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CSNS-II超导椭球腔形变电场平坦度仿真分析

李波 刘华昌 王云 吴小磊 李阿红 瞿培华 樊梦旭 陈强

李波, 刘华昌, 王云, 等. CSNS-II超导椭球腔形变电场平坦度仿真分析[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200259
引用本文: 李波, 刘华昌, 王云, 等. CSNS-II超导椭球腔形变电场平坦度仿真分析[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200259
Li Bo, Liu Huachang, Wang Yun, et al. Simulating analysis on electric field flatness of deformed superconducting elliptical cavity for CSNS-II linac[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200259
Citation: Li Bo, Liu Huachang, Wang Yun, et al. Simulating analysis on electric field flatness of deformed superconducting elliptical cavity for CSNS-II linac[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200259

CSNS-II超导椭球腔形变电场平坦度仿真分析

doi: 10.11884/HPLPB202133.200259
基金项目: 广东省基础与应用基础研究基金粤莞联合基金项目(2019B1515120012)
详细信息
    作者简介:

    李 波(1986—),男,硕士,从事粒子加速器加速结构研究;libo0910@ihep.ac.cn

  • 中图分类号: TL53

Simulating analysis on electric field flatness of deformed superconducting elliptical cavity for CSNS-II linac

  • 摘要: 超导椭球腔是一种通过冲压零件和电子束焊接而成型的薄壁结构,在加工过程中存在不可避免的形变,如单元倾斜、偏轴,单元长度偏差,从而影响椭球腔的轴向电场平坦度,进而降低椭球腔的运行电场梯度。因此,在椭球腔加工成型后要进行预调谐处理。椭球腔预调谐是通过对椭球腔整形,包括倾斜和偏轴矫正,单元长度矫正,以达到提高轴向电场平坦度的目的。采用COMSOL多物理场耦合软件对CSNS-II(China Spallation Neutron Source Phase II)超导椭球腔可能存在的形变进行了仿真计算,研究了各单元形变量对电场平坦度的影响,分析了腔体调谐位移量对电场平坦度的影响,为椭球腔预调谐提供数据参考,也为预调谐机的设计研制提供指导。另外,确定了椭球腔机械形变的要求,确保椭球腔机械加工质量满足CSNS-II升级的实际工程需求。
  • 图  1  椭球腔形变示意图。(a)单元倾斜;(b)单元偏轴;(c)单元长度偏差

    Figure  1.  Deformation diagram of elliptical cavity: (a) cell tilt; (b) cell off-axis; (c) cell extrusion or stretching

    图  2  椭球腔电场测量“拉线”系统

    Figure  2.  Electric field measurement “stay wire” system of elliptical cavity

    图  3  椭球腔预调谐整形结构模型简图

    Figure  3.  Pre-tuning reshaping structure model diagram of elliptical cavity

    图  4  不同倾斜量下单元峰值电场强度分布

    Figure  4.  Distribution of peak electric field at axis under different tilt values

    图  5  不同偏轴量下单元峰值电场强度分布

    Figure  5.  Distribution of peak electric field at axis under different off-axis values

    图  6  不同单元长度偏差下单元峰值电场强度分布

    Figure  6.  Distribution of peak electric field at axis under different cell length deviation values

    图  7  椭球腔2 mm调谐位移形变

    Figure  7.  Deformation of elliptical cavity caused by 2 mm tuning displacement

    图  8  不同调谐量下单元峰值电场强度分布

    Figure  8.  Distribution of peak electric field at axis under different tuning values

    表  1  椭球腔机械加工形变要求

    Table  1.   Deformation requirements in machining elliptical cavity

    tilt/mmoff axis/mmextrusion or stretching/mm
    end cell110.06
    sub-end cell110.06
    middle cell210.06
    pre-tuning function×
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  • [1] 郑洪娟. ILC/CEPC超导加速系统设计及关键技术研究[D]. 北京: 中国科学院高能物理研究所, 2016: 30-38.

    Zheng Hongjuan. Superconducting radio frequency system design and key technology research for ILC/CEPC[D]. Beijing: Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, 2016: 30-38
    [2] Furuya T. Development of superconducting RF technology[J]. Reviews of Accelerator Science and Technology, 2008(1): 211-235.
    [3] Wang Sheng, Fang Shouxian, Fu Shinian, et al. Introduction to the over all physics design of CSNS accelerators[J]. Chinese Physics C, 2009, 33(s2): 1-3. doi:  10.1088/1674-1137/33/S2/001
    [4] Wei Jie, Fu Shinian, Tang Jingyu, et al. China spallation neutron source—An overview of application prospects[J]. Chinese Physics C, 2009, 33(11): 1033-1042. doi:  10.1088/1674-1137/33/11/021
    [5] 李波, 刘华昌, 王云, 等. CSNS-II超导椭球腔失谐研究[J]. 原子核物理评论, 2020, 37(2):186-190. (Li Bo, Liu Huachang, Wang Yun, et al. Detuning analysis of the superconducting elliptical cavity for CSNS-II linac[J]. Nuclear Physics Review, 2020, 37(2): 186-190 doi:  10.11804/NuclPhysRev.37.2020013
    [6] 刘亚萍. BEPC II 500 MHz 铌腔的研制[D]. 北京: 中国科学院高能物理研究所, 2011: 42-77.

    Liu Yaping. Study of BEPC II 500 MHz niobium cavity[D]. Beijing: Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, 2011: 42-77
    [7] Chiaveri E, Lengeler H. Welding of niobium cavities at CERN[C]//Proceedings of SRF Workshop. 1984: 611-625.
    [8] 贺斐思. 面向加速器前沿的几种射频超导加速腔的研发与测试[D]. 北京: 北京大学, 2013: 37-55.

    He Feisi. R&D on superconducting cavities for the next generation SRF accelerators[D]. Beijing: Peking University, 2013: 37-55
    [9] 唐正博. 超导腔的预调谐技术研究[D]. 上海: 中国科学院上海应用物理研究所, 2014: 57-66.

    Tang Zhengbo. Study on the pre-tuning technology of the superconducting cavity[D]. Shanghai: Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, 2014: 57-66
    [10] COMSOL study center[EB/OL]. http://cn.comsol.com/learning-center.
    [11] 徐江峰, 金永兴, 邬良能, 等. 理想导体金属谐振腔电磁场微扰理论研究[J]. 微波学报, 2004, 20(1):26-29. (Xu Jiangfeng, Jin Yongxing, Wu Lingneng, et al. A new perturbation theory of electromagnetic fields in metal cavity[J]. Journal of Microwaves, 2004, 20(1): 26-29 doi:  10.3969/j.issn.1005-6122.2004.01.007
    [12] 宋翔翔, 郭之虞, 朱昆, 等. RFQ加速器腔体电场分布的冷模测量[J]. 北京大学学报(自然科学版), 2006, 42(3):339-342. (Song Xiangxiang, Guo Zhiyu, Zhu Kun, et al. Measurement of the field distribution in a cold model of RFQ resonant cavity[J]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, 2006, 42(3): 339-342
    [13] Yin Xuejun, Li Ahong, Xiao Yongchuan, et al. Preliminary study on the RF tuning of CSNS DTL[J]. Chinese Physics C, 2014, 38: 027002. doi:  10.1088/1674-1137/38/2/027002
    [14] 杨峻. 1500 MHz 5-cell超导腔的仿真及优化[D]. 上海: 中国科学院上海应用物理研究所, 2015: 17-28.

    Yang Jun. Simulation of a 1500 MHz 5-cell superconducting cavity[D]. Shanghai: Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, 2015: 17-28
    [15] 米正辉. 超导腔调谐器设计研究[D]. 北京: 中国科学院高能物理研究所, 2015: 29-32.

    Mi Zhenghui. Design and research of tuner for superconducting cavity[D]. Beijing: Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, 2015: 29-32
  • [1] 赵良超, 何小中, 庞健, 马超凡, 石金水.  离子源注入型IH加速腔冷测与调谐 . 强激光与粒子束, doi: 10.11884/HPLPB201931.190066
    [2] 张磊, 王锋锋, 刘鲁北, 王若旭, 于培炎, 高郑, 张斌.  C-ADS强流质子直线加速器调谐系统测试分析 . 强激光与粒子束, doi: 10.11884/HPLPB201830.180155
    [3] 覃觅觅, 侯慎勇.  内导体倾斜的内开槽同轴回旋管 . 强激光与粒子束, doi: 10.11884/HPLPB201830.180246
    [4] 李英华, 张林, 赵宇, 程晋明, 赵新才, 张祖根, 叶想平, 刘宁文, 蔡灵仓.  超高应变率拉伸破碎铝的粒子尺寸测量 . 强激光与粒子束, doi: 10.11884/HPLPB201628.151143
    [5] 范培亮, 朱凤, 钟胡天翔, 全胜文, 刘克新.  β162.5 MHz taper型HWR腔的机械性能分析(英) . 强激光与粒子束, doi: 10.11884/HPLPB201628.125103
    [6] 杨仁俊, 李凯, 肖德鑫, 王建新, 刘宇, 王汉斌, 吴岱, 杨兴繁.  光阴极直流高压电子枪束流偏轴发射研究 . 强激光与粒子束, doi: 10.11884/HPLPB201527.065101
    [7] 郭乐田, 黄文华, 孙钧, 宋志敏, 邢笑月, .  圆波导TM01-矩形波导TE10模式转换器 . 强激光与粒子束, doi: 10.11884/HPLPB201527.093001
    [8] 邓浩, 游安清, 田俊林.  基于图像分析的摄像头轴偏量标定方法 . 强激光与粒子束, doi: 10.11884/HPLPB201426.071005
    [9] 徐德刚, 蒋浩, 张昊, 王与烨, 李忠洋, 钟凯, 赵刚, 杨闯, 高恒, 姚建铨, .  小型化外腔可调谐THz参量振荡器 . 强激光与粒子束, doi: 10.3788/HPLPB20132506.1465
    [10] 王琦, 许光明, 王飞.  腔镜倾斜对平面环形腔激光振荡模式的影响 . 强激光与粒子束, doi: 10.3788/HPLPB20132511.2803
    [11] 郭志达, 李中泉, 翟纪元, 玉静, 赵同宪, 高杰.  1.3 GHz 9单元Ichiro型模型铜腔的预调谐 . 强激光与粒子束,
    [12] 林洪沂, 苗杰光, 檀慧明, 苏少昌, 崔铁成, 郭劲.  外腔式宽调谐被动调Q Nd:YVO4/PPMgLN光学参量振荡器 . 强激光与粒子束,
    [13] 储建华, 赵振堂.  偏轴双腔互比型腔式束流位置监测器 . 强激光与粒子束,
    [14] 彭玉峰, 李阔湖, 陈靖, 吕珍龙, 彭爱莲, 魏要丽, 张永涛.  高斯反射镜及其倾斜对平凹腔激光场分布的影响 . 强激光与粒子束,
    [15] 李国会, 叶一东, 向汝建, 陈天江, 郑为民, 雒仲祥, 何忠武, 胡晓阳.  差分吸收激光雷达测量NO2浓度的实验研究 . 强激光与粒子束,
    [16] 章文卫, 蒋薇, 张开志, 戴志勇, 石金水, 邓建军, 丁伯南.  强流电子束束心横向运动调谐技术研究 . 强激光与粒子束,
    [17] 李实, 刘韦, 苏小保, 阴和俊.  螺旋线径向挤压变形对其慢波结构冷测特性的影响 . 强激光与粒子束,
    [18] 任钢, 郑建刚, 蔡邦维, 郑奎兴, 张雄军, 董云, 冯斌, 林东辉.  离轴光线对电光晶体退偏的影响 . 强激光与粒子束,
    [19] 束小建.  氧碘化学激光中的增益光导效应 . 强激光与粒子束,
    [20] 饶长辉, 姜文汉, 凌宁.  模式耦合对倾斜校正自适应光学系统的非等晕限制 . 强激光与粒子束,
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-09-09
  • 修回日期:  2020-12-01
  • 网络出版日期:  2020-12-07

CSNS-II超导椭球腔形变电场平坦度仿真分析

doi: 10.11884/HPLPB202133.200259
    基金项目:  广东省基础与应用基础研究基金粤莞联合基金项目(2019B1515120012)
    作者简介:

    李 波(1986—),男,硕士,从事粒子加速器加速结构研究;libo0910@ihep.ac.cn

  • 中图分类号: TL53

摘要: 超导椭球腔是一种通过冲压零件和电子束焊接而成型的薄壁结构,在加工过程中存在不可避免的形变,如单元倾斜、偏轴,单元长度偏差,从而影响椭球腔的轴向电场平坦度,进而降低椭球腔的运行电场梯度。因此,在椭球腔加工成型后要进行预调谐处理。椭球腔预调谐是通过对椭球腔整形,包括倾斜和偏轴矫正,单元长度矫正,以达到提高轴向电场平坦度的目的。采用COMSOL多物理场耦合软件对CSNS-II(China Spallation Neutron Source Phase II)超导椭球腔可能存在的形变进行了仿真计算,研究了各单元形变量对电场平坦度的影响,分析了腔体调谐位移量对电场平坦度的影响,为椭球腔预调谐提供数据参考,也为预调谐机的设计研制提供指导。另外,确定了椭球腔机械形变的要求,确保椭球腔机械加工质量满足CSNS-II升级的实际工程需求。

English Abstract

李波, 刘华昌, 王云, 等. CSNS-II超导椭球腔形变电场平坦度仿真分析[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200259
引用本文: 李波, 刘华昌, 王云, 等. CSNS-II超导椭球腔形变电场平坦度仿真分析[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200259
Li Bo, Liu Huachang, Wang Yun, et al. Simulating analysis on electric field flatness of deformed superconducting elliptical cavity for CSNS-II linac[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200259
Citation: Li Bo, Liu Huachang, Wang Yun, et al. Simulating analysis on electric field flatness of deformed superconducting elliptical cavity for CSNS-II linac[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200259
  • 超导椭球腔是粒子加速器技术发展的前沿技术研究内容之一,研究和应用超导椭球腔是提高加速器性能的重要途径[1-2]。中国散裂中子源二期束流功率升级到500 kW,直线加速器H-的能量增益需要由现在的80 MeV提高到300 MeV以上[3-4],其中150~300 MeV能量段采用324 MHz β=0.6五单元超导椭球腔结构[5]。多单元超导椭球腔是通过冲压零件,电子束焊接而成的一种薄壁结构[6-7],其加工过程中不可避免地会产生一些形变,像单元倾斜、单元偏轴和单元长度偏差,这些形变会使椭球腔轴向电场平坦度变差,进而限制了椭球腔加速电场梯度的提高[8]。因此,椭球腔在机械加工完成以后要进行预调谐,通过对椭球腔各单元整形来优化其电场平坦度[9]。本文采用COMSOL多物理场耦合软件[10],通过预置形变,研究分析了椭球腔各单元形变量对电场平坦度的影响,为椭球腔预调谐工作提供参考,也为预调谐机的设计研制提供指导。

    • 椭球腔是一种薄壁结构,焊接过程中由于热收缩会导致单元产生倾斜、偏轴及长度偏差等形变,如图1所示。这些形变会降低椭球腔的电场平坦度,限制加速电场梯度的提高。因此椭球腔加工成型后,需要进行预调谐,测量和调整电场平坦度,并使椭球腔的电场平坦度达到一定的工程指标。

      图  1  椭球腔形变示意图。(a)单元倾斜;(b)单元偏轴;(c)单元长度偏差

      Figure 1.  Deformation diagram of elliptical cavity: (a) cell tilt; (b) cell off-axis; (c) cell extrusion or stretching

      多单元椭球腔电场平坦度是利用微扰理论[11],通过“拉线”系统测量[12-13]图2所示是“拉线”系统示意图,主要部件包括网络分析仪、步进电机、计算机、拉线及扰动小球,计算机远程控制网络分析仪和步进电机,网络分析仪给椭球腔馈入信号激励起电磁场,并回采椭球腔内的电磁信号,同时步进电机拉动微扰小球在椭球腔内穿行,对椭球腔内的电磁场进行微扰。测量完成后,计算机根据网络分析仪回采的信号,给出多单元椭球腔的轴向电场分布,并计算出电场平坦度,电场平坦度F由公式(1)计算[14]。知道了椭球腔的轴向电场分布,可以对椭球腔各单元进行整形调节,将椭球腔的电场平坦度调整达到工程指标。

      图  2  椭球腔电场测量“拉线”系统

      Figure 2.  Electric field measurement “stay wire” system of elliptical cavity

      $$F = \Bigg( {1 - \dfrac{{{E_{\max }} - {E_{\min }}}}{ {\dfrac{{\sum {E_i}}}{N}} }} \Bigg) \times 100{\text{%}} $$ (1)

      式中:N是椭球腔单元数量;Ei是第i个单元的轴上峰值电场;Emax是单元轴上峰值电场最大值;Emin是单元轴上峰值电场最小值。

      CSNS-II椭球腔的整形结构模型如图3所示的黄色部分,整形结构固定在椭球腔的加强筋上并由支架平台支撑,通过移动各个整形结构来调整腔形,优化电场平坦度。目前,设计的整形结构可以实现椭球腔单元倾斜和单元长度的矫正,单元偏轴的矫正还需要通过其他结构来实现,或进一步优化设计整形结构,增加横向移动来实现单元偏轴矫正。

      图  3  椭球腔预调谐整形结构模型简图

      Figure 3.  Pre-tuning reshaping structure model diagram of elliptical cavity

    • CSNS-II超导腔为五单元中β椭球腔,如图3所示,选择一端的三个单元,利用COMSOL多物理场耦合软件给每个单元一定的倾斜量,分别计算对应的单元峰值电场强度分布及场平坦度,图4所示分别为端单元、次端单元和中间单元在不同倾斜量下的峰值电场分布。从计算结果可以看出,中间单元的倾斜容差最大,倾斜量为2 mm时,电场平坦度优于97%,倾斜量为3 mm时,电场平坦度优于95%。端单元的倾斜容差最小,次端单元与端单元的结果比较接近,倾斜量为1 mm时,电场平坦度优于97%,倾斜量为2 mm时,电场平坦度低于95%。

      图  4  不同倾斜量下单元峰值电场强度分布

      Figure 4.  Distribution of peak electric field at axis under different tilt values

      为了降低单元倾斜的可能性,椭球腔两个半单元先焊接成“哑铃”结构,然后对“哑铃”结构进行整平并焊接加强筋,这样可以把单元倾斜控制得很小。考虑到目前椭球腔机械加工能力和经验,对中间单元的倾斜量要求控制在2 mm以内,端单元和次端单元的加工倾斜量要求控制在1 mm以内。另外,增加倾斜调谐功能对预调谐机设计难度增加不大,因此预调谐机设计保有倾斜调谐功能。

    • 与单元倾斜的分析方法类似,对椭球腔的同轴性进行了分析,如图5所示。从计算结果可以看出,中间单元的偏轴量容差最大,偏轴量为1 mm时,电场平坦度优于97%,偏轴量为2 mm时,电场平坦度下降到95%以下。次端单元的偏轴量容差最小,偏轴量为1 mm时,电场平坦度为96.3%。对于机加工形变要求,三个单元均要求控制在1 mm以内,尤其对次端单元要更加严格控制,根据厂家的经验,目前对于椭球腔的加工可以实现这个精度。由于同轴性矫正功能很难在预调谐机上实现,因此主要通过严控加工环节或另外设计调谐结构来调整椭球腔同轴性。

      图  5  不同偏轴量下单元峰值电场强度分布

      Figure 5.  Distribution of peak electric field at axis under different off-axis values

    • 图6是各单元在不同单元长度偏差下单元峰值电场强度分布,从计算结果可以看出,相比较于单元倾斜和单元偏轴,CSNS-II椭球腔的电场平坦度对单元长度容差非常小,0.5 mm的单元长度偏差会使电场平坦度由原来的98.2%下降到70%以下,单元长度偏差小于0.06 mm时,电场平坦度才能好于95%,单靠提高机械加工精度很难使电场平坦度达到设计要求,因此单元长度调谐是十分必要的,根据“拉线”系统的测量结果对单元长度进行连续的调节,直到平坦度达到要求。另外,计算结果显示,压缩椭球单元会降低该单元的峰值电场,相反,拉伸椭球单元则会提高该单元的峰值电场,这为椭球腔预调谐提供了指导。

      图  6  不同单元长度偏差下单元峰值电场强度分布

      Figure 6.  Distribution of peak electric field at axis under different cell length deviation values

      通过对单元倾斜、单元偏轴及单元长度偏差与椭球腔电场平坦度关系的分析,给出了电场平坦度好于95%时,椭球腔的机械加工形变要求,如表1所示。椭球腔单元倾斜和偏轴可以通过控制焊接来达到形变要求,然后通过预调谐机调节单元长度来优化电场平坦度达到工程要求。

      表 1  椭球腔机械加工形变要求

      Table 1.  Deformation requirements in machining elliptical cavity

      tilt/mmoff axis/mmextrusion or stretching/mm
      end cell110.06
      sub-end cell110.06
      middle cell210.06
      pre-tuning function×
    • 超导椭球腔工作频率的调节是通过改变腔体的形状来实现的,椭球腔一端相对固定,一端通过调谐器挤压或拉伸腔体产生轴向形变[15],如图7所示,从而产生工作频率的调谐。

      图  7  椭球腔2 mm调谐位移形变

      Figure 7.  Deformation of elliptical cavity caused by 2 mm tuning displacement

      调谐器在调谐的同时,也会影响到椭球腔的电场平坦度,不同的调谐位移量对电场平坦度影响不同,如图8所示。椭球腔的设计调谐量为250 kHz,对应调谐位移约为±1 mm[5],此时电场平坦度好于97%,椭球腔的极限调谐位移为±2 mm,对应的电场平坦度好于95%,满足工程需求。

      图  8  不同调谐量下单元峰值电场强度分布

      Figure 8.  Distribution of peak electric field at axis under different tuning values

    • 多单元椭球腔在加工过程中存在不可避免的单元倾斜、单元偏轴及单元长度偏差等形变,影响腔的电场平坦度及加速梯度,因此,椭球腔在研制过程中要严格控制形变并在成型后进行预调谐整形。通过仿真模拟了椭球腔单元存在的各种形变对其电场平坦度的影响,给出了椭球腔的机械加工偏差要求,而且椭球腔单元峰值电场分布仿真结果为椭球腔预调谐提供了参考,也为预调谐机的设计研制提供了指导。另外,分析得出椭球腔调谐器设计调谐位移量为±1 mm时对电场平坦度影响不大。下一步,这些仿真数据将在CSNS-II预调谐机和椭球腔的预调谐中进行验证。

参考文献 (15)

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