真空內(nèi)扭擺磁鐵的內(nèi)真空盒對高次模發(fā)熱的抑制作用
介紹了BEPCⅡ真空內(nèi)扭擺磁鐵的內(nèi)真空盒系統(tǒng)。當(dāng)BEPCⅡ在對撞模式下運行時，真空內(nèi)扭擺磁鐵的間隙拉開到最大值，將內(nèi)真空盒推入磁極中間，可以使上下游真空盒實現(xiàn)連續(xù)光滑的RF 過渡，從而降低束流阻抗和高次模發(fā)熱。通過束流實驗觀察了內(nèi)真空盒推入前后磁極表面溫度的升高過程，證實了其對于降低磁極上的高次模發(fā)熱是有效的。在有內(nèi)真空盒的條件下，觀察到磁極表面的平衡溫度與總流強(qiáng)和單束團(tuán)流強(qiáng)的乘積成線性關(guān)系。
北京正負(fù)電子對撞機(jī)改造工程（BEPCⅡ）的儲存環(huán)外環(huán)第四象限上安裝有一臺真空內(nèi)扭擺磁鐵（代號4W2），這是國內(nèi)目前磁場最高，磁間隙可調(diào)范圍最大以及橫向好場區(qū)最寬的真空內(nèi)扭擺磁鐵[1]。
4W2 的真空腔室較大，孔徑與其上下游的儲存環(huán)真空盒不一致，這種結(jié)構(gòu)會帶來相應(yīng)的束流阻抗。為了運行時形成鏡像壁電流的連續(xù)通路, 保持良好的電接觸, 減小高次模的泄漏及束流不穩(wěn)定性, 4W2 真空室內(nèi)安裝了一套內(nèi)真空盒系統(tǒng)。其功能類似于屏蔽波紋管的RF- finger，可以幫助4W2 與上下游真空盒實現(xiàn)連續(xù)光滑的RF過渡[2,3] 。
本文介紹了使用內(nèi)真空盒系統(tǒng)前后，4W2磁極在束流運行時的發(fā)熱情況，確認(rèn)了內(nèi)真空盒系統(tǒng)在抑制高次模發(fā)熱方面的作用。
1、4W2 內(nèi)真空盒系統(tǒng)簡介
如圖1 所示，當(dāng)加速器運行在對撞模式時，扭擺磁鐵的磁極豎直方向完全拉開（gap=120 mm），可以通過直線電機(jī)將一個和上下游真空盒截面相一致的內(nèi)真空盒（52 mm×120 mm 的跑道型束流孔徑），水平推入扭擺磁鐵極面中間[4]，使得4W2與上下游真空盒實現(xiàn)連續(xù)光滑的RF 過渡，從而減少了束流阻抗。當(dāng)加速器運行在同步輻射專用模式運行時，相反地操作，水平拉回內(nèi)真空盒，扭擺磁鐵的磁極合攏，最小的磁間隙可壓縮到12 mm，可允許同步輻射專用模式在小間隙下工作。
圖1 真空內(nèi)扭擺磁鐵的內(nèi)真空盒
2、4W2 磁極的高次模發(fā)熱實驗
該實驗在同樣的束流條件下，分別觀察推入內(nèi)真空盒之前和之后4W2 磁極表面的升溫過程。測溫用的熱偶安裝在磁極的側(cè)表面。熱偶信號經(jīng)真空穿墻件引出后，就地轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳送，避免了傳輸誤差。
另外，由于高次模在對磁極加熱的同時也會對熱偶本身加熱，且熱偶本身升溫要快于磁極表面，因此在測量磁極表面的溫度時需要等熱偶的讀數(shù)穩(wěn)定一段時間，才能認(rèn)為該讀數(shù)接近磁極表面的真實溫度。注入過程以及丟束過程中出現(xiàn)的溫度陡升和陡降都視為干擾，不作為溫度數(shù)據(jù)。
2.1、推入內(nèi)真空盒之前的實驗
在BEPCⅡ 對撞模式下（1.89 GeV)，當(dāng)4W2的磁極完全拉開，內(nèi)真空盒還沒有推入極面中間，我們做了以下束流實驗。通過top- up 注入方式，將電子束流的總流強(qiáng)維持在340~350 mA 之間，注入的束團(tuán)數(shù)為50，觀察4W2 磁極表面溫度變化過程。
束流維持了大約1 h 后， 溫度上升到了185℃左右，如圖2 所示。溫度在185℃維持了大約40 min 后，繼續(xù)上升達(dá)到了198℃。這時，由于磁極溫度過高可能發(fā)生退磁，我們不再補(bǔ)注束流。此后，流強(qiáng)不斷下降，溫度曲線的陡升和陡降是束流丟失過程中的干擾信號。
2.2、推入內(nèi)真空盒之后的實驗
保持4W2 磁極的完全拉開狀態(tài)，將內(nèi)真空盒推入極面中間，重新觀察在上述束流條件下，4W2 磁極表面的升溫過程。如圖3 所示，這次實驗進(jìn)行了大約4 h，溫度上升到130℃之后，一直維持在130℃~140℃之間，沒有繼續(xù)升高（實驗結(jié)束時，溫度曲線尾部的突起是束流丟失過程中的干擾信號）。
圖2 推入內(nèi)真空盒之前的束流實驗結(jié)果 圖3 推入內(nèi)真空盒之后的溫升實驗
2.3、不同束流條件下的平衡溫度
從推入內(nèi)真空盒之后的溫升實驗可以看出，有了內(nèi)真空盒， 對應(yīng)于某一穩(wěn)定的束流條件，4W2 磁極表面溫度可以保持在一個平衡溫度附近，并維持比較長的時間。我們改變束流的總流強(qiáng)I 以及束團(tuán)個數(shù)n，通過幾次實驗來觀察平衡溫度T 的相應(yīng)變化。已知高次模發(fā)熱功率基本上與總流強(qiáng)和單束團(tuán)流強(qiáng)的乘積（I2 /n）成正比[5] ，考察一下幾次實驗中平衡溫度T 與I2 /n 的關(guān)系，結(jié)果歸納如表1（I 取top- up 注入的平均流強(qiáng)）：
表1 不同束流條件下的平衡溫度
由直線擬合可以看出，T 與I2 /n 成線性關(guān)系，如圖4。
擬合得到的公式是T=28.2+0.04523 I2/n。由此外推，如果限定平衡溫度不能超過180℃，束團(tuán)個數(shù)為99，那么可算得此時允許的top- up 注入的平均流強(qiáng)大約為576 mA， 也就是大約在570~580 mA 之間。如果要將束流流強(qiáng)的上限提高到580 mA 以上，那么就必須降低top- up 注入的下限。實際運行中，注入的束流經(jīng)常在600 mA 以上，那么必須等流強(qiáng)降至500 mA 以下才進(jìn)行補(bǔ)注，以限制4W2 磁極的溫升。
圖4 平衡溫度與I2/n 成線性關(guān)系
3、結(jié)論
通過推入內(nèi)真空盒前后的束流實驗，觀察到在相同束流條件下，有內(nèi)真空盒時的4W2 磁極表面溫升明顯低于沒有內(nèi)真空盒時的溫升�？梢�，內(nèi)真空盒起到了很好的抑制高次模發(fā)熱的作用。實際上，在BEPCⅡ后來的高流強(qiáng)（600 mA 以上）運行中，內(nèi)真空盒成為了4W2 磁極不可或缺的保護(hù)屏[6] 。
在有內(nèi)真空盒的條件下，4W2 磁極表面溫度可以保持在一個平衡溫度附近，并維持比較長的時間。平衡溫度與總流強(qiáng)和單束團(tuán)流強(qiáng)的乘積I2 /n 成線性關(guān)系。
參考文獻(xiàn)
[1] 石才土，景毓輝，李大仕，等. 第一臺真空內(nèi)扭擺磁鐵的設(shè)計與研制[J]. 高能物理與核物理, 2004，28(6):637- 643.
[2] 周德民，石才土. 加耦合腔后4W2 阻抗測量[R]. 北京：中科院高能物理研究所，2006.
[3] 周利娟. BEPCⅡ 儲存環(huán)高頻屏蔽波紋管發(fā)熱實驗[J]. 真空,2005，42(2): 49- 52.
[4] 盛樹剛，曹云. 4W2 真空內(nèi)扭擺磁鐵耦合腔及移動裝置設(shè)計[R]. 上海：上海交通大學(xué)，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.
