨率測(cè)試，在測(cè)試結(jié)果顯示調(diào)諧器滿足調(diào)諧分辨率要求，分辨率精度達(dá)到4.4–15 Hz。計(jì)算了超導(dǎo)腔與調(diào)諧器間的傳熱量，其值不超過0.002W，小于低溫恒溫器與調(diào)諧器之間的熱輻射量，表明此調(diào)諧器可用于HWR腔體。

氦壓，調(diào)諧，超導(dǎo)腔，氣體質(zhì)量流量控制

加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)(Accelerator Driven Sub-critical System, ADS)以加速器產(chǎn)生的高能強(qiáng)流質(zhì)子束轟擊靶核（如鉛等）產(chǎn)生散裂中子作為外源中子驅(qū)動(dòng)和維持次臨界堆運(yùn)行，具有固有安全性[1]。高能強(qiáng)流質(zhì)子加速器低能段采用半波長諧振型(Half Wave Resonance, HWR)超導(dǎo)腔，用以加速被射頻四級(jí)場(Radio Frequency Quadrupole, RFQ)腔體加速過的質(zhì)子，并使質(zhì)子達(dá)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(dǎo)腔[2–3]被用于CIADS (China Initiative Accelerator Driven System)項(xiàng)目注入器II，它將運(yùn)行于低至4.2K的溫度。超導(dǎo)腔在運(yùn)行過程中，其良好的頻率運(yùn)行區(qū)間非常窄，及時(shí)的調(diào)諧對(duì)質(zhì)子能否被加速起著至關(guān)重要的作用。

調(diào)諧器是加速器的關(guān)鍵組成部分，用于調(diào)整諧振腔頻率，使諧振腔工作在選定的頻率范圍內(nèi)，從而使加速器正常工作。擠壓式調(diào)諧器的調(diào)諧不會(huì)產(chǎn)生新的高階模，也不會(huì)引起高階模分布狀況的很大變化，對(duì)于束流軌道也無影響[4]。超導(dǎo)腔加工完成后，酸洗以及降溫等都會(huì)導(dǎo)致腔體頻率產(chǎn)生變化，其頻率很可能不在規(guī)定的區(qū)間。同時(shí)，超導(dǎo)腔的頻率在運(yùn)行時(shí)會(huì)因?yàn)樗芡饬Φ淖兓艿接绊?，腔體受壓時(shí)，頻率降低，受拉時(shí)，頻率升高。其中，最主要的外力影響為氦槽內(nèi)液氦壓力的波動(dòng)。另外，洛倫茲力失諧同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致腔體頻率的變化。使用對(duì)腔體進(jìn)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(diào)諧器。

調(diào)諧器設(shè)計(jì)中可能產(chǎn)生以下幾點(diǎn)問題：一，滯后現(xiàn)象——驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)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(jī)械振動(dòng)現(xiàn)象（如扭轉(zhuǎn)震蕩）以及回程誤差；三，運(yùn)行時(shí)低溫恒溫器與外界驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的溫度交換帶來的大量能量損失；最后，需要保證一個(gè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)在低溫下運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。按照目前世界上的調(diào)諧器運(yùn)行情況來看，氣體驅(qū)動(dòng)的調(diào)諧器具有無回程差、無振動(dòng)、僅波紋管運(yùn)動(dòng)、無滯后等優(yōu)勢(shì)[5]，并且其結(jié)構(gòu)簡單、輕巧、可用于多種腔型。美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室(Argonne National Laboratory, ANL)在1994?2011年間使用的氣體驅(qū)動(dòng)調(diào)諧器超過了5×106h運(yùn)行時(shí)間，僅有77.82h故障，說明其運(yùn)行穩(wěn)定性是可靠的。

162.5 MHz HWR腔體的部分參數(shù)與調(diào)諧要求[6]及對(duì)應(yīng)變化為：腔體頻率162.5 MHz，調(diào)諧范圍360kHz，調(diào)諧分辨率15Hz，調(diào)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(diào)諧器的總體結(jié)構(gòu)以及受力分析

調(diào)諧器的設(shè)計(jì)采用SolidWorks軟件進(jìn)行建模，總體結(jié)構(gòu)如圖1(a)、(b)所示。在設(shè)計(jì)上，此調(diào)諧器主要特點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡單、容易拆卸維護(hù)、質(zhì)量較小、造價(jià)較低，同時(shí)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(diào)諧器低，并且可靠性增加。圖1(a)為軸測(cè)圖，其中軸向圓柱形為氦槽，HWR腔體在其內(nèi)部，通過連接法蘭與調(diào)諧器拉桿相互作用。由于此氦壓調(diào)諧器只能對(duì)腔體施加壓力，在腔體運(yùn)行時(shí)，調(diào)諧器將處于預(yù)壓狀態(tài)。通過向波紋管內(nèi)沖入低溫氦氣，使波紋管內(nèi)壓力增大，波紋管伸長，通過壓板和支撐柱對(duì)上下可調(diào)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(chǎn)生的分力對(duì)拉桿施加拉力，并通過與其連接的連接法蘭對(duì)腔體進(jìn)行壓縮。

圖1 氦壓調(diào)諧器的軸測(cè)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(cè)兩根壓桿，每根壓桿平均受力約2kN。設(shè)氦壓力對(duì)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(chǎn)生的向內(nèi)拉力：

且有：

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

此調(diào)諧器能夠通過調(diào)整鋼絲繩的長度調(diào)整其拉升角度，從而調(diào)整波紋管受力大小。此時(shí)，充入氦壓大小會(huì)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(qiáng)大小相對(duì)降低，如：120°時(shí)，波紋管半徑為60 mm時(shí)，為2×105Pa；70mm時(shí)，最大壓強(qiáng)為1.48×105Pa。最終的角度大小與安裝尺寸以及加工誤差相關(guān)，主要在氦壓波紋管上體現(xiàn)。于是，在安裝之后需要對(duì)氦壓以及腔頻率進(jìn)行大致定標(biāo)，對(duì)于不同的腔體以及不同的運(yùn)行狀態(tài)，壓力與腔體頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系不同。

2 氦壓調(diào)諧器常溫氦壓測(cè)試結(jié)果

2.1 銅制模型腔進(jìn)行調(diào)諧范圍測(cè)試

為保護(hù)造價(jià)昂貴的超導(dǎo)鈮腔，首次測(cè)試采用了銅制模型腔進(jìn)行腔體調(diào)諧范圍測(cè)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(shí)驗(yàn)室制造了用于粗測(cè)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(guān)系Table 1 Relationships between the frequency of Cu cavity and pressure.

從表1中可看出，當(dāng)氦壓加壓到2.4×105Pa時(shí)，氦壓調(diào)諧器仍能夠運(yùn)動(dòng)，而此時(shí)腔體頻率變化已達(dá)到610 kHz，說明調(diào)諧器在量程上滿足要求。圖2為銅腔測(cè)試平臺(tái)。

圖2 銅腔測(cè)試平臺(tái)Fig.2 Test platform of Cu cavity.

2.2 鈮制模型腔進(jìn)行測(cè)試

第二次測(cè)試采用鈮腔測(cè)試，利用千分表測(cè)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(jìn)行循環(huán)。腔體頻率和壓力的關(guān)系，以及腔體頻率與位移的關(guān)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(duì)應(yīng)壓力(a)與位移(b)的關(guān)系Fig.3 Relationships between the frequency of cavity and pressure (a) or displacement (b).

從HWR腔體氦壓調(diào)諧器實(shí)驗(yàn)可知，調(diào)諧敏感度為19 kHz/6.895kPa=2.72 Hz·Pa?1，而目前國內(nèi)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(yuǎn)大于腔體運(yùn)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(shí)測(cè)值比前面根據(jù)120°計(jì)算值200 Hz·Pa?1大，說明實(shí)際安裝角度大于120°。這里體現(xiàn)了氦壓驅(qū)動(dòng)的調(diào)諧器相對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)諧器的一個(gè)優(yōu)勢(shì)：可以通過改變拉繩的角度改變受力，進(jìn)而可以應(yīng)對(duì)腔體加筋等一系列變化導(dǎo)致的受力增大或減少產(chǎn)生的受力變化。由位移關(guān)系可知，腔體的調(diào)諧敏感度為200 kHz·mm?1，與模擬結(jié)果[7]基本一致。

2.3 調(diào)諧器分辨率測(cè)試

鈮腔對(duì)氦壓調(diào)諧器的分辨率進(jìn)行測(cè)試，采用20mL·min?1氣體質(zhì)量流量控制器控制波紋管氣體流入，同時(shí)測(cè)試腔體頻率變化。因?yàn)榇藢?shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)以及實(shí)際測(cè)試已經(jīng)超過當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)分析儀的精度，故只能根據(jù)多點(diǎn)測(cè)量得到的曲線并根據(jù)氣體流量可控制大小對(duì)分辨率進(jìn)行分析。在測(cè)試過程中，在頻率多個(gè)小段變化區(qū)間內(nèi)壓力頻率變化對(duì)應(yīng)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(guān)系圖。

圖4 不同頻率時(shí)氣體通入量與腔體頻率關(guān)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?dú)獾耐ㄈ耄ㄈ霘怏w量對(duì)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(yù)想效果趨勢(shì)一致。當(dāng)采用20mL·min?1的氣體質(zhì)量流量控制器進(jìn)行控制時(shí)，最小進(jìn)氣量可控制在每次0.05 mL以下，在測(cè)試區(qū)間內(nèi)，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(gè)測(cè)試區(qū)間內(nèi)線性良好，已經(jīng)達(dá)到前述設(shè)計(jì)要求。

CIADS的HWR超導(dǎo)腔目前裝配并使用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)諧器是參考美國杰斐遜實(shí)驗(yàn)室(Thomas Jefferson National Accelerator Facility, TJNAF)使用的調(diào)諧器[8]制造的，其分辨率要求僅為100 Hz，實(shí)際測(cè)量值約2 Hz，但是其線性較差（可能與電機(jī)、機(jī)械扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、變速箱齒輪咬合等相關(guān)），并且存在較嚴(yán)重的機(jī)械滯后現(xiàn)象。而氦壓驅(qū)動(dòng)的調(diào)諧器不僅結(jié)構(gòu)輕巧簡單，在測(cè)量區(qū)間上無回滯，并且線性良好。同時(shí)調(diào)諧器分辨率可以進(jìn)一步采用更小流量的質(zhì)量流量控制器進(jìn)行控制，從而達(dá)到降低分辨率的目的。所以目前制造的氦壓調(diào)諧器性能更加優(yōu)良。

3 氦壓調(diào)諧器低溫運(yùn)行控制系統(tǒng)及可行性分析

超導(dǎo)腔及氦槽最后安裝于低溫恒溫器中，并且運(yùn)行溫度達(dá)到4.2 K的低溫，需要考慮低溫下裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性。首先我們要考慮波紋管內(nèi)氦氣是否會(huì)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(dāng)氦氣溫度大于5.2 K時(shí)，無論如何加壓，氦氣都將不被液化。通過采用ANSYS中fluent模塊對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，假定波紋管內(nèi)為氦氣臨界溫度5.2K，鋼繩為腔體運(yùn)行溫度4.2 K（實(shí)際溫度應(yīng)當(dāng)大于4.2 K，這里對(duì)漏熱量進(jìn)行最大估值，故取4.2 K），對(duì)調(diào)諧器和腔體之間進(jìn)行熱傳遞估算。在4.2 K低溫下，316L的導(dǎo)熱系數(shù)降至0.37 W·m?1·K?1左右，設(shè)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(shí)設(shè)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(duì)調(diào)諧器有0.002 W大小的熱量傳遞，就能夠使波紋管內(nèi)氦氣不液化。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值[9]，低溫恒溫器對(duì)內(nèi)部部件的熱輻射為0.1W·m?2，對(duì)調(diào)諧器進(jìn)行熱輻射計(jì)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(jīng)能夠使氦氣不產(chǎn)生液化；同時(shí)氦氣接管的導(dǎo)熱也將產(chǎn)生少量漏熱，對(duì)波紋管進(jìn)行升溫。由此可以得出，波紋管內(nèi)氦氣不會(huì)被液化。說明調(diào)諧器在超導(dǎo)低溫下可正常運(yùn)行。

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

4 結(jié)語

已制造完成的氦壓調(diào)諧器在壓力調(diào)節(jié)范圍內(nèi)可滿足設(shè)計(jì)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(dá)到分辨率的要求，而本文提出在分辨率測(cè)試過程中使用的控制進(jìn)氣量方式對(duì)調(diào)諧器進(jìn)行控制時(shí)，調(diào)諧器分辨率能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，說明此方法在分辨率控制上是可行的。

同時(shí)熱計(jì)算表明，氦氣在波紋管中不會(huì)液化，使用氦氣驅(qū)動(dòng)波紋管方案可行。所制造的調(diào)諧器可用于HWR超導(dǎo)腔的調(diào)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(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(No.XDA03020701)資助

李濤，男，1990年出生，2015年于中國科學(xué)院大學(xué)獲碩士學(xué)位

張斌，E-mail: zhangb@impcas.ac.cn

2015-03-20，

2015-05-16