[论文解读] Testing and Implementation Progress on the Advanced Photon Source (APS) Linear Accelerator (Linac) High-Power S-band Switching System

A. Grelick, N. Arnold+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2000

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 4被引用 6

一句话总结

本文详细介绍了先进光子源（APS）直线加速器用高功率S波段波导开关系统的整体设计、测试与实现，支持可靠运行于35 MW峰值功率，并具备热插拔klystron子系统功能。关键成果包括：在采用锥形过渡结构与SF6气体净化处理的条件下，成功实现WR340波导开关在43 MW功率下的运行；开发出具有52 dB回波损耗的可调谐窗结构，显著提升了FEL与LEUTL运行的可靠性。

ABSTRACT

An S-band linear accelerator is the source of particles and the front end of the Advanced Photon Source injector. In addition, it supports a low-energy undulator test line (LEUTL) and drives a free-electron laser (FEL). A waveguide-switching and distribution system is now under construction. The system configuration was revised to be consistent with the recent change to electron-only operation. There are now six modulator-klystron subsystems, two of which are being configured to act as hot spares for two S-band transmitters each, so that no single failure will prevent injector operation. The two subsystems are also used to support additional LEUTL capabilities and off-line testing. Design considerations for the waveguide-switching subsystem, topology selection, control and protection provisions, high-power test results, and current status are described

研究动机与目标

• 开发一种可靠、可承受35 MW峰值功率的高功率波导开关系统，用于APS直线加速器。
• 通过L3与L6 klystron子系统作为L1/L2与L4/L5的备用，实现热插拔功能，确保系统可用性。
• 通过解决商用WR284波导开关在高功率下的击穿问题，提升波导开关系统的可靠性。
• 设计并测试一种新型WR340波导窗，具备高回波损耗与后钎焊调节能力。
• 将开关系统与灵活的基于PLC的联锁及控制系统集成，实现安全、模式依赖的运行。

提出的方法

• 在SLAC的高功率测试中，采用锥形、电铸的WR284至WR340过渡结构，消除了非锥形过渡结构中出现的电场集中问题。
• 对经修复的WR340波导开关进行高功率测试，其在SF6气体30 PSIG压力下稳定运行至43 MW。
• 实施SF6气体净化-除湿系统，以维持气体纯度，降低击穿风险。
• 设计一种可调谐波导窗，具备后钎焊调节功能，以在实际装配公差下仍能保持高回波损耗（≥40 dB）。
• 在联锁控制柜中部署可编程逻辑控制器（PLCs），实现对开关位置与安全联锁的实时监控与控制。
• 将开关系统与新型联锁架构集成，通过PLC间离散信号与高级消息通信实现故障检测与运行安全。

实验结果

研究问题

• RQ1 在采用合适的过渡结构设计与SF6气体净化处理的前提下，WR340波导开关能否在35 MW峰值功率下实现可靠运行？
• RQ2 经修复的WR340波导开关在采用锥形过渡结构与气体净化处理后，其最大可靠运行功率是多少？
• RQ3 在真实装配公差条件下，经钎焊后，定制设计的可调谐波导窗能否保持回波损耗>40 dB？
• RQ4 基于PLC的控制系统如何通过动态联锁逻辑确保安全、模式依赖的开关操作？
• RQ5 气体净化在防止高功率波导系统中电弧与劣化方面发挥何种作用？

主要发现

• 四组WR340波导开关中有三组成功在43 MW或更高功率下运行，随后才发生重复性电弧，证实该设计能力超过35 MW。
• 第四组开关在净化过程中因严重电弧事件导致性能退化，表明其对初始击穿事件较为敏感。
• 采用电铸锥形过渡结构成功消除了早期非锥形WR284至WR340过渡结构中因电场集中导致的失效问题。
• 原型可调谐波导窗在钎焊前实现52 dB回波损耗，但对装配压力敏感，因此需重新设计后钎焊调节机构。
• 基于杜克大学FEL系统的成功运行，证明SF6气体净化-除湿系统有效，建议未来项目中推广应用。
• 基于PLC的控制与联锁系统（配备时间戳故障堆栈与操作员界面）已成功测试，具备安装条件。