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1.3 GHz 9-cell高性能超导腔高阶模耦合器电磁及热分析研究

王子晗 潘卫民 米正辉 翟纪元 贺斐思 沙鹏 王光伟 刘铭

王子晗, 潘卫民, 米正辉, 等. 1.3 GHz 9-cell高性能超导腔高阶模耦合器电磁及热分析研究[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202436.230425
引用本文: 王子晗, 潘卫民, 米正辉, 等. 1.3 GHz 9-cell高性能超导腔高阶模耦合器电磁及热分析研究[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202436.230425
Wang Zihan, Pan Weimin, Mi Zhenghui, et al. Electromagnetic and thermal analysis research of high-order-mode coupler for 1.3 GHz 9-cell high performance superconducting cavity[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202436.230425
Citation: Wang Zihan, Pan Weimin, Mi Zhenghui, et al. Electromagnetic and thermal analysis research of high-order-mode coupler for 1.3 GHz 9-cell high performance superconducting cavity[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202436.230425

1.3 GHz 9-cell高性能超导腔高阶模耦合器电磁及热分析研究

doi: 10.11884/HPLPB202436.230425
基金项目: 中国科学院青年创新促进会-人才支撑体系专项(292022000038)
详细信息
    作者简介:

    王子晗,wangzihan@ihep.ac.cn

    通讯作者:

    米正辉,mizh@ihep.ac.cn

  • 中图分类号: TL503.2

Electromagnetic and thermal analysis research of high-order-mode coupler for 1.3 GHz 9-cell high performance superconducting cavity

  • 摘要: 中国科学院高能物理研究所于2023年6月完成了高品质因数1.3 GHz超导加速模组研发,在国际上率先实现了中温退火高品质因数超导腔模组技术路线。模组中集成了八只经过中温退火工艺处理的1.3 GHz 9-cell超导腔,在模组的测试过程中超导腔的高阶模耦合器温升异常,导致超导腔无法在高梯度下稳定工作。本文通过HFSS软件和CST软件中的微波仿真模块对高阶模耦合器进行电磁分析,再通过理论和ansysworkbench软件对高阶模耦合器进行热仿真分析,并结合模组的高功率实验,找到了超导腔性能异常的原因,并对超导腔高阶模耦合器的冷却方式进行了进一步的优化,解决了模组中超导腔高梯度下的不稳定性。
  • 图  1  1.3 GHz 9-cell超导腔及高阶模耦合器结构

    Figure  1.  1.3 GHz 9-cell superconducting cavity and HOM coupler

    图  2  1.3 GHz 9-cell腔高阶模耦合器及其等效电路

    Figure  2.  1.3 GHz 9-cell HOM coupler and its equivalent circuit

    图  3  CST中1.3GHz超导腔高阶模耦合器

    Figure  3.  1.3GHzcavity and HOM coupler in CST

    图  4  高阶模耦合器的S参数曲线

    Figure  4.  The S-Parameters of the HOM coupler in CST

    图  5  超导腔Qe随着gap值变化情况

    Figure  5.  Qe with the gap in cavity

    图  6  高阶模耦合器调谐工装

    Figure  6.  Tuning fixtures of HOM couplers

    图  7  HOM耦合器磁场示意图

    Figure  7.  The Magnetic field in HOM coupler

    图  8  feed through 截面图和实物图

    Figure  8.  Sketch showing the cross-section of the feed through parts and physical drawing

    图  9  1.3GHz9cell模组超导腔低温控制界面及异常温升现象

    Figure  9.  The Cryogenic system of 1.3GHz module and abnormal temperature rise

    图  10  1.3 GHz模组高阶模耦合器热锚图

    Figure  10.  thermal anchor of 1.3 GHz model HOM coupler

    图  11  传热流程图

    Figure  11.  Heat transfer flow diagram

    图  12  热锚及整体结构示意图(热锚为右边圆柱)

    Figure  12.  the anchor and cavity structure(The right cylinder is anchor )

    图  13  高阶模耦合器结构

    Figure  13.  The model of HOM coupler

    图  14  热锚连接良好时天线温度分布

    Figure  14.  Antenna temperature distribution when anchor connected well

    图  15  热锚连接不好时天线温度分布

    Figure  15.  Antenna temperature distribution when anchor not connected well

    表  1  1.3 GHz模组两次测试腔因热锚导致可用梯度的变化对比

    Table  1.   1.3GHz modules cavities usable gradient contrast because of the connection of anchor during two tests

    CAV# Usable gradient of the first test (MV/m) Usable gradient of the second test (MV/m)
    1 15 26.6
    4 18.1 27.7
    5 9 26.5
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-12-01
  • 修回日期:  2024-03-05
  • 录用日期:  2024-02-18
  • 网络出版日期:  2024-04-15

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