电子枪参数的优化结果研制进展
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
POSSION程序计算及优化得到的二维磁聚焦模型
研制进展-谐振腔串
使用CST和ANSYS程序进行多物理耦合场分析，设计并 优化谐振腔冷却方式
研制进展-收集极
采用强制水冷方式，考虑速调管长度，计算并优化得 到收集极设计，可承受满功率电子注的热耗散。
热负载
温度分布
热应力
总体结构
研制进展-输出窗
650MHz/800kW时S11小于-90dB 600-700MHz频率范围内S参数均小于-30dB ±0.5MHz带宽内驻波比小于1.05
研制进展
与地方政府和企业成立“大功率器件工业研究院” ，进行速调管产业化研究。
研制进展
与企业和相关研究所成立联合研制小组，进行“ 产学研”合作。
研制进展-总体设计
三维 CST 程序模拟计算得到的速调管饱和输出功率为 769.5kW，效率为64.1%，饱和输出增益为48.4dB。
电子注运动轨迹 电子注纵向相空间变化
He joined to the many projects such as TRISTAN, KEKB, J-Parc, FEL, NLC (Next Linear Collider), cERL, and STF/ILC (International Linear Collider). He had been the leader of rf group in KEK Linac and contributed to the many developments of rf, including klystron, power supply and power distribution system and the maintenance work of the accelerator operation. From 2005, he joined to GDE of ILC and from 2008; he was a convener of rf system of ILC and contributed to ILC-TDR. ILC rf schemes of DRFS and DKS were proposed by him. For klystron study, he joined to US-Japan collaboration to develop 150 MW klystron from 1983 to 1984 in SLAC USA. He contributed to the developments of S-band 50 MW klystron in KEKB, 324 MHz and 972 MHz 3 MW pulsed klystrons of J-Parc, by solving the oscillation problem of inversely propagating electron form collector and the drift tube oscillation. From 2015, he joined to the CEPC klystron development in China as the invited foreign professor.
背景
因此，2016年初，在所创新经费的支持下启动了 高效率速调管设计工作。 2017年，在王贻芳“科学家工作室”经费支持下 ，开始样管研制工作。
设计方案
SRF参数需求
参数
工作频率(MHz) 腔型
CEPC布局示意图
10GeV→45/120GeV
45/120GeV
45/120GeV
设计值
650 2-cell超导腔
8 Cavities CSM Perveance: 0.25 µp Efficiency: 84.61% Short length
进度计划-2016-2020
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨ ⑩
2016.01-2016.08完成速调管电子枪设计； 2016.05-2016.10完成速调管收集极设计； 2016.04-2017.08完成速调管输出窗设计； 2017.01-2017.06完成速调管聚焦线圈设计； 2017.06-2017.10完成常规效率速调管谐振腔设计； 2017.08-2017.12进行常规效率速调管机械设计； 2017.06-2018.08进行高效率速调管设计； 2017.01-2019.03进行常规效率速调管样管加工和测试； 2018.09-2019.11进行高效率速调管样管加工与测试； 2019.12-2020.03项目结题与验收。
10GeV
单腔输入功率(kW)
腔总数
278
336
设计方案
① 考虑到速调管功率水平和造价，采用一套速调管给 两个超导腔提供功率，即“一带二方”案； ② 考虑功率传输损耗、超导腔失配引起的反射及低电 平反馈系统要求，速调管输出功率确定为800kW连 续波功率； ③ 目前连续波速调管效率约60-65%，考虑到理论和技 术的发展，确定效率研制目标值80%。
水路结构
温度分布
研制进展-整管机械设计
初步完成常规效率整管机械设计
研制进展-高效率设计
6 Cavities 2nd harmonic cavity Perveance: 0.65 µp Efficiency: 73%
8 Cavities BAC Perveance: 0.65 µp Efficiency: 79.41%
背景
FCC 和 CEPC 等 未 来 加 速 器 ， 由 于 束 流 功 率 高 （ 30~50MW/Beam ），对功率源效率提出了更高的要
求，更高的效率意味着更低的造价以及更低的运行费 用，因此，研制高效率的功率源是未来加速器需要首 要考虑的问题。
背景
考虑到在百千瓦量级 RF功率源的现状，速调管在 其稳定性和寿命方面仍然是大型加速器功率源的首 选。
总结
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ 完成速调管电子枪设计； 完成输出窗设计； 完成收集极设计； 完成常规效率速调管理论设计； 正进行高效率速调管理论设计； 正进行常规效率速调管机械设计； 即将启动常规效率速调管加工； 争取早日在国内完成高效率连续波速调管研制工 作。
谢谢大家!
研制进展
实施方案： ① 国内无相关研制经验，研制策略是从易到难，首 先进行常规效率速调管研制； ② 为节约经费，样管部分电子枪、聚焦线圈和收集 极部件可拆卸和重复使用； ③ 更换谐振腔串设计后，进行高效率速调管加工。
研制进展
常规效率设计
重复使用电子枪、 聚焦线圈和收集极 高效率设计
研制进展
与 此 同 时 ， 利 用 院 特 聘 研 究 员 计 划 引 进 KEK Shigeki Fukuda教授来所长期工作。
导流系数(µP) 阴极面电流密度(A/cm2) 阴极面电流密度均匀度(%)
17.8
0.64 <0.45 --
17.48
0.64 0.39~0.43 9.8%
17.48
0.65 ---
17.64
0.64 ---
17.5
0.65 <0.5 <10%
研制进展-聚焦线圈
利用 POSSION 程序对磁聚焦进行设计并优化，最终确 定聚焦磁场由1组反线圈和15组常规线圈产生
速调管时域输出信号波形
时域输出信号波形频谱
研Biblioteka Baidu进展-电子枪
根据Vaughan提出的设计理论建立电子枪的基本结构 利用电子光学计算软件进行模拟计算并优化
DGUN、EGUN、MAGIC及CST模拟计算得到的电子注光学
电子枪参数的优化结果
参数 DGUN EGUN MAGIC2D CST 设计值
束腰半径(mm)
9 Cavities BAC Perveance: 0.65 µp Efficiency: 85.43%
8 Cavities BAC Perveance: 0.25 µp Efficiency: 85%
9 Cavities BAC Perveance: 0.25 µp Efficiency: 82% Short length
CEPC 高效率速调管研制
周祖圣
中国科学院高能物理研究所 2017.12.01
内容提要
背景 设计方案 研制进展 进度计划 总结
背景
希格斯粒子发现后，中国科学家于 2012 年提出建 造下一代环形正负电子对撞机（CEPC）并适时转为质 子对撞机（SppC）的方案，同时欧洲也提出基于LHC 的FCC方案，日本也提出ILC方案，都希望在未来高能 物理方面有新的突破。
研制进展-谐振腔串
使用CST和ANSYS程序进行多物理耦合场分析，设计并 优化谐振腔冷却方式
研制进展-收集极
采用强制水冷方式，考虑速调管长度，计算并优化得 到收集极设计，可承受满功率电子注的热耗散。
热负载
温度分布
热应力
总体结构
研制进展-输出窗
650MHz/800kW时S11小于-90dB 600-700MHz频率范围内S参数均小于-30dB ±0.5MHz带宽内驻波比小于1.05
研制进展
与地方政府和企业成立“大功率器件工业研究院” ，进行速调管产业化研究。
研制进展
与企业和相关研究所成立联合研制小组，进行“ 产学研”合作。
研制进展-总体设计
三维 CST 程序模拟计算得到的速调管饱和输出功率为 769.5kW，效率为64.1%，饱和输出增益为48.4dB。
电子注运动轨迹 电子注纵向相空间变化
He joined to the many projects such as TRISTAN, KEKB, J-Parc, FEL, NLC (Next Linear Collider), cERL, and STF/ILC (International Linear Collider). He had been the leader of rf group in KEK Linac and contributed to the many developments of rf, including klystron, power supply and power distribution system and the maintenance work of the accelerator operation. From 2005, he joined to GDE of ILC and from 2008; he was a convener of rf system of ILC and contributed to ILC-TDR. ILC rf schemes of DRFS and DKS were proposed by him. For klystron study, he joined to US-Japan collaboration to develop 150 MW klystron from 1983 to 1984 in SLAC USA. He contributed to the developments of S-band 50 MW klystron in KEKB, 324 MHz and 972 MHz 3 MW pulsed klystrons of J-Parc, by solving the oscillation problem of inversely propagating electron form collector and the drift tube oscillation. From 2015, he joined to the CEPC klystron development in China as the invited foreign professor.
背景
因此，2016年初，在所创新经费的支持下启动了 高效率速调管设计工作。 2017年，在王贻芳“科学家工作室”经费支持下 ，开始样管研制工作。
设计方案
SRF参数需求
参数
工作频率(MHz) 腔型
CEPC布局示意图
10GeV→45/120GeV
45/120GeV
45/120GeV
设计值
650 2-cell超导腔
8 Cavities CSM Perveance: 0.25 µp Efficiency: 84.61% Short length
进度计划-2016-2020
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨ ⑩
2016.01-2016.08完成速调管电子枪设计； 2016.05-2016.10完成速调管收集极设计； 2016.04-2017.08完成速调管输出窗设计； 2017.01-2017.06完成速调管聚焦线圈设计； 2017.06-2017.10完成常规效率速调管谐振腔设计； 2017.08-2017.12进行常规效率速调管机械设计； 2017.06-2018.08进行高效率速调管设计； 2017.01-2019.03进行常规效率速调管样管加工和测试； 2018.09-2019.11进行高效率速调管样管加工与测试； 2019.12-2020.03项目结题与验收。
10GeV
单腔输入功率(kW)
腔总数
278
336
设计方案
① 考虑到速调管功率水平和造价，采用一套速调管给 两个超导腔提供功率，即“一带二方”案； ② 考虑功率传输损耗、超导腔失配引起的反射及低电 平反馈系统要求，速调管输出功率确定为800kW连 续波功率； ③ 目前连续波速调管效率约60-65%，考虑到理论和技 术的发展，确定效率研制目标值80%。
水路结构
温度分布
研制进展-整管机械设计
初步完成常规效率整管机械设计
研制进展-高效率设计
6 Cavities 2nd harmonic cavity Perveance: 0.65 µp Efficiency: 73%
8 Cavities BAC Perveance: 0.65 µp Efficiency: 79.41%
背景
FCC 和 CEPC 等 未 来 加 速 器 ， 由 于 束 流 功 率 高 （ 30~50MW/Beam ），对功率源效率提出了更高的要
求，更高的效率意味着更低的造价以及更低的运行费 用，因此，研制高效率的功率源是未来加速器需要首 要考虑的问题。
背景
考虑到在百千瓦量级 RF功率源的现状，速调管在 其稳定性和寿命方面仍然是大型加速器功率源的首 选。
总结
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ 完成速调管电子枪设计； 完成输出窗设计； 完成收集极设计； 完成常规效率速调管理论设计； 正进行高效率速调管理论设计； 正进行常规效率速调管机械设计； 即将启动常规效率速调管加工； 争取早日在国内完成高效率连续波速调管研制工 作。
谢谢大家!
研制进展
实施方案： ① 国内无相关研制经验，研制策略是从易到难，首 先进行常规效率速调管研制； ② 为节约经费，样管部分电子枪、聚焦线圈和收集 极部件可拆卸和重复使用； ③ 更换谐振腔串设计后，进行高效率速调管加工。
研制进展
常规效率设计
重复使用电子枪、 聚焦线圈和收集极 高效率设计
研制进展
与 此 同 时 ， 利 用 院 特 聘 研 究 员 计 划 引 进 KEK Shigeki Fukuda教授来所长期工作。
导流系数(µP) 阴极面电流密度(A/cm2) 阴极面电流密度均匀度(%)
17.8
0.64 <0.45 --
17.48
0.64 0.39~0.43 9.8%
17.48
0.65 ---
17.64
0.64 ---
17.5
0.65 <0.5 <10%
研制进展-聚焦线圈
利用 POSSION 程序对磁聚焦进行设计并优化，最终确 定聚焦磁场由1组反线圈和15组常规线圈产生
速调管时域输出信号波形
时域输出信号波形频谱
研Biblioteka Baidu进展-电子枪
根据Vaughan提出的设计理论建立电子枪的基本结构 利用电子光学计算软件进行模拟计算并优化
DGUN、EGUN、MAGIC及CST模拟计算得到的电子注光学
电子枪参数的优化结果
参数 DGUN EGUN MAGIC2D CST 设计值
束腰半径(mm)
9 Cavities BAC Perveance: 0.65 µp Efficiency: 85.43%
8 Cavities BAC Perveance: 0.25 µp Efficiency: 85%
9 Cavities BAC Perveance: 0.25 µp Efficiency: 82% Short length
CEPC 高效率速调管研制
周祖圣
中国科学院高能物理研究所 2017.12.01
内容提要
背景 设计方案 研制进展 进度计划 总结
背景
希格斯粒子发现后，中国科学家于 2012 年提出建 造下一代环形正负电子对撞机（CEPC）并适时转为质 子对撞机（SppC）的方案，同时欧洲也提出基于LHC 的FCC方案，日本也提出ILC方案，都希望在未来高能 物理方面有新的突破。