100MeV回旋加速器質(zhì)量控制

孫 陽，張?zhí)炀簦?軍，潘高峰，宋國芳，紀(jì) 彬，殷治國，賈先祿

（中國原子能科學(xué)研究院 串列加速器升級(jí)工程部，北京 102413）

串列加速器升級(jí)工程（BRIF）是中國原子能科學(xué)研究院（CIAE）建設(shè)的大型科學(xué)工程，其中100 MeV 強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器（CYCIAE-100）是BRIF最關(guān)鍵的系統(tǒng)，為我國首次建造，能量為100 MeV、束流強(qiáng)度為200μA，質(zhì)量要求高，系統(tǒng)復(fù)雜，質(zhì)量控制難度非常大，如何進(jìn)行質(zhì)量控制是需認(rèn)真研究的課題。

CYCIAE-100采用外部多峰負(fù)氫離子源產(chǎn)生直流負(fù)氫束流，由軸向注入系統(tǒng)將DC 束流經(jīng)橫向聚焦、雙級(jí)xy 導(dǎo)向、縱向聚束、90°螺旋偏轉(zhuǎn)等步驟，注入中心區(qū)；中心區(qū)接收高頻相位位于30°內(nèi)的束流，與相位控制和束流對(duì)中線圈系統(tǒng)配合，對(duì)束流進(jìn)行對(duì)中、選相、限束，盡快提高能量使束流進(jìn)入加速區(qū)；高頻系統(tǒng)提供逐漸增大的加速電壓，磁鐵系統(tǒng)提供等時(shí)性磁場(chǎng)以導(dǎo)引、控制束流軌道，使束流在加速區(qū)內(nèi)加速，加速過程中采用等時(shí)性磁場(chǎng)調(diào)諧系統(tǒng)調(diào)節(jié)，保證被加速的離子有小的滑項(xiàng)、高的加速效率；引出系統(tǒng)精確定位剝離引出靶的位置，使達(dá)到預(yù)定能量的負(fù)氫束流被剝離，并沿設(shè)計(jì)的軌道通過真空室的引出孔引出［1］。

結(jié)合CIAE現(xiàn)有的技術(shù)條件分析，CYCIAE-100的關(guān)鍵技術(shù)包括：強(qiáng)流束的產(chǎn)生、調(diào)節(jié)與控制技術(shù)，磁工藝技術(shù)，大功率、高穩(wěn)定度高頻技術(shù)，低溫真空技術(shù)等幾方面［2］。與其相關(guān)的離子源、主磁鐵、高頻系統(tǒng)、主真空系統(tǒng)是影響加速器質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備。離子源提供負(fù)氫束流，并直接影響最終加速器的束流強(qiáng)度［3］；主磁鐵的主要作用是保證整個(gè)加速過程的等時(shí)性條件，束流的軸向和徑向聚焦，工作點(diǎn)遠(yuǎn)離有害共振或快速通過共振帶。高頻腔體在機(jī)械性能和幾何結(jié)構(gòu)約束的情況下要用最小的饋入功率以達(dá)到最大的Dee電壓，同時(shí)保證電壓、輸入功率、相位的穩(wěn)定性。主真空系統(tǒng)則用以保證加速器的高真空環(huán)境。

CYCIAE-100質(zhì)量控制就是要嚴(yán)格控制加速器組成設(shè)備的質(zhì)量，尤其是關(guān)鍵設(shè)備的質(zhì)量和性能指標(biāo)，保證其功能要求，實(shí)現(xiàn)CYCIAE-100的總體性能指標(biāo)。離子源要求為：引出最大束流大于5mA，歸一化發(fā)射度為0.45mm·mrad，穩(wěn)定運(yùn)行。主磁鐵磁場(chǎng)要求為：中心平面上磁場(chǎng)呈周期分布，峰區(qū)最大場(chǎng)不超過1.34T；等時(shí)性場(chǎng)平均相對(duì)偏差為1.05×10-4；一次諧波在大半徑處不超過2×10-4～5×10-4T，小半徑處不超過5×10-4～1×10-3T；二次諧波要求小于4×10-3T。高頻系統(tǒng)要求為：在高頻發(fā)射機(jī)運(yùn)行頻率范圍（43～45 MHz）內(nèi)，額定輸出功率為100kW×2，頻率穩(wěn)定度為5×10-8，腔體負(fù)載Dee電壓穩(wěn)定度為5×10-4。高頻腔體相位穩(wěn)定度要求為：兩個(gè)腔體與信號(hào)源之間的相位差好于0.3°，Dee電壓分布中心區(qū)部分為60kV，大半徑部分為120kV。真空系統(tǒng)要求為：主真空室真空度為5×10-6Pa，正常運(yùn)行48h后達(dá)到真空度。

為做好CYCIAE-100 的質(zhì)量控制，CIAE在設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試各階段采取了一系列有效措施。

1 對(duì)關(guān)鍵技術(shù)開展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了對(duì)強(qiáng)流負(fù)氫束的產(chǎn)生、注入，中心區(qū)的束流相位規(guī)劃、對(duì)中和加速等問題進(jìn)行研究，CIAE 專門建立了一個(gè)較完整的中心區(qū)模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，包括能夠產(chǎn)生負(fù)氫流強(qiáng)為10mA 的離子源與軸向注入系統(tǒng)、可開展強(qiáng)聚焦磁性能研究的磁鐵系統(tǒng)、可加速負(fù)氫束開展中心區(qū)技術(shù)研究的高頻系統(tǒng)（高頻功率為12kW）和實(shí)驗(yàn)研究用的不同中心區(qū)結(jié)構(gòu)（注入與高頻俘獲的總效率約為10%），以及真空、水冷、控制、電源等配套系統(tǒng)，以驗(yàn)證物理和工程設(shè)計(jì)方法、軟件計(jì)算結(jié)果。開展了外部負(fù)氫離子源及軸向注入線實(shí)驗(yàn)、優(yōu)化中心區(qū)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)、束流損失實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：引出質(zhì)子束能量為10 MeV，通過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行考驗(yàn)，內(nèi)靶束流強(qiáng)度維持在400μA以上；束流強(qiáng)度最大值為432.6μA。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，掌握了回旋加速器注入、加速、高頻、引出等一系列關(guān)鍵技術(shù)，為保證CYCIAE-100的設(shè)計(jì)質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)。

大功率異形諧振腔是高頻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能決定了系統(tǒng)功率損耗的大小與穩(wěn)定性。CIAE采用了雙圓柱形內(nèi)桿的腔體結(jié)構(gòu)。為驗(yàn)證諧振腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性，掌握諧振腔的功率特性，驗(yàn)證加工工藝，研究場(chǎng)分布，為諧振腔的定型提供可靠的依據(jù)，CIAE 加工了一套全比例無氧銅腔體，采用網(wǎng)絡(luò)分析儀等設(shè)備主要研究了以下內(nèi)容：大功率銅腔的頻率、品質(zhì)因數(shù)的測(cè)量及實(shí)驗(yàn)優(yōu)化；加速電壓分布測(cè)量；功率分布；輸入匹配調(diào)諧方法；二次電子倍增，高次模震蕩；低電平控制回路的調(diào)試及抗干擾性能和穩(wěn)定性等。結(jié)果表明：金屬模型腔體頻率可在43～45 MHz之間調(diào)節(jié)，輸入功率為33.7kW 時(shí)，加速電壓由中心區(qū)的60kV 沿半徑方向逐步升高，在引出區(qū)達(dá)到120kV。腔體無載品質(zhì)因數(shù)Q0約為9 300，接近理論計(jì)算值。通過實(shí)驗(yàn)，技術(shù)人員掌握了高頻腔的功率特性，保證了CYCIAE-100 高頻腔體的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

為保證高頻系統(tǒng)的穩(wěn)定性，CIAE 進(jìn)一步開展了相關(guān)的高頻功率實(shí)驗(yàn)研究，如射頻腔具有窄帶高Q（品質(zhì)因數(shù)）的特性，對(duì)末級(jí)功率源的穩(wěn)定性影響大，對(duì)于這種靠近基波的寄生振蕩，通過增加固定高功率移相器和改善末級(jí)功率源中和線路來解決。對(duì)于以7次諧波為代表的高次模寄生振蕩，采取了在陽極腔增加高次模耦合環(huán)，并配以水冷吸收負(fù)載的辦法。通過高頻功率實(shí)驗(yàn)使我們較早發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)可能出現(xiàn)的不穩(wěn)定因素，并加以研究和解決，較好地保證了系統(tǒng)的可靠性。

2 主磁鐵加工制造單位的選擇

主磁鐵設(shè)備大、重量大，精度要求高，可選擇的供方必須是具備大型裝置熱處理、機(jī)加工能力的生產(chǎn)企業(yè)，更重要的是技術(shù)上要能實(shí)現(xiàn)碳含量的要求和碳含量偏差方面的要求（主磁鐵蓋板材料為08＃鋼，碳含量要小于0.11%，磁極材料為純鐵，碳含量要小于0.06%。碳含量相對(duì)偏差同區(qū)域小于0.02%，不同區(qū)域之間的相對(duì)偏差小于0.04%），以及機(jī)加工精度的要求（主磁鐵蓋板直徑為6.16 m，蓋板及4個(gè)磁極重量達(dá)到168t，加工機(jī)床必須要同時(shí)滿足門框跨度、承重、精度三方面的要求）等。CIAE通過供方調(diào)查，與供方進(jìn)行充分的技術(shù)交流，掌握供方的特點(diǎn)及熱處理、機(jī)加工能力，最終選擇了中信重工機(jī)械股份有限公司作為主磁鐵蓋板的制造方，磁極毛坯件則從法國進(jìn)口。

3 強(qiáng)流負(fù)氫多峰場(chǎng)離子源及其束流強(qiáng)度和發(fā)射度

強(qiáng)流負(fù)氫多峰場(chǎng)離子源由CIAE 自行研制。研究表明，強(qiáng)流負(fù)氫多峰場(chǎng)離子源的束流強(qiáng)度與引出電壓、弧功率、吸極電壓、氫氣流量有密切關(guān)系，而束流發(fā)射度與引出電壓、吸極電壓有密切關(guān)系。離子源研制過程即是在掌握其中規(guī)律的基礎(chǔ)上，優(yōu)化匹配各項(xiàng)參數(shù)，進(jìn)而保證離子源的束流強(qiáng)度、發(fā)射度等性能指標(biāo)。經(jīng)測(cè)試，強(qiáng)流負(fù)氫多峰場(chǎng)離子源束流強(qiáng)度為15mA、歸一化發(fā)射度為0.93 mm·mrad，經(jīng)36h穩(wěn)定性考驗(yàn)，束流不穩(wěn)定度達(dá)5%、最大引出束流為18mA［3］。

4 主磁鐵磁場(chǎng)性能保證措施

為保證等時(shí)性磁場(chǎng)，主磁鐵熱加工階段要保證碳含量的均勻性和熱加工毛坯件內(nèi)部質(zhì)量，粗加工后，要在成品不同部位取樣進(jìn)行化驗(yàn)，以確定碳元素及其他元素成分、均勻度是否達(dá)到指標(biāo)。從本體上取探傷試塊進(jìn)行晶粒度分析，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行超聲波探傷，對(duì)蓋板、磁軛進(jìn)行取樣，委托專業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)試棒磁性能進(jìn)行檢測(cè)分析，保證磁場(chǎng)性能滿足要求。在冷加工階段要保證磁極扇角精度、對(duì)稱度、氣隙精度。采用組合加工的方式來消除累計(jì)誤差，以保證磁極面精度及磁極氣隙的一致性，加工后還要對(duì)磁極的上曲面進(jìn)行嚴(yán)格檢測(cè)?？傮w裝配過程中對(duì)系統(tǒng)中各部件尺寸精度及各部件間的裝配精度進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果不斷調(diào)整，檢測(cè)合格后，再按裝配方案加工騎縫定位銷。上蓋板和磁極裝配體在工作過程中要舉升打開，回位后的復(fù)位精度要好于±0.01mm。驗(yàn)收時(shí)需進(jìn)行嚴(yán)格檢測(cè)，以保證回旋加速器的安裝質(zhì)量［4］。

5 主真空室與真空度

主真空室內(nèi)徑為4 040mm，高度為1 270mm，體積約為10m3，表面積約為210m2。加速器的主要部件如磁極、高頻腔、注入引出部件及束流診斷裝置均在主真空室內(nèi)，真空度要達(dá)到5×10-6Pa難度非常大。在設(shè)計(jì)過程中需對(duì)主真空室內(nèi)氣源進(jìn)行分析和計(jì)算以及排氣計(jì)算，選擇合適的真空排氣設(shè)備。在加工過程中要保證主真空室加工精度，如平面度為0.05 mm，主真空室高度為0.2 mm，圓度為0.5 mm 等。主真空室及內(nèi)部的設(shè)備在加工完成后均需檢漏，對(duì)所有可能破壞真空的接口也要檢漏。由于系統(tǒng)采用了低溫板排氣系統(tǒng)方案，需對(duì)熱負(fù)載進(jìn)行計(jì)算并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和論證，加工過程中與制造單位進(jìn)行充分的技術(shù)交流，保證設(shè)計(jì)的合理性、可行性，對(duì)加工工藝方案進(jìn)行審查和認(rèn)可，出廠前對(duì)其進(jìn)行氦氣檢漏。

6 高頻腔及Q 值保證措施

CIAE在高頻腔加工過程中，充分考慮到高頻腔結(jié)構(gòu)對(duì)加速器的影響，嚴(yán)格控制腔體關(guān)鍵部位的加工精度，腔體的關(guān)鍵部件包括外殼、Dee板、內(nèi)桿和高頻腔。兩個(gè)內(nèi)桿的尺寸和位置對(duì)腔體加速電壓的分布非常重要；腔體高度和腔體微調(diào)電容板的大小和間距對(duì)腔體頻率會(huì)產(chǎn)生影響；Dee板安裝的垂直位置對(duì)束流振幅有影響；中心區(qū)Dee盒頭部的結(jié)構(gòu)也十分精細(xì)；兩個(gè)腔體的不對(duì)稱電壓和一次諧波存在一定的等效關(guān)系，需保證兩個(gè)腔體加工的一致性。另外，腔體總高度為1.3m，從Dee盒頭部到尾板半徑約為2m，腔體外殼厚度只有3mm，腔體全部采用無氧銅材料，國內(nèi)加工廠沒有類似大型無氧銅加工經(jīng)驗(yàn)，在加工過程中需重點(diǎn)保證焊接質(zhì)量。加工后在加工廠進(jìn)行預(yù)裝配，進(jìn)行無載品質(zhì)因數(shù)Q0的測(cè)量，1＃腔體和2＃腔體的Q0分別達(dá)到了9 434與9 691［5］。

在安裝階段，高頻腔體內(nèi)表面的粗糙程度及安裝誤差對(duì)高頻腔體品質(zhì)因數(shù)影響較大，CIAE利用測(cè)量工裝與調(diào)整機(jī)構(gòu)保證安裝精度，通過沿腔體表面電流走向方向拋光降低腔體內(nèi)表面的粗糙度，并在臨界耦合的條件下進(jìn)行高頻參數(shù)冷測(cè)試。測(cè)試結(jié)果為：在頻率接近44.6 MHz時(shí)，1＃腔體和2＃腔體的有載Q 分別為4 805和4 821，推算Q0分別為9 610和9 642［6］。

7 高頻鍛煉與饋入功率

由于腔體表面光潔度低，存在油、灰塵附著等不利因素，腔體的許多區(qū)域會(huì)發(fā)生真空條件下的次級(jí)電子倍增，可造成腔體品質(zhì)因數(shù)的下降、腔體的輸入阻抗失配、無法建立正常的Dee電壓、高頻功率不能饋入腔體及功率全反射的情況。另外，在高功率情況下，由于Dee高頻高壓的影響，會(huì)造成腔體非理想表面的高壓擊穿、打火。因此，在主真空室真空度達(dá)到4×10-5Pa后，需通過高頻老煉克服上述因素的不利影響。CIAE首先采用了連續(xù)波功率越過某些低功率多電子倍增區(qū)域，然后降幅鍛煉的方法，在高功率脈沖鍛煉階段，采用低占空比脈沖鍛煉，然后逐步增加信號(hào)源幅值和占空比的方法等。最終兩腔體饋入的連續(xù)波高功率穩(wěn)定在35kW。再通過Dee盒載束實(shí)驗(yàn)，證明高頻系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)［7］。

8 結(jié)論

2014年7 月25 日，CYCIAE-100 外 靶 出束：加速器穩(wěn)定運(yùn)行8h 以上，平均流強(qiáng)大于25μA；主真空室真空度達(dá)到4×10-5Pa；高頻性能穩(wěn)定，信號(hào)源頻率為44.812 5 MHz，南腔取樣端電壓峰峰值為8.44V，北腔取樣端電壓峰峰值為7.88V，相位差為0°。

經(jīng)過幾年的努力，CIAE 在回旋加速器設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試各階段采取了一系列管理和技術(shù)措施，把握住離子源、主磁鐵、高頻系統(tǒng)、真空系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，成功研制了回旋加速器，并切實(shí)保證了加速器的質(zhì)量。

［1］ 張?zhí)炀?，呂銀龍，鐘俊晴，等.100 MeV 強(qiáng)流緊湊型回旋加速器初步設(shè)計(jì)說明書［R］.北京：中國原子能科學(xué)研究院，2010.

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