超导腔降温过程的流动传热机理与自动控制技术研究

The superconducting cavity is the key component of modern superconducting accelerators, which greatly reduces the size of the accelerator and the power consumption. During the process of its development, testing and sophisticated operation, the superconducting cavity usually needs to be gradually cooled from room temperature to superconducting temperature zone (4.2K and below). At present, there are few researches on the cooling process of superconducting cavity at home and abroad. Generally, the method of manual control is generally adopted for cooling process, which has the disadvantages of a low degree of automation, relying on the experience of the controllers, and lacking analysis of the heat transfer mechanism in the cooling process. Based on the basic principle of heat transfer, the cooling process of 650MHz double cell superconducting cavity in the Beam test station of the Platform of Advanced Photon Source Technology R&D (PAPS) project is the main research object. The heat transfer mechanism analysis and numerical simulation research are carried out. The calculation method and control program are established by combining with automatic control theory. At the same time, the related experiments are carried out by using the domestic existing experimental platform for moderate reform, and the accuracy of simulation results are verified by experimental data. This project aims to improve the automation of the cooling process of superconducting cavity, and then to realize the automatic cooling process of superconducting cavity. A general research method for the cooling process of superconducting cavity can be obtained from the above research results, which can be extended to other types of superconducting cavity to improve the cooling control accuracy and overall pre-research ability.

超导腔是现代超导加速器的核心部件，可大幅减小加速器的尺寸并降低加速器的功耗。在超导腔的研制、测试和老练运行过程中，经常需要将超导腔从室温逐步冷却至超导温区（4.2K及以下）。国内外目前对超导腔降温过程的研究较少，对其降温一般采用手动控制的方法，自动化程度低，依赖控制人员的经验，缺乏对降温过程中的传热学机理分析。本项目将从传热学的基本原理出发，以先进光源技术研发与测试平台项目（PAPS）650MHz双cell束流源测试超导腔的降温过程为研究对象，开展传热机理分析和数值仿真研究，结合自动控制理论建立计算方法和控制程序，利用国内已有实验平台进行适度改造进行相关的实验研究，使用实验数据对仿真结果的精确度进行验证。本项目旨在提高超导腔降温过程的自动化程度，进而实现超导腔的自动降温过程。以上研究成果可获得对超导腔降温过程的一般性研究方法，进而可推广至其它种类的超导腔，提高降温控制精度和整体预研能力。

超导腔是现代超导加速器的核心部件，可在单位长度上为束流提供更高的加速电压和高频功率，还可以节省设备占用的空间。在超导腔的研制、测试和老练过程中，通常需要对超导腔进行多次降温和复温，降温是指将超导腔从常温温区（300K 左右）逐步冷却至超导温区（4.2K 及以下）的过程。超导腔的降温过程具有独特的要求：① 超导腔是薄壁空腔结构，无法承受过大的热应力。② 超导腔无法承受过大的压力，压力过大可能导致腔变形。③ 超导腔外流场和换热过程复杂，冷却流体分布不均匀。④ 超导腔在不同温度区间的降温速率不同。⑤ 低温恒温器及超导腔结构复杂，有部分区域传感器无法测量，且传感器反应时间长，难以实现实时反馈。.基于以上原因，目前国内对超导腔的降温过程均采用手动控制的方法，即由控制人员手动调节冷氦气的供应阀门，同时根据传感器反馈的数据不断做调整，最终也可将超导腔温度按照需求平稳降下来。但是以上方法存在较多缺点：① 需要低温系统的控制人员数十小时内不断监控，根据经验手动调整冷却气流参数，极大浪费科研人力资源，经常导致降温总时间长达数天之久；② 对降温过程的传热学原理始终缺乏定量认识，在超导腔实物装上测试台之前难以开展预研工作，只能被动等待。.为了解决以上问题，本项目将从传热学的基本原理出发，以先进光源技术研发与测试平台项目（PAPS）650MHz 双 cell 束流源测试超导腔的降温过程为主要研究对象，开展传热机理分析和数值仿真研究，结合自动控制理论建立计算方法和控制程序，利用国内已有实验平台进行适度改造进行相关的实验研究，使用实验数据对仿真结果的精确度进行验证。实验结果表明，该方法能够实现超导腔平稳快速的降温过程，新的自动降温方法比原手动方法节省40%的时间，并且具有更强的工况适应性。本项目的研究成果可获得对超导腔降温过程的一般性研究方法，可以推广至后续具有大迟滞性、非线性特性的系统，为实现更智能的自动控制奠定了基础，并推动国内相关技术的发展，提升科技竞争力。