北京正负电子对撞机重大改造工程加速器的设计与研制PDF电子书下载

第1章 总论 1

1.1 科学目标 1

1.1.1 北京正负电子对撞机及其物理成果 2

1.1.2 中国高能物理发展战略 2

1.1.3 科学意义及目标 3

1.2 从BEPC到BEPCII 4

1.2.1 BEPC概述 4

1.2.2 从单环单束团到单环多束团对撞 9

1.2.3 从单环多束团到双环多束团对撞 11

1.2.4 BEPCII的挑战 14

1.3 BESIII探测器概述 15

1.3.1 总体设计 15

1.3.2 漂移室 17

1.3.3 飞行时间探测器 19

1.3.4 电磁量能器 22

1.3.5 μ子鉴别器 24

1.3.6 超导磁体系统 25

1.4 工程实施 28

1.4.1 工程进展 28

1.4.2 工程管理 31

1.4.3 技术特点和创新 34

第2章 注入器改造 37

2.1 概述 37

2.1.1 前言 37

2.1.2 BEPC直线加速器改进目标与措施 39

2.1.3 项目实施概况 43

2.2 直线加速器物理设计和研究 44

2.2.1 电子枪出口束流参数的选择和模拟计算 44

2.2.2 束流光路的优化设计和模拟计算 46

2.2.3 正电子产生靶上初级电子束的最小束斑尺寸研究 50

2.2.4 微波功率幅度和相位误差的影响 53

2.2.5 束流轨道校正的物理设计研究 53

2.2.6 束流发射度测量的物理研究和测量装置的改造 56

2.2.7 直线加速器物理设计和研究小结 57

2.3 电子枪 57

2.3.1 概述 57

2.3.2 枪体的计算机模拟 58

2.3.3 脉冲产生系统 61

2.3.4 脉冲高压电源 61

2.4 正电子源 63

2.4.1 改进介绍 63

2.4.2 正电子源物理设计 64

2.4.3 正电子源工程设计和制造 70

2.5 微波功率源改造 78

2.5.1 概述 78

2.5.2 大功率速调管 78

2.5.3 脉冲调制器升级改造 80

2.6 微波部件改进 87

2.6.1 新加速管的设计 87

2.6.2 聚束系统的改进 88

2.6.3 微波大功率超高真空波导阀门 90

2.6.4 高功率SiC型干负载 90

2.6.5 次谐波聚束系统 92

2.6.6 高功率波导系统及微波测量和相长度的调配 98

2.6.7 微波监控系统 99

2.7 相位控制 101

2.7.1 概述 101

2.7.2 相控系统采取的技术路线 102

2.7.3 相控系统框架结构 102

2.7.4 相控系统的组成和关键部件 105

2.8 真空系统改进 111

2.8.1 概述 111

2.8.2 各区段真空的改进 111

2.8.3 真空测量的改进 112

2.8.4 真空区段阀联锁保护的改进 112

2.8.5 大功率波导阀真空系统的改进 114

2.8.6 正电子源真空部件的处理和高真空获得 115

2.9 控制系统改进 117

2.9.1 概述 117

2.9.2 计算机系统及网络 118

2.9.3 前端控制设备 119

2.9.4 控制系统软件与数据库应用 122

2.10 束流测量系统改进 127

2.10.1 改进目的和改进内容 127

2.10.2 流强测量系统的改进 127

2.10.3 束流位置探测器（BPM） 131

2.10.4 束流截面测量 136

2.10.5 打靶电子束流截面测量系统 137

2.10.6 束流性能测量 138

2.10.7 束测系统特点和创新点 141

2.11 直线加速器调束和测试 141

2.11.1 束流调试过程中的主要问题和解决措施 141

2.11.2 直线加速器改造工艺测试 143

第3章 磁聚焦结构设计 150

3.1 概述 150

3.2 几何设计 151

3.2.1 射频频率的选择 151

3.2.2 对撞区的几何设计 151

3.2.3 射频区的几何设计 152

3.2.4 弧区的几何设计 153

3.2.5 总体设计 153

3.3 对撞模式磁聚焦结构设计 154

3.3.1 BEPC的磁聚焦结构 154

3.3.2 BEPCII磁聚焦结构的设计 155

3.3.3 误差效应及闭轨校正 158

3.3.4 色品校正和动力学孔径 164

3.4 同步辐射专用模式 168

3.4.1 磁聚焦结构布局 168

3.4.2 模式的设计和主要性能 169

3.4.3 色品校正和动力学孔径 170

3.4.4 插入件的影响 173

3.5 束流注入 174

3.5.1 注入概述 174

3.5.2 注入组件 176

3.5.3 注入点参数及注入孔径要求 177

3.5.4 注入跟踪模拟 178

3.5.5 注入时克服寄生束束作用所需分离量估算 179

3.6 备用方案 180

3.6.1 轨道设计 180

3.6.2 同步辐射模式的Lattice设计 181

3.6.3 正、负电子环的初调方案的磁聚焦结构设计 182

3.7 特点与创新 184

第4章 阻抗和束流不稳定性 186

4.1 概述 186

4.2 阻抗 186

4.2.1 阻抗计算 189

4.2.2 真空部件工程设计中的阻抗控制 196

4.2.3 真空部件阻抗实验室测量 197

4.2.4 基于束流的阻抗测量 199

4.3 束流集体效应 204

4.3.1 单束团集体效应 205

4.3.2 耦合束团不稳定性 207

4.3.3 离子效应 212

4.3.4 光电子效应 214

4.3.5 对束流反馈系统的要求 223

4.3.6 束流寿命 224

4.3.7 最佳取数时间与平均亮度 229

4.3.8 小结 231

4.4 束束相互作用 232

4.4.1 设计阶段的弱强模拟研究 234

4.4.2 强强模拟和实际性能分析 237

4.4.3 可能的性能提高途径 241

第5章 射频系统 245

5.1 概述 245

5.2 超导加速腔 248

5.2.1 技术要求和解决方案 248

5.2.2 超导腔设计 250

5.2.3 主体部件 251

5.2.4 配套设备 251

5.2.5 安装测试条件的建立 252

5.2.6 整体组装 252

5.2.7 测试验收 252

5.2.8 隧道安装 254

5.3 功率源 255

5.3.1 方案选择 255

5.3.2 技术指标和要求 256

5.3.3 功率馈送部分 258

5.3.4 配套设施改造与重建 259

5.3.5 现场安装 261

5.3.6 测试验收 262

5.3.7 小结 263

5.4 低电平控制 264

5.4.1 反馈控制 265

5.4.2 安全联锁及快速保护 267

5.4.3 本地控制 267

5.5 系统集成及联调 268

5.5.1 系统总体布局 268

5.5.2 系统集成和联调 268

5.6 小结 270

第6章 注入系统 272

6.1 概述 272

6.2 冲击磁铁的设计和研制 273

6.2.1 方案选择 273

6.2.2 冲击磁铁的设计 275

6.2.3 冲击磁铁的研制 278

6.2.4 冲击磁铁的测试 280

6.3 注入冲击磁铁电源的设计和研制 283

6.3.1 脉冲电源的线路设计 283

6.3.2 脉冲电源的结构设计 289

6.4 注入系统集成和联调 290

6.4.1 系统集成 290

6.4.2 系统联调 291

6.5 特点与创新 293

6.5.1 冲击磁铁的特点与创新 293

6.5.2 脉冲电源的特点与创新 293

第7章 磁铁系统 296

7.1 概述 296

7.2 偏转磁铁 297

7.2.1 偏转磁铁的物理设计 298

7.2.2 偏转磁铁的样机制造 303

7.2.3 偏转磁铁的批量生产与磁场测量 305

7.3 四极磁铁 310

7.3.1 四极磁铁的物理设计 311

7.3.2 四极磁铁的样机制造 314

7.3.3 老四极磁铁的线圈改造 316

7.3.4 斜四极磁铁的物理设计 318

7.3.5 同步辐射专用模式四极磁铁设计 320

7.3.6 四极磁铁的批量生产与磁场测量 322

7.4 六极磁铁 326

7.4.1 六极磁铁的物理设计 327

7.4.2 六极磁铁的样机制造 328

7.4.3 六极磁铁的批量生产与磁场测量 331

7.5 校正磁铁 333

7.5.1 校正磁铁的物理设计 333

7.5.2 校正磁铁的样机制造 336

7.5.3 高频区特殊校正磁铁设计 336

7.5.4 校正磁铁的批量生产与磁场测量 341

7.6 特点与创新 343

第8章 磁铁电源系统 345

8.1 概述 345

8.1.1 电源系统概况 346

8.1.2 电源设计依据 346

8.1.3 电源设计原则 347

8.2 偏转磁铁（B铁）电源 347

8.2.1 设计方案 347

8.2.2 工作原理 347

8.2.3 电源额定输出值 349

8.3 四、六极磁铁电源 349

8.3.1 设计方案 349

8.3.2 工作原理 350

8.3.3 电源额定输出值 352

8.3.4 直流电压源 352

8.4 校正磁铁电源 353

8.4.1 设计方案 353

8.4.2 工作原理 353

8.4.3 电源额定输出值 354

8.5 对撞区超导磁体电源及超导绕组失超保护系统 354

8.5.1 设计方案 354

8.5.2 工作原理 355

8.5.3 电源额定输出值 357

8.6 对撞区特种磁铁电源及磁铁绕组温度快速保护系统 357

8.6.1 设计方案 357

8.6.2 工作原理 357

8.6.3 电源额定输出值 357

8.6.4 对撞区特种磁铁绕组温度快速保护系统原理 359

8.7 电流稳定度在线巡回检测系统 359

8.7.1 设计方案 359

8.7.2 工作原理 360

8.8 磁铁温度保护系统 361

8.8.1 设计方案 361

8.8.2 工作原理 361

8.9 磁铁电源安装与调试 362

8.9.1 设备安装 362

8.9.2 设备调试 362

8.10 特点与创新 363

第9章 真空系统 365

9.1 概述 365

9.1.1 真空系统基本要求 365

9.1.2 真空系统特点 366

9.1.3 总体布局和主要参数 366

9.2 同步辐射功率与气载 367

9.2.1 同步辐射功率 367

9.2.2 同步辐射气载 368

9.3 真空盒 369

9.3.1 真空盒材料 369

9.3.2 真空盒形状 370

9.3.3 真空性能测试 370

9.4 正电子真空盒内壁镀氮化钛 373

9.4.1 镀膜实验系统建立 373

9.4.2 样机镀膜和工程应用 375

9.5 RF屏蔽波纹管组件 377

9.5.1 样机研制 379

9.5.2 批量生产 380

9.6 光子吸收器 381

9.6.1 设计和计算 381

9.6.2 样机加工和批量生产 382

9.7 真空获得和测量 383

9.7.1 弧区压强分布计算 384

9.7.2 真空获得设备 384

9.7.3 真空测量和控制 387

9.8 对撞区真空系统 388

9.8.1 真空设备布局 388

9.8.2 压强分布计算 389

9.9 真空系统安装和调试 390

9.9.1 真空安装程序 390

9.9.2 真空调试 392

9.10 真空系统动态性能 393

9.10.1 动态压强 393

9.10.2 真空部件运行状况 395

9.11 特点与创新 395

第10章 控制系统 398

10.1 概述 398

10.1.1 控制系统的功能 398

10.1.2 控制系统的任务 399

10.1.3 控制系统的研制开发 400

10.1.4 控制系统的安装调试 401

10.2 控制系统的体系结构 402

10.2.1 硬件体系结构 402

10.2.2 软件体系结构 403

10.2.3 软件工程管理和质量保证 405

10.3 磁铁电源控制系统 407

10.3.1 控制任务和功能 407

10.3.2 技术指标 408

10.3.3 系统建造 408

10.3.4 系统安装调试 416

10.3.5 系统运行 417

10.4 真空控制系统 418

10.4.1 控制任务 418

10.4.2 控制内容及性能指标 418

10.4.3 系统架构和工作原理 419

10.4.4 信号和数据流 422

10.4.5 系统安装调试及运行 423

10.5 高频控制系统 426

10.5.1 控制功能 426

10.5.2 本地控制 426

10.5.3 中央控制 429

10.6 低温控制系统 430

10.6.1 控制任务 430

10.6.2 系统结构和工作原理 430

10.6.3 数据库设计 432

10.6.4 联锁保护设计 433

10.6.5 温度监测仪表的数据通信 433

10.6.6 系统调试运行 434

10.7 束测控制系统 435

10.7.1 虚拟机的建立 436

10.7.2 平均流强和束流寿命监测 436

10.7.3 束流闭轨显示 437

10.8 机械运动控制系统 438

10.8.1 束流挡块控制 438

10.8.2 扭摆磁铁控制 440

10.9 中央安全联锁系统 442

10.9.1 系统要求 442

10.9.2 系统设计 442

10.9.3 系统概述 443

10.9.4 系统运行和总结 448

10.10 定时系统 448

10.10.1 系统的功能 448

10.10.2 系统的技术指标 449

10.10.3 系统的结构和组成 450

10.10.4 系统的建造和调试 456

10.11 调束软件 458

10.11.1 开发环境的建立 458

10.11.2 调束软件总菜单 459

10.11.3 调束软件虚拟机 461

10.11.4 带束流调试 462

10.12 数据库系统 462

10.12.1 数据获取 463

10.12.2 数据查询 463

10.12.3 系统运行状况 465

10.13 中央计算机系统 467

10.13.1 双机热备系统 467

10.13.2 Archiver服务器系统 469

10.13.3 系统运行 470

10.14 网络系统 471

10.14.1 网络设计目标 471

10.14.2 拓扑结构 471

10.14.3 网络管理 472

10.14.4 网络运行 474

10.15 中央控制室 475

10.15.1 整体布局设计 475

10.15.2 控制台和显示墙 475

10.16 特点与创新 477

第11章 束流测量系统 479

11.1 概述 479

11.2 技术指标及探测器布局 480

11.3 束流位置测量（BPM）系统 481

11.3.1 系统结构布局 482

11.3.2 探头 482

11.3.3 测量电子学 484

11.3.4 测量结果 489

11.4 束团流强测量（BCM）系统 489

11.4.1 物理参数和要求 490

11.4.2 信号检测频率选择 490

11.4.3 系统硬件 490

11.4.4 系统软件 492

11.4.5 系统时间估算 492

11.4.6 测量结果 493

11.5 同步光测量（SLM）系统 494

11.5.1 系统功能及要求 494

11.5.2 系统设计 494

11.5.3 束团尺寸测量 499

11.5.4 测量结果 503

11.6 束流损失测量（BLM）系统 503

11.6.1 束流损失机制 504

11.6.2 PIN光二极管 504

11.6.3 闪烁体／光电倍增管 507

11.7 工作点（Tune）测量系统 508

11.7.1 测量单元 508

11.7.2 激励单元 509

11.7.3 测量结果 510

11.8 直流电流变压器（DCCT）系统 512

11.8.1 工作原理 512

11.8.2 系统性能指标 512

11.8.3 探测器工艺 513

11.8.4 数据获取系统 513

11.8.5 测量结果 514

11.9 束流横向反馈（TFB）系统 515

11.9.1 系统设计依据的参数 515

11.9.2 主要参数确定 516

11.9.3 系统组成 517

11.9.4 系统技术指标 521

11.9.5 系统测量及运行结果 522

11.10 束流纵向反馈（LFB）系统 524

11.10.1 主要参数确定 524

11.10.2 系统组成 524

11.10.3 参数汇总 528

11.10.4 系统运行结果 528

11.11 特点与创新 529

第12章 对撞区系统 531

12.1 概述 531

12.2 对撞区物理设计 533

12.2.1 对撞区周边设备 533

12.2.2 对撞区束流轨道设计 534

12.2.3 对撞区磁铁物理设计 534

12.2.4 束流清晰区 538

12.3 超导磁体的研制 538

12.3.1 反螺线管 540

12.3.2 四极磁体（SCQ）和二极磁体（SCB） 540

12.3.3 校正磁体 542

12.3.4 超导磁体线圈在探测器磁场下的受力 543

12.3.5 低温恒温器机械结构 543

12.3.6 超导磁体磁场测量 545

12.4 切割型二极磁铁的研制 548

12.4.1 磁铁设计参数 549

12.4.2 磁场质量要求 549

12.4.3 磁铁结构 551

12.4.4 磁场计算 552

12.5 切割型双孔径四极磁铁的研制 555

12.5.1 Q1a磁铁 555

12.5.2 Q1b磁铁 568

12.6 窄四极磁铁的研制 578

12.7 对撞区真空盒的研制 582

12.8 对撞区设备的安装 586

12.8.1 超导磁体的安装 586

12.8.2 真空盒和特种磁铁的安装 588

12.8.3 零角度亮度探测器的安装 591

12.9 对撞区设备的振动测量 591

12.10 对撞区设备的运行 592

12.11 特点与创新 593

第13章 机械及准直系统 595

13.1 概述 595

13.2 储存环标准单元支架 597

13.2.1 单元支架的技术要求 597

13.2.2 单元支架的设计 600

13.2.3 单元支架上磁铁的定位机构 603

13.2.4 单元支架上真空盒的支撑 604

13.2.5 预安装准直 604

13.2.6 隧道设备安装就位 605

13.3 储存环挡块 608

13.3.1 储存环挡块物理要求 608

13.3.2 挡块的制造 611

13.4 储存环准直测量 616

13.4.1 储存环磁铁标定预准直 616

13.4.2 控制网 620

13.4.3 储存环设备准直 626

13.4.4 束流轨道周长测量 627

13.4.5 对撞区设备准直 628

13.5 特点与创新 633

第14章 低温系统 635

14.1 低温技术基础 635

14.1.1 制冷与低温的获得方法 635

14.1.2 低温传热和绝热 636

14.2 BEPCII低温系统概述 639

14.3 热负荷及制冷量 640

14.3.1 超导腔低温系统热负荷及制冷量 640

14.3.2 超导磁体低温系统热负荷及制冷量 642

14.4 系统流程 648

14.4.1 超导腔低温系统流程 648

14.4.2 超导磁体低温系统流程 649

14.5 制冷机及其控制 650

14.5.1 制冷机介绍 650

14.5.2 制冷机及其主要设备的技术参数 650

14.5.3 制冷机的控制逻辑 652

14.6 低温工质的传输与分配 654

14.6.1 超导磁体系统低温工质的传输与分配 654

14.6.2 超导腔系统低温工质的传输与分配 660

14.7 气冷电流引线 663

14.7.1 SSM及SIM磁体气冷电流引线的设计参数 663

14.7.2 气冷电流引线的结构 667

14.8 常温区大型设施 669

14.8.1 低温大厅 669

14.8.2 储气罐区 672

14.9 低温控制 673

14.9.1 总体布局及PLC系统模块配置 675

14.9.2 测量与控制 676

14.9.3 超导设备的保护 678

14.10 氮系统 679

14.10.1 氮系统的组成与功能 679

14.10.2 氮系统的工作流程 680

14.11 低温系统调试及运行 682

14.11.1 低温系统的调试 682

14.11.2 低温系统的运行与典型故障分析 683

14.12 特点与创新 689

第15章 辐射防护系统 691

15.1 防护设计标准和辐射区域的划分 691

15.1.1 防护设计标准 691

15.1.2 辐射区域的划分 691

15.2 辐射源与辐射屏蔽 693

15.2.1 辐射源项分析 693

15.2.2 束流损失分析 698

15.2.3 BEPCII主体的屏蔽计算 700

15.2.4 BEPCII主体屏蔽设计 705

15.3 人身安全联锁系统 708

15.3.1 BEPC人身安全联锁系统介绍及问题分析 708

15.3.2 BEPCII人身安全联锁系统设计 710

15.4 感生放射性和有害气体 714

15.4.1 感生放射性 714

15.4.2 有害气体 721

15.5 辐射对环境的影响 722

15.5.1 天空反散射 722

15.5.2 三废的产生和排放 723

15.5.3 固态废物的产生和管理 724

15.6 辐射监测 724

15.6.1 个人剂量监测 724

15.6.2 工作场所剂量监测 726

15.6.3 环境剂量监测 730

15.6.4 水、气流出物监测 731

15.6.5 BEPCII环境样品活度监测 732

第16章 通用设施 734

16.1 概述 734

16.2 供电系统 734

16.2.1 概述 734

16.2.2 变电站的设置 735

16.2.3 负荷计算 735

16.2.4 供电方案 735

16.2.5 变电站电力监测系统 737

16.3 工艺水冷系统 738

16.3.1 概述 738

16.3.2 设计参数 739

16.3.3 一次水系统设计 739

16.3.4 二次水系统 744

16.3.5 设备、材料的选择 746

16.3.6 纯水制备 748

16.3.7 水冷监控系统 750

16.4 通风空调系统 753

16.4.1 概述 753

16.4.2 空调系统冷源及水系统 753

16.4.3 通风空调设计参数 754

16.4.4 主要空间通风空调系统设计 754

16.4.5 空调系统自动控制 758

16.4.6 空调系统调试运行情况 758

16.5 压缩空气系统 759

16.5.1 压缩空气用途、供气参数及品质要求 759

16.5.2 压缩空气系统设计 759

16.5.3 安装调试及运行情况 760

16.6 缆温系统 761

16.6.1 线型定温火灾探测器 761

16.6.2 BEPCII缆温系统 762

16.7 火灾自动报警系统 763

16.7.1 火灾自动报警系统简介 763

16.7.2 火灾探测原理 764

16.7.3 BEPCII火灾自动报警系统 766

16.8 地网和接地 769

16.8.1 BEPCII地网和接地建设目标 769

16.8.2 BEPCII地网和接地工程任务概述 769

16.8.3 BEPCII接地工程设计 769

16.8.4 BEPCII接地系统特点和运行性能评价 773

第17章 调束和运行 774

17.1 第一阶段调束 774

17.1.1 第一阶段同步辐射模式调束 776

17.1.2 第一阶段对撞模式调束 778

17.1.3 第一阶段调束和运行小结 782

17.2 第二阶段调束 782

17.2.1 第二阶段同步辐射模式调束和运行 783

17.2.2 第二阶段对撞模式调束 784

17.2.3 亮度优化 788

17.2.4 第二阶段调束和运行小结 791

17.2.5 第二阶段调束主要里程碑 792

17.3 第三阶段调束 792

17.3.1 第三阶段调束概述 792

17.3.2 第三阶段对撞模式调束进展概述 794

17.3.3 第三阶段调束束流性能调试 798

17.3.4 对撞调节和亮度优化 799

17.3.5 高流强效应 807

17.3.6 第三阶段同步辐射模式运行 808

17.3.7 调束、运行中出现的问题及解决 810

17.3.8 储存环调束总结 811

17.4 工艺测试和鉴定验收 811

17.4.1 工艺测试 811

17.4.2 工艺鉴定 819

17.4.3 工艺验收 820

17.5 BEPCII运行 822

17.5.1 高能物理实验运行 823

17.5.2 同步辐射供光运行 831

17.5.3 硬件改造和机器研究 835

17.6 未来与展望 842

附录 848

本书中涉及的非法定计量单位与法定计量单位的换算关系 848

缩略语表 849

索引 856

后记 863