我国大科学工程改造升级的管理与运行——以北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCⅡ)为例

大科学装置,是现代科学研究的基础设施。而大科学装置的建造项目,即大科学工程。由于其在设备的设计、制造、安装等方面的高技术含量,大科学工程的立项、建造方面都有着其特殊的要求和规律。本文试图通过一期BEPC与二期BEPCII的对比,来探讨大科学工程的决策和建造方面给我们的若干启示。

基于BEPCⅡ数字束流位置测量系统电子学系统的设计与实现

BEPCⅡ加速器的束流位置测量系统(BPM)模拟电子学经过十余年的运行逐渐老化,故障率上升,亟需进行升级改造。本文根据该需求,自行设计了基于BEPCⅡ系统参数的数字BPM电子学系统,内容包括模拟信号处理电子学、数字信号处理电子学、BPM固件算法逻辑、数据获取软件以及系统测试等多个部分。设计的数字BPM电子学系统经实验板级性能测试、实验室系统测试以及在线束流测试,结果表明该系统能满足BEPCⅡ装置对束流位置测量的需求。

BEPC试验束描迹多丝正比室

描述了BEPC试验束e、π描迹用的多丝正比室,阳极触发阴极感应重心读出,介绍了室结构、制造工艺和性能研究。

BEPCⅡ储存环真空控制系统

北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCⅡ)的储存环真空控制系统是基于分布式实时控制软件EPICS架构设计的。真空控制系统负责储存环真空数据的采集、监测和真空阀门的联锁控制,确保真空设备维持超高真空状态。该系统自2006年11月初投入运行至今,一直工作稳定。

BEPC-Ⅱ低温系统的氦气净化技术

氦气净化技术是国家大科学工程北京正负电子对撞机重大改造(BEPC-Ⅱ)中低温系统的关键技术之一。在充分调研国内外大型低温系统氦气净化技术的基础上,结合自身情况,创造性提出氦气储罐内部处理及真空置换方案,一次性充入氦气,将储罐内氦气不纯度控制在40 vpm之内,同时辅之以80 K外置低温吸附器对氦气储罐内以及冷箱和超导设备端的氦气进行净化。高效而又经济的解决了BEPC-Ⅱ低温系统中的氦气纯度问题,成功地进行了制冷机的验收测试和超导设备的调试及运行。

BEPC Ⅱ直线加速器数字BPM前端调理电路的研制

针对北京正负电子对撞机改造工程(BEPCⅡ)直线加速器束流位置测量电子学系统故障率上升这一现状,结合BEPCⅡ直线加速器束流参数以及BPM电子学ADC芯片带通采样的需求,设计了隔离度高、幅相一致性好的数字BPM射频前端电子学模块。数字BPM电子学系统采用MicroTCA 4.0系统架构,以FPGA作为主控制器,基于EDA软件开发设计。重点介绍了射频前端电子学模块中射频功率放大器、数字可调衰减器、带通滤波器等设计和实验室及在线测试结果。BEPCⅡ对撞模式下,使用正电子束流,完成电子学系统在线测试,x方向位置测量精度约为38.46μm,y方向位置测量精度约为26.16μm,其测量精度和系统稳定性优于商用模拟BPM电子学模块,能够满足BEPCⅡ直线加速器束流位置测量需求。

BEPC储存环同步光束流测量光学系统

概括了同步光束流测量的特点 ,简单描述了北京正负电子对撞机 (BEPC)现有同步光束流测量系统。根据BEPC改造对同步光束流测量系统提出的最新指标 ,提出了改造原有系统的新方案。对同步光引出镜进行了全新设计 ;采用高分辨率面阵CCD实现束团横截面尺寸测量、束团强度测量和束团位置检测 ;采用条纹相机实现束团纵向长度的测量 ;利用Zemax程序对新方案进行成像质量分析 ,束团纵向长度测量分辨率为 2 ps ,束团横截面尺寸测量分辨率为 2 0 μm。

BEPC-Ⅱ超导磁体侧多通道低温传输线的制作及性能测试

超导磁体侧低温传输线是国家大科学工程北京正负电子对撞机重大改造(BEPC-II)中低温系统关键部件之一。低温传输线的效率高低直接关系到单台500 W氦低温制冷机能否对3台超导磁体同时降温并平稳运行。结合低温系统建设当中的实际情况,详细阐述了超导磁体侧多通道低温传输线的制作、安装及测试。通过对多种不同实验数据的分析,结合部分低温部件的性能参数,较为准确地推算出整个低温传输线和单位长度低温传输线的热负荷。

BEPCⅡ直线加速器的误差和抖动效应(英文)

为达到BEPCⅡ直线加速器的设计指标,系统地研究了误差和抖动(Jitter)效应对束流性能的影响。误差效应包括束流的初始偏轴和聚焦透镜偏轴导致的色差效应;束流的初始偏轴和加速结构偏轴导致的尾场效应等。主要的抖动效应包括相位漂移抖动和高频功率源中调制器电压的抖动影响等。确定了在BEPCⅡ直线加速器上对误差和抖动的限制,如来自电子枪的束流的初始偏轴应小于等于0.3 mm,加速结构和聚焦磁铁的安装误差应小于等于0.2 mm,相位漂移抖动误差应小于等于2°,调制器的电压抖动误差应小于等于0.1%。并进一步确认了必须采用相位控制系统和束流轨道校正系统,以抑制这些误差效应的影响,达到正、负电子束流能散度小于等于0.5% 和电子束束流发射度小于等于0.25 mm·mrad,正电子束束流发射度小于等于1.60 mm·mrad 的设计目标。

线性标定方法在BEPCⅡ磁铁电源控制中的应用

大约有400台磁铁电源分布在BEPCⅡ储存环和输运线上,全部采用美国散裂中子源电源控制器及接口PSC/PSI进行控制。为了保证较高的控制精度,必须对PSI电流输出控制单元DAC与被控电源的传感器DCCT进行校准。因此,本文介绍了电源远控给定电流的标定原理和采用的线性拟合方法以及标定结果。

工业级全站仪在BEPCⅡ中的应用研究

北京正负电子对撞机(BEPCⅡ)重大改造工程中,结合TDA5005工业级全站仪特点,根据BEPCⅡ中工程技术要求,做了一系列储存环内控制点及仪器设备基准点的测量。分析工业全站仪ATR三维坐标测量的精度及可靠性,探讨其在加速器准直测量中运用的可行性,给出了有益的结论,为同类加速器准直测量应用及拓展工业全站仪应用领域提供了技术依据。

BEPCⅡ直线加速器的双脉冲加速研究(英文)

为了将BEPCⅡ直线加速器的正电子注入速率提高到单脉冲运行时的两倍左右,提出了双脉冲产生和加速的方案。对BEPCⅡ直线加速器双脉冲加速的束流动力学进行了模拟,首次给出了双脉冲的模拟方法。此外,还在BEPCⅡ直线加速器上进行了双脉冲加速的初步实验研究,为以后BEPCⅡ直线加速器的进一步改造提供了参考。

BEPCⅡ电流引线低温端温度非稳态变化理论计算

介绍一种计算电流引线低温端温度非稳态变化的理论计算方法 ,并将计算结果与大型CFD软件包Fluent6 .0的模拟结果进行比较 ,两者符合良好。采用该方法分析了稳态时的氦气流量对非稳态电流引线冷端温升速度的影响。

BEPCⅡ亮度监测系统前端电子学

针对北京正负电子对撞机第二期(BEPCⅡ)基于每个束团亮度监测的快速亮度监测系统对探测器前端电子学的性能要求,设计和实现了包括大动态输入范围的高速前放、程控高速信号甄别、双探头信号反符合,以及信号整形和传输在内的前端电子学系统。测试结果显示前端电子学能够满足4ns间隔的bunch-by-bunch的快速亮度监测系统的应用要求。

BEPC单粒子试验束的数据获取

阐述了Linux操作系统下BEPC电子直线加速器上单粒子试验束数据获取系统的硬件组成及软件设计与实现。

BEPCⅡ辐射监测系统

主要介绍BEPCⅡ(北京正负电子对撞机重大改造工程)辐射监测系统的构建。γ监测器由高压充氩电离室构成,电离室产生的微弱电流信号经I-F电路转换为频率信号;中子监测器主要是由BF3计数管和外围的聚乙烯圆柱体构成;单片机系统内嵌于监测器中,用来处理监测器前端产生的脉冲信号,并提供监测器的人机交互界面和通讯接口;中心计算机用于采集和管理整个系统的数据信息;通过Web服务器,用户可以远程获取监测器的数据。

基于Web的BEPCⅡ磁铁电源的远程监控系统

目前,国内外加速器控制均采用基于以太网的分布式体系结构,控制软件绝大多数采用组态软件包EPICS。而基于Web的远程监控,在当前国际加速器控制领域是一前沿课题。本工作研究了EPICS系统与Web的接口技术,并在此基础上实现了基于Web的BEPCⅡ磁铁电源的远程监测。

BEPCⅡ束流引入的真空测量误差

当BEPCⅡ储存环的束流突然丢失时,真空计和离子泵的压力测量值都先有一个瞬时的减小,之后才逐渐降低到本底压力。这表明束流运行时压力测量值中存在着束流引入的正误差,误差量正是测量值减去实际值之差。丢束之后束流引入的误差立即消失,真空计测量值反映的是实际压力。对于某个真空计,利用突然丢束后压力测量值随时间变化的数据进行非线性拟合,得到一条负指数衰减的抽空曲线,根据它外推可以得到丢束时刻的实际压力。对于若干次突然丢束,用这种方法观察丢束流强不同时该真空计误差量的变化,发现误差量与流强基本呈正比例关系。通过直线拟合求得比例系数,也就得到了在任意流强下根据该真空计压力测量值来计算实际压力的公式。

BEPC储存环真空系统

本文描述了ＢＥＰＣ储存环真空系统的设计、制造和运行。为了使储存环中正负电子的寿命达到８—１０小时，要求真空系统的动态压强低于３×１０－９Ｔｏｒｒ。储存环真空系统的主要气载是由同步辐射光与真空盒壁相互作用产生的。由于弯转的铝真空盒具有容易加工、高的热导性和低的放气率等特性，被广泛应用于真空系统。１１０Ｌ／ｓ的涡轮分子泵机组把系统预抽到１０—６Ｔｏｒｒ左右，主抽泵是工作在弯转磁场中的分布式溅射离子泵。５００Ｌ／ｓ的溅射离子泵安装在特殊的部位，如高频腔，静电分离器以及物理实验区等．１００Ｌ／ｓ离子泵每隔６．５米安装一台，当分市泵不工作时用来维持系统真空．八个全金属闸板阀把真空系统分成八个部份。为了减少由于高次模造成的束流能量损失，要求真空系统光滑过渡。

BEPCⅡ前室真空盒的设计

前室真空盒是BEPCⅡ储存环上的基础部件,它是与真空泵、光子吸收器、束流监测器、磁铁等设备紧密相连的接口,其设计、制造是BEPCⅡ的重要环节。文中提出了BEPCⅡ储存环前室真空盒的结构设计方案,完成了真空状态下前室真空盒结构有限元分析,样机的设计、制造和试验,检测结果表明设计的合理性,目前BEPCⅡ前室真空盒已投入批量生产。