真空内扭摆磁铁的内真空盒对高次模发热的抑制作用

bomoaa · 发表于 2011-3-14 14:02:28

　　介绍了BEPCⅡ真空内扭摆磁铁的内真空盒系统。当BEPCⅡ在对撞模式下运行时，真空内扭摆磁铁的间隙拉开到最大值，将内真空盒推入磁极中间，可以使上下游真空盒实现连续光滑的RF 过渡，从而降低束流阻抗和高次模发热。通过束流实验观察了内真空盒推入前后磁极表面温度的升高过程，证实了其对于降低磁极上的高次模发热是有效的。在有内真空盒的条件下，观察到磁极表面的平衡温度与总流强和单束团流强的乘积成线性关系。
　　北京正负电子对撞机改造工程（BEPCⅡ）的储存环外环第四象限上安装有一台真空内扭摆磁铁（代号4W2），这是国内目前磁场最高，磁间隙可调范围最大以及横向好场区最宽的真空内扭摆磁铁[1]。
　　4W2 的真空腔室较大，孔径与其上下游的储存环真空盒不一致，这种结构会带来相应的束流阻抗。为了运行时形成镜像壁电流的连续通路, 保持良好的电接触, 减小高次模的泄漏及束流不稳定性, 4W2 真空室内安装了一套内真空盒系统。其功能类似于屏蔽波纹管的RF- finger，可以帮助4W2 与上下游真空盒实现连续光滑的RF过渡[2,3] 。
　　本文介绍了使用内真空盒系统前后，4W2磁极在束流运行时的发热情况，确认了内真空盒系统在抑制高次模发热方面的作用。
1、4W2 内真空盒系统简介
　　如图1 所示，当加速器运行在对撞模式时，扭摆磁铁的磁极竖直方向完全拉开（gap=120 mm），可以通过直线电机将一个和上下游真空盒截面相一致的内真空盒（52 mm×120 mm 的跑道型束流孔径），水平推入扭摆磁铁极面中间[4]，使得4W2与上下游真空盒实现连续光滑的RF 过渡，从而减少了束流阻抗。当加速器运行在同步辐射专用模式运行时，相反地操作，水平拉回内真空盒，扭摆磁铁的磁极合拢，最小的磁间隙可压缩到12 mm，可允许同步辐射专用模式在小间隙下工作。

图1 真空内扭摆磁铁的内真空盒
2、4W2 磁极的高次模发热实验
　　该实验在同样的束流条件下，分别观察推入内真空盒之前和之后4W2 磁极表面的升温过程。测温用的热偶安装在磁极的侧表面。热偶信号经真空穿墙件引出后，就地转换成数字信号传送，避免了传输误差。
　　另外，由于高次模在对磁极加热的同时也会对热偶本身加热，且热偶本身升温要快于磁极表面，因此在测量磁极表面的温度时需要等热偶的读数稳定一段时间，才能认为该读数接近磁极表面的真实温度。注入过程以及丢束过程中出现的温度陡升和陡降都视为干扰，不作为温度数据。
2.1、推入内真空盒之前的实验
　　在BEPCⅡ 对撞模式下（1.89 GeV)，当4W2的磁极完全拉开，内真空盒还没有推入极面中间，我们做了以下束流实验。通过top- up 注入方式，将电子束流的总流强维持在340~350 mA 之间，注入的束团数为50，观察4W2 磁极表面温度变化过程。
　　束流维持了大约1 h 后，温度上升到了185℃左右，如图2 所示。温度在185℃维持了大约40 min 后，继续上升达到了198℃。这时，由于磁极温度过高可能发生退磁，我们不再补注束流。此后，流强不断下降，温度曲线的陡升和陡降是束流丢失过程中的干扰信号。
2.2、推入内真空盒之后的实验
　　保持4W2 磁极的完全拉开状态，将内真空盒推入极面中间，重新观察在上述束流条件下，4W2 磁极表面的升温过程。如图3 所示，这次实验进行了大约4 h，温度上升到130℃之后，一直维持在130℃~140℃之间，没有继续升高（实验结束时，温度曲线尾部的突起是束流丢失过程中的干扰信号）。

图2 推入内真空盒之前的束流实验结果　图3 推入内真空盒之后的温升实验
2.3、不同束流条件下的平衡温度
　　从推入内真空盒之后的温升实验可以看出，有了内真空盒，对应于某一稳定的束流条件，4W2 磁极表面温度可以保持在一个平衡温度附近，并维持比较长的时间。我们改变束流的总流强I 以及束团个数n，通过几次实验来观察平衡温度T 的相应变化。已知高次模发热功率基本上与总流强和单束团流强的乘积（I2 /n）成正比[5] ，考察一下几次实验中平衡温度T 与I2 /n 的关系，结果归纳如表1（I 取top- up 注入的平均流强）：
表1 不同束流条件下的平衡温度

　　由直线拟合可以看出，T 与I2 /n 成线性关系，如图4。
　　拟合得到的公式是T=28.2+0.04523 I2/n。由此外推，如果限定平衡温度不能超过180℃，束团个数为99，那么可算得此时允许的top- up 注入的平均流强大约为576 mA，也就是大约在570~580 mA 之间。如果要将束流流强的上限提高到580 mA 以上，那么就必须降低top- up 注入的下限。实际运行中，注入的束流经常在600 mA 以上，那么必须等流强降至500 mA 以下才进行补注，以限制4W2 磁极的温升。

图4 平衡温度与I2/n 成线性关系
3、结论
　　通过推入内真空盒前后的束流实验，观察到在相同束流条件下，有内真空盒时的4W2 磁极表面温升明显低于没有内真空盒时的温升。可见，内真空盒起到了很好的抑制高次模发热的作用。实际上，在BEPCⅡ后来的高流强（600 mA 以上）运行中，内真空盒成为了4W2 磁极不可或缺的保护屏[6] 。
　　在有内真空盒的条件下，4W2 磁极表面温度可以保持在一个平衡温度附近，并维持比较长的时间。平衡温度与总流强和单束团流强的乘积I2 /n 成线性关系。
参考文献
　　[1] 石才土，景毓辉，李大仕，等. 第一台真空内扭摆磁铁的设计与研制[J]. 高能物理与核物理, 2004，28(6):637- 643.
　　[2] 周德民，石才土. 加耦合腔后4W2 阻抗测量[R]. 北京：中科院高能物理研究所，2006.
　　[3] 周利娟. BEPCⅡ 储存环高频屏蔽波纹管发热实验[J]. 真空,2005，42(2): 49- 52.
　　[4] 盛树刚，曹云. 4W2 真空内扭摆磁铁耦合腔及移动装置设计[R]. 上海：上海交通大学，2004.
　　[5] Chao A W，Tigner M. Hand book of accelerator physicsand engineering [M]. Singapore: World ScientificPublishing Co. Pte. Ltd，1999: 212- 213.
　　[6] Wang J Q，Ma L，Zhang C. The second phase commissioningof BEPC Ⅱ [C]//Proceedings of the 40th ICFA AdvancedBeam Dynamics Workshop on e+e- Factories. Novosibirsk，2008.
　　

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