高效压降式集热器与高压电力系统的高功率测试与研究

《IEEE Transactions on Plasma Science》：High-Power Testing and Research on High-Efficiency Depressed Collector and High-Voltage Power System

本研究针对大型粒子加速器射频电源系统效率低的问题，开发了基于30kV连续波klystron的压低收集极原型系统，优化了收集极结构并集成高压供电系统，实验效率达87.2%，验证了压低收集极技术的可行性。

　　

摘要：

在大型粒子加速器的射频（RF）电源系统中，功率水平可达到数百兆瓦，年耗电量达到太瓦时（TWh）级别。由于微波转换效率本身较低，导致能量损失较大。虽然通过新型材料、结构优化和先进制造技术提高了速调管（klystron）的效率，但效果有限。将“压降集电器”（depressed collector）技术成功应用于高功率速调管，可以显著提高整个系统的效率并减少能量浪费。为了研究将压降集电器技术应用于高效连续波（CW）速调管的可行性，本研究基于为环形正负电子对撞机（CEPC）设计的CW速调管，开发了一个30千伏的低功率原型系统。该原型系统去除了射频输出部分，直接将电子枪与单级压降集电器连接，并与高压电源系统集成在一起，在高功率实验平台上进行了测试。主要解决了关键技术挑战，包括高压运行下的热管理、电极绝缘、阴极与集电器电源之间的协调控制以及浮动电位采样等问题。此外，还对压降集电器的结构进行了优化，以实现更紧凑的配置，便于其集成到高功率速调管系统中。实验结果与理论模拟非常吻合，在额定工作条件下实现了87.2%的效率。这些发现为压降集电器技术在高功率速调管中的实际应用奠定了坚实的基础。

引言

现代大型粒子对撞机，如环形正负电子对撞机（CEPC）和未来的环形对撞机（FCC），需要越来越高的束流能量，总耗电量超过数百兆瓦，年电力需求预计将达到太瓦时（TWh）级别[1]、[2]。作为粒子加速的主要能源供应者，射频（RF）电源系统占总能耗的很大一部分。与其他射频电源（如行波管和固态器件）相比，速调管的效率处于中等至较高水平[3]。然而，仍有大量能量以热的形式在集电器处耗散，需要通过水冷系统进行散热，从而导致较大的能量损失。尽管材料科学、结构优化、制造工艺和计算仿真技术的进步提高了速调管的效率[4]、[5]、[6]、[7]，但由于基本物理限制，通过这些传统方法进一步提高效率的潜力仍然非常有限。