大型氦低温制冷机关键技术研究
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内容
CEPC主环部分双环超导腔主要参数 CEPC低温系统热负荷预算 CEPC低温系统布局及方案 CEPC低温系统关键技术及预研项目
1
CEPC 部分双环超导腔主要参数
超导腔频率（MHz） 超导腔总数 超导腔cell数 腔数 / 恒温器 恒温器长度（m） 恒温器数目 / 高频半分区
恒温器总数 腔压（MV） 加速梯度（MV/m） 超导腔有效长度（m） R/Q（Ω） 品质因数Q0 每腔储能（J） 运行温度（K） 每腔高阶模功率（kW）
CEPC 主环超导腔低温热负荷
Booster环
频率 （MH z）
1300
每腔电 占空
压
比
（MV）
20
20%
每腔 腔数 Modu R/Q
cell
le数
数
9
来自百度文库
256 32
1036
Q 2E10
温度 （K)
2
每个腔壁 动态损耗 （W）
3.86
总的动态损 耗 （kW)
0.99
主环（单 650 17.9 环）
主环（部 650 9.5 分双环）
2K单位 热负荷 （W）
80K热负荷 5K热负荷 （KW） （KW）
2K热负荷 （KW）
总的等效 4.5K热负荷
（KW）
96 200
40
8
19.2
3.84
0.77
腔壁动态热负荷
96 200
40
62.4
19.2
3.84
5.99
HOM动态热负荷
96 390
39
13
37.44
3.74
1.25
控制阀箱及管线
每腔2 K动态热负荷（W）
Higgs 单环 （Pre-CDR）
650 384 5 4 10 6
96 18.25 15.8 1.153 514 4E10 158.7 2 3.6
16.2
Higgs 局部双环 （高亮度
650 384 2 6 10 4
64 9.5 20.6 0.461 206 2E10 107.4 2 0.8
CW 5 CW 2
384 96 384 64
514 4E10
2
514 2E10
2
15.6
5.99
21.9
8.41
Booster环采用1.3GHz 9-cell超导腔，全环256只9-cell超导腔，每8只腔 公用一台cryomodule，共32台Cryomodule；工作温度2K。
主环单环方案采用650MHz 5-cell超导腔，全环384只5-cell超导腔，每4 只腔共用一台Cryomodule，共96台Cryomodule；工作温度2K。
2.26 (1.53) 17.63 (16.84)
18.33 (13.74) 20.21 (15.62) 197.9
4.00 (3.09)
13.06 (15.12) 15.32 (17.38) 703.0
10.77 (12.22)
8
主环部分双环方案
共设8个低温超导 站点：
每个站点Booster环 4台Cryomodule， 共32台；
80K
5K
2K
总热负荷（KW）
80K
5K
静态热负荷
32
140
20
3
4.48
0.64
腔壁动态热负荷
32
140
10
23.2
4.48
0.32
HOM动态热负荷
32
52.8
3.2
7.2
1.69
0.10
控制阀箱及低温管 16
50
10
10
0.8
0.16
线
小计
11.45
1.22
合计（余量因子1.54）
12.99
1.88
21.9
Higgs 局部双环 （低功率）
650 384 2 6 10 4
64 9.26 20.1 0.461 206 2E10 102.1 2 0.5
20.8
Z-pole 局部双环
650 32 1 2 5 1 16 4.47 19.4 0.231 103 5.0E9 47.6 2 0.2 38.9
2
等效4.5K热负荷
1.34
1.74
总的等效 4.5K热负荷 （KW)
2K
0.1 0.74 0.23 0.16
1.47 2.26
7.3
10.38
4
主环单环方案热负荷初步预算
主环， 650MHz 超导腔 Cryomodule： 4*5cell
静态热负荷
数量
80K单位 热负荷 （W）
5K单位 热负荷 （W）
小计
合计（余量因子1.54）
等效4.5K热负荷 （KW）
60
131.58 19.2
14.4
4.8
9.21
10
10
1.6
49.21
50.75 5.7
3.84 0.921 0.32 8.92 13.74 12.4
8.421 0.307 0.32 9.82 15.12 48.6
66.67
6
CEPC低温系统总热负荷
48 50
10
10
2.4
0.48
0.48
小计
78.24
11.9
8.48
合计（余量因子1.54）
等效4.5K热负荷 （KW）
120.49 9.12
18.33 16.97
13.06 42.13
68.22
5
主环部分双环方案热负荷初步预算
主环， 650MHz 超导腔 Cryomodule： 6*2-cell
68.22 (66.67) 78.6 (77.05)
7
CEPC低温系统电功率消耗初步预算
Boost总的热负荷（KW）
80K热负荷 17.63
5K热负荷 1.88
2K热负荷 2.26
主环总的热负荷（KW） CEPC总热负荷（KW） 制冷机效率（W/W) 电功率消耗（MW） 总的电功率消耗（MW）
120.43 (75.79) 138.06 (93.42) 16.4
静态热负荷
数量
80K单位 热负荷 （W）
5K单位 热负荷 （W）
2K单位 热负荷 （W）
80K热负荷 5K热负荷 （KW） （KW）
2K热负荷 （KW）
总的等效 4.5K热负荷
（KW）
64 300
60
12
19.2
3.84
0.77
腔壁动态热负荷
64 300
HOM动态热负荷 控制阀箱及管线
64 144 32 50
主环部分双环方案采用650MHz 2-cell超导腔，全环384只2-cell超导腔 ，每6只腔共用一台Cryomodule，共64台Cryomodule；工作温度2K
3
Booster环热负荷初步预算
Booster环， 1.3GHz 超导腔 Cryomodule： 8*9cell
数量 热负荷/module（W）
各温区总的热负荷 等效4.5K热负荷
单位
增强器
40-80K 5-8K 2K
KW 12.99 1.88 2.26
KW 1.34 1.74 7.3
主环 40-80K 5-8K 2K
120.49 18.33 13.06 9.12 16.97 42.13
总的4.5K等效热负荷 KW
CEPC总热负荷
KW
10.38
CEPC主环部分双环超导腔主要参数 CEPC低温系统热负荷预算 CEPC低温系统布局及方案 CEPC低温系统关键技术及预研项目
1
CEPC 部分双环超导腔主要参数
超导腔频率（MHz） 超导腔总数 超导腔cell数 腔数 / 恒温器 恒温器长度（m） 恒温器数目 / 高频半分区
恒温器总数 腔压（MV） 加速梯度（MV/m） 超导腔有效长度（m） R/Q（Ω） 品质因数Q0 每腔储能（J） 运行温度（K） 每腔高阶模功率（kW）
CEPC 主环超导腔低温热负荷
Booster环
频率 （MH z）
1300
每腔电 占空
压
比
（MV）
20
20%
每腔 腔数 Modu R/Q
cell
le数
数
9
来自百度文库
256 32
1036
Q 2E10
温度 （K)
2
每个腔壁 动态损耗 （W）
3.86
总的动态损 耗 （kW)
0.99
主环（单 650 17.9 环）
主环（部 650 9.5 分双环）
2K单位 热负荷 （W）
80K热负荷 5K热负荷 （KW） （KW）
2K热负荷 （KW）
总的等效 4.5K热负荷
（KW）
96 200
40
8
19.2
3.84
0.77
腔壁动态热负荷
96 200
40
62.4
19.2
3.84
5.99
HOM动态热负荷
96 390
39
13
37.44
3.74
1.25
控制阀箱及管线
每腔2 K动态热负荷（W）
Higgs 单环 （Pre-CDR）
650 384 5 4 10 6
96 18.25 15.8 1.153 514 4E10 158.7 2 3.6
16.2
Higgs 局部双环 （高亮度
650 384 2 6 10 4
64 9.5 20.6 0.461 206 2E10 107.4 2 0.8
CW 5 CW 2
384 96 384 64
514 4E10
2
514 2E10
2
15.6
5.99
21.9
8.41
Booster环采用1.3GHz 9-cell超导腔，全环256只9-cell超导腔，每8只腔 公用一台cryomodule，共32台Cryomodule；工作温度2K。
主环单环方案采用650MHz 5-cell超导腔，全环384只5-cell超导腔，每4 只腔共用一台Cryomodule，共96台Cryomodule；工作温度2K。
2.26 (1.53) 17.63 (16.84)
18.33 (13.74) 20.21 (15.62) 197.9
4.00 (3.09)
13.06 (15.12) 15.32 (17.38) 703.0
10.77 (12.22)
8
主环部分双环方案
共设8个低温超导 站点：
每个站点Booster环 4台Cryomodule， 共32台；
80K
5K
2K
总热负荷（KW）
80K
5K
静态热负荷
32
140
20
3
4.48
0.64
腔壁动态热负荷
32
140
10
23.2
4.48
0.32
HOM动态热负荷
32
52.8
3.2
7.2
1.69
0.10
控制阀箱及低温管 16
50
10
10
0.8
0.16
线
小计
11.45
1.22
合计（余量因子1.54）
12.99
1.88
21.9
Higgs 局部双环 （低功率）
650 384 2 6 10 4
64 9.26 20.1 0.461 206 2E10 102.1 2 0.5
20.8
Z-pole 局部双环
650 32 1 2 5 1 16 4.47 19.4 0.231 103 5.0E9 47.6 2 0.2 38.9
2
等效4.5K热负荷
1.34
1.74
总的等效 4.5K热负荷 （KW)
2K
0.1 0.74 0.23 0.16
1.47 2.26
7.3
10.38
4
主环单环方案热负荷初步预算
主环， 650MHz 超导腔 Cryomodule： 4*5cell
静态热负荷
数量
80K单位 热负荷 （W）
5K单位 热负荷 （W）
小计
合计（余量因子1.54）
等效4.5K热负荷 （KW）
60
131.58 19.2
14.4
4.8
9.21
10
10
1.6
49.21
50.75 5.7
3.84 0.921 0.32 8.92 13.74 12.4
8.421 0.307 0.32 9.82 15.12 48.6
66.67
6
CEPC低温系统总热负荷
48 50
10
10
2.4
0.48
0.48
小计
78.24
11.9
8.48
合计（余量因子1.54）
等效4.5K热负荷 （KW）
120.49 9.12
18.33 16.97
13.06 42.13
68.22
5
主环部分双环方案热负荷初步预算
主环， 650MHz 超导腔 Cryomodule： 6*2-cell
68.22 (66.67) 78.6 (77.05)
7
CEPC低温系统电功率消耗初步预算
Boost总的热负荷（KW）
80K热负荷 17.63
5K热负荷 1.88
2K热负荷 2.26
主环总的热负荷（KW） CEPC总热负荷（KW） 制冷机效率（W/W) 电功率消耗（MW） 总的电功率消耗（MW）
120.43 (75.79) 138.06 (93.42) 16.4
静态热负荷
数量
80K单位 热负荷 （W）
5K单位 热负荷 （W）
2K单位 热负荷 （W）
80K热负荷 5K热负荷 （KW） （KW）
2K热负荷 （KW）
总的等效 4.5K热负荷
（KW）
64 300
60
12
19.2
3.84
0.77
腔壁动态热负荷
64 300
HOM动态热负荷 控制阀箱及管线
64 144 32 50
主环部分双环方案采用650MHz 2-cell超导腔，全环384只2-cell超导腔 ，每6只腔共用一台Cryomodule，共64台Cryomodule；工作温度2K
3
Booster环热负荷初步预算
Booster环， 1.3GHz 超导腔 Cryomodule： 8*9cell
数量 热负荷/module（W）
各温区总的热负荷 等效4.5K热负荷
单位
增强器
40-80K 5-8K 2K
KW 12.99 1.88 2.26
KW 1.34 1.74 7.3
主环 40-80K 5-8K 2K
120.49 18.33 13.06 9.12 16.97 42.13
总的4.5K等效热负荷 KW
CEPC总热负荷
KW
10.38