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逢山开路,遇水搭桥
储存环第三阶段亮度达标调试回顾


7月17日,BEPCII通过了国家验收。此前,5月19日储存环通过基础局组织的工艺测试,6月4日,BEPCII工程通过基础局和计财局组织的工艺鉴定。至此,BEPCII第三阶段亮度调束划上了圆满的句号。

第三阶段调束从2008年6月22日开始。7月19日,实现加谱仪磁场下的正负电子对撞,并观测到了对撞产生的强子事例。随后,一方面加速器提高对撞流强,一方面谱仪和加速器一起,围绕主漂噪声、取数本底等问题开展实验,探讨解决途径。9月15日实现亮度1×1032cm-2s-1。10月开始探测器取数试运行,表明取数效率比改造前提高了10倍。但是,随后的调束发现,尽管流强和束团数增加,但亮度却不随束团数的增加成比例提高,表现为束团亮度沿束团串降低。到2008年底,尽管对撞流强实现了600mA×600mA,但最高亮度却只达到1.3×1032cm-2s-1。需要尽快搞清楚影响BEPCII亮度进一步提高的原因究竟是出现了类似KEKB和PEP-II的ECI效应,还是其他的不稳定性?能不能找到引起不稳定性的源,并及时加以排除?

2008年11-12月,通过一系列实验,终于断定原因是正电子环临时采用的BEPC荧光靶端口法兰因未作高频屏蔽处理,俘获高次模引起束流纵向振荡。于是决定2009年春节期间拆除荧光靶。果然,在拆除正电子环两个荧光靶后,高流强时正电子束团串尾部束团的纵向振荡幅度大大减弱,相应地,亮度沿束团串降低的情况好转。随着对撞流强提高,亮度的纪录也不断地被刷新。同样对撞流强下,亮度比2008年的最高纪录提高了50%。

2009年3月转入 ψ(2S) 物理取数。由于对撞亮度高,运行稳定,3月19日提前“一个月获取超过CESRc/CLEOc的 ψ(2S) 数据量”的计划。此后,BEPCII加速器一方面保持高亮度稳定运行,实现高效率物理取数,一方面穿插安排机器研究,继续提高峰值亮度。

3月23-26日,加速器在为BESIII供束的间隙进行机器研究,26日亮度突破性地达到了2.095×1032cm-2s-1,上了一个新台阶。正当调束人员准备再接再厉,继续提高亮度时,3月27日凌晨,一只猫跳到变电站2# 调压器上端,造成其负荷侧出口短路,供电系统出现电压闪变和局部范围停电,加速器大批硬件受损,尤其低温系统,直到4月1日才恢复注入。此次停电不但直接影响了运行时间,而且由于当时只剩下1# 调压器处于满载运行,加速器磁铁甚至不能做标准化,只能维持物理取数,无法进行机器研究。在这样的困难条件下,至4月14日,加速器为BESIII获取约一亿 ψ(2S) 衰变事例的同时,对撞亮度继续创下新高,4月12日达到2.299×1032cm-2s-1

4月9日,高能所收到中国科学院基础局转发的国家发改委文件,文件将BEPCII列为已投资已基本完成的项目,应该在9月30日前完成验收,如果需要延期或更改指标,必须在4月15日前提出。同日,召开了第四次调束研讨会。调束组根据拆除荧光靶后的亮度提高趋势,认为可以在没有纵向反馈系统的情况实现亮度达标。基于此,4月10日工程指挥部会议上做出重要决定,认为经过努力,BEPCII应该能够在9月30日前达到3×1032cm-2s-1的验收指标,不需要提出延期或更改指标,并决定在基本完成ψ(2S) 取数计划后,用约一个月的时间进行加速器调束,争取尽快达到验收指标并进行专家测试。

4月14日,储存环开始机器研究。根据此前亮度随流强提高的趋势,只要将对撞总流强提高到600mA以上,就有望实现2.5×1032cm-2s-1甚至更高的对撞亮度。但是,BEPCII之前并未在600mA上长期运行过,虽然对高流强下可能带来的问题有所准备,4月17日还是发生了故障:在尝试单束团流强10mA左右,总流强600mA对撞时,真空内扭摆磁铁4W2端部的波纹管因高次模打火导致真空泄漏。事故的直接原因可能是波纹管法兰的高频屏蔽在结构设计上不够完善,或者是多次拆装造成电接触不好。这次事故对调束的影响是灾难性的,首先是时间的损失,直到4月25日才恢复束流注入,而要达到500mA以上的流强,还需要约10天时间扫真空时间;其次,也是更致命的,由于来不及设计制造更加完善的高频屏蔽结构,只能先修复原有法兰维持使用,仍然存在打火风险,这就需要限制流强。实现亮度达标在时间和策略上形势非常严峻。

经过反复讨论,决定采取两个措施,一方面请通用运行部和所工厂设法从隧道空调引出冷风、冷水给4W2波纹管降温,以确保其在500mA时安全运行,另一方面将储存环lattice的工作点移至模拟计算结果认为亮度较高的半整数附近,以提高单束团特征亮度,争取在总流强500mA左右时实现亮度达标。虽然工作点在半整数附近束流对公差极其敏感,容易发生丢束,调束难度大,但经过精心调试,并对六极铁搭配和耦合等参数优化后,单束团对撞实现了预期目标:7mA×7mA亮度达到5×1030cm-2s-1。当真空条件允许后,5月10日夜班,70个束团466mA×471mA对撞,亮度如愿跃升到2.647×1032cm-2s-1。此时,3×1032cm-2s-1已指日可待,调束人员不负众望,5月11日亮度达到2.8×1032cm-2s-1,5月13日凌晨71个束团513 mA×508mA对撞,亮度首次达到了3.01×1032cm-2s-1。调束人员及时总结经验,保持亮度稳定在3×1032cm-2s-1,创下3.3×1032cm-2s-1新的世界纪录。5月19日储存环工艺测试时,达到了3.21×1032cm-2s-1的高亮度。

回顾一路走来的坎坷,BEPCII亮度提高的过程真可谓“逢山开路,遇水搭桥”。调束组及全体工程人员采取各种措施,克服重重困难,终于按期高质量地完成了调束阶段各项任务:同步辐射模式按时并高质量供束;高能物理高效取数;亮度达到设计指标。

BEPCII储存环性能比BEPC有大幅度提高,并且有进一步提高的潜力,继续成为粲能区性能国际领先的对撞机。

波纹管加风冷、水冷确保稳定运行

第三阶段调束峰值亮度随流强增加的情况

第三阶调束段峰值亮度增长历史曲线

(加速器中心 供稿)

 

 

 

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