大型氦低溫制冷機關鍵技術研究

CEPC部分雙環(huán)方案低溫系統(tǒng)討論1加速器中心低溫組李少鵬

2016年4月8日內(nèi)容2CEPC主環(huán)部分雙環(huán)超導腔主要參數(shù)

CEPC低溫系統(tǒng)熱負荷預算CEPC低溫系統(tǒng)布局及方案CEPC低溫系統(tǒng)關鍵技術及預研項目3Higgs單環(huán)（Pre-

CDR）Higgs

局部雙環(huán)（高亮度Higgs

局部雙環(huán)（低功率）Z-pole局部雙環(huán)超導腔頻率（MHz）650650650650超導腔總數(shù)38438438432超導腔cell數(shù)5221腔數(shù)/恒溫器4662恒溫器長度（m）1010105恒溫器數(shù)目/高頻半分區(qū)6441恒溫器總數(shù)96646416腔壓（MV）18.259.59.264.47加速梯度（MV/m）15.820.620.119.4超導腔有效長度（m）1.1530.4610.4610.231R/

Q（Ω）514206206103品質(zhì)因數(shù)Q

04E102E102E105.0E9每腔儲能（J）158.7107.4102.147.6運行溫度（K）2222每腔高階模功率（k

W）3.60.80.50.2每腔2

K動態(tài)熱負荷（W）16.221.920.838.9CEPC部分雙環(huán)超導腔主要參數(shù)CEPC主環(huán)超導腔低溫熱負荷4Booster環(huán)采用1.3GHz9-cell超導腔,全環(huán)256只9-cell超導腔,每8只腔公用一臺cryomodule,共32臺Cryomodule；工作溫度2K。主環(huán)單環(huán)方案采用650MHz5-cell超導腔,全環(huán)384只5-cell超導腔,每4只腔共用一臺Cryomodule,共96臺Cryomodule；工作溫度2K。主環(huán)部分雙環(huán)方案采用650MHz2-cell超導腔,全環(huán)384只2-cell超導腔,每6只腔共用一臺Cryomodule,共64臺Cryomodule；工作溫度2K頻率（MHz）每腔電壓（MV）占空比每腔

cell數(shù)腔數(shù)Module數(shù)R/QQ溫度（K)每個腔壁動態(tài)損耗（W）總的動態(tài)損耗（kW)Booster環(huán)13002020%92563210362E1023.860.99主環(huán)（單環(huán)）65017.9CW5384965144E10215.65.99主環(huán)（部分雙環(huán)）6509.5CW2384645142E10221.98.41Booster環(huán)熱負荷初步預算5Booster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cellBooster環(huán)，1.3GHz超導腔Cryomodule:8*9cell主環(huán)單環(huán)方案熱負荷初步預算6主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:4*5cell主環(huán)部分雙環(huán)方案熱負荷初步預算7主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cell主環(huán)，650MHz超導腔Cryomodule:6*2-cellCEPC低溫系統(tǒng)總熱負荷8單位增強器主環(huán)40-80K5-8K2K40-80K5-8K2K各溫區(qū)總的熱負荷KW12.991.882.26120.4918.3313.06等效4.5K熱負荷KW1.341.747.39.1216.9742.13總的4.5K等效熱負荷KW10.3868.22

(66.67)CEPC總熱負荷KW78.6

(77.05)CEPC低溫系統(tǒng)電功率消耗初步預算980K熱負荷5K熱負荷2K熱負荷Boost總的熱負荷（KW）17.631.882.26主環(huán)總的熱負荷（KW）120.43(75.79)18.33(13.74)13.06(15.12)CEPC總熱負荷（KW）138.06(93.42)20.21(15.62)15.32(17.38)制冷機效率（W/W)16.4197.9703.0電功率消耗（MW）2.26(1.53)4.00(3.09)10.77(12.22)總的電功率消耗（MW）17.63(16.84)主環(huán)部分雙環(huán)方案共設8個低溫超導站點:每個站點Booster環(huán)4臺Cryomodule,共32臺；每個站點主環(huán)12臺(或8臺）Cryomodule,共96臺（或i64臺）。每個站點的低溫制冷能力為12KW@4.5K,共96KW@4.5K制冷能力。+

Cryo+

1/2Cryo10CEPC單環(huán)方案與部分雙環(huán)方案比較11兩個方案所需總的制冷能力和電功率相近；部分雙環(huán)方案由于超導腔cell數(shù)減少,恒溫器數(shù)量由96臺減少到64臺,能夠部分降低造價；CEPC低溫系統(tǒng)方案12CEPC低溫系統(tǒng)擬采用超流氦低溫系統(tǒng)設計,超流氦和正常態(tài)氦相比,具有非常大的等效導熱系數(shù),可以迅速消除熱擾動,提高超導系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時超流氦幾乎沒有黏性,超流氦很容易滲透到超導設備的各個部分,超導設備的熱穩(wěn)定性高。超流氦低溫系統(tǒng)具有獨特的優(yōu)勢。超流氦低溫系統(tǒng)三種不同的方案（A）常溫泵(C)冷壓機(B)常溫泵和冷壓機13世界各大加速器實驗室采用的方案2K14LHC

4.5K/2K制冷機流程15低溫系統(tǒng)冷卻方案壓縮機上冷箱壓縮機上冷箱下冷箱下冷箱冷壓縮機冷壓縮機氦氣儲罐水電氣連接冷箱超導腔組元超導腔組元液氮系統(tǒng)地面設備地下設備隧道豎井80-150m特點:1）壓縮機、儲氣罐以及水電儀表空氣氣等常溫設備全部安裝在地面；帶液氮預冷的上冷箱也安裝在地面上,防止液氮或氮氣進入地下造成安全隱患；低于液氮溫區(qū)的設備全部安裝在地下,以減少距離上的傳熱損失；16增強器環(huán)9-cell超導腔冷卻流程17主環(huán)5-cell超導腔冷卻流程18CEPC低溫系統(tǒng)關鍵技術研究—目標國產(chǎn)化19CEPC

低溫系統(tǒng)

12kW@4.5K

大型氦制冷機關鍵技術研究（理化所）1）CEPC大型氦制冷機的設計和研究；2）CEPC大型制冷機的透平膨脹機研制；3）CEPC大型制冷機氦壓縮機研制；CEPC超流氦2K低溫系統(tǒng)關鍵技術研究（高能所）4）CEPC大型低溫系統(tǒng)設計研究；5）大流量2K低溫J-T熱交換熱器研制；6）大流量氦離心式冷壓縮機研制；項