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(duì)撞模式下運(yùn)行時(shí)，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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)了其對(duì)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(duì)撞機(jī)改造工程（BEPCⅡ）的儲(chǔ)存環(huán)外環(huán)第四象限上安裝有一臺(tái)真空內(nèi)扭擺磁鐵（代號(hào)4W2），這是國內(nèi)目前磁場(chǎng)最高，磁間隙可調(diào)范圍最大以及橫向好場(chǎng)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(chǔ)存環(huán)真空盒不一致，這種結(jié)構(gòu)會(huì)帶來相應(yīng)的束流阻抗。為了運(yùn)行時(shí)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(shí)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(yùn)行時(shí)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(yùn)行在對(duì)撞模式時(shí)，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(gè)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(shí)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(yùn)行在同步輻射專用模式運(yùn)行時(shí)，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(shí)驗(yàn)

　　該實(shí)驗(yàn)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(cè)溫用的熱偶安裝在磁極的側(cè)表面。熱偶信號(hào)經(jīng)真空穿墻件引出后，就地轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳送，避免了傳輸誤差。

　　另外，由于高次模在對(duì)磁極加熱的同時(shí)也會(huì)對(duì)熱偶本身加熱，且熱偶本身升溫要快于磁極表面，因此在測(cè)量磁極表面的溫度時(shí)需要等熱偶的讀數(shù)穩(wěn)定一段時(shí)間，才能認(rèn)為該讀數(shù)接近磁極表面的真實(shí)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(shí)驗(yàn)

　　在BEPCⅡ 對(duì)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(shí)驗(yàn)。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(shí)，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(hào)。

2.2、推入內(nèi)真空盒之后的實(shí)驗(yàn)

　　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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，溫度曲線尾部的突起是束流丟失過程中的干擾信號(hào)）。

圖2 推入內(nèi)真空盒之前的束流實(shí)驗(yàn)結(jié)果　圖3 推入內(nèi)真空盒之后的溫升實(shí)驗(yàn)

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(shí)驗(yàn)可以看出，有了內(nèi)真空盒， 對(duì)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(gè)平衡溫度附近，并維持比較長的時(shí)間。我們改變束流的總流強(qiáng)I 以及束團(tuán)個(gè)數(shù)n，通過幾次實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(gè)數(shù)為99，那么可算得此時(shí)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(shí)際運(yùn)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(shí)驗(yàn)，觀察到在相同束流條件下，有內(nèi)真空盒時(shí)的4W2 磁極表面溫升明顯低于沒有內(nèi)真空盒時(shí)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(shí)際上，在BEPCⅡ后來的高流強(qiáng)（600 mA 以上）運(yùn)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(gè)平衡溫度附近，并維持比較長的時(shí)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)

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