中國(guó)散裂中子源DTL漂移管的預(yù)準(zhǔn)直

何振強(qiáng) 柯志勇 董嵐 馬娜 門(mén)玲鸰 梁靜 羅濤 王銅 張曉輝

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中國(guó)散裂中子源DTL漂移管的預(yù)準(zhǔn)直

何振強(qiáng)1,2柯志勇1,2董嵐1,2馬娜1,2門(mén)玲鸰1,2梁靜1,2羅濤1,2王銅1,2張曉輝1,2

1（中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所 北京100049） 2（東莞中子科學(xué)中心 東莞 523803）

漂移管直線(xiàn)加速器(Drift Tube Linac, DTL)是中國(guó)散裂中子源(China Spallation Neutron Source, CSNS)直線(xiàn)加速器的主要部分，負(fù)責(zé)將脈沖流強(qiáng)為15 mA的負(fù)氫離子從3 MeV加速到80 MeV，再注入到快循環(huán)同步加速器(Rapid Cycling Synchrotron, RCS)中實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步加速。DTL加速器本身技術(shù)工藝復(fù)雜，要求極高的加工精度和準(zhǔn)直安裝精度，是CSNS的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文介紹了中國(guó)散裂中子源漂移管的預(yù)準(zhǔn)直方法，從最初的預(yù)研到正式安裝，解決了一系列難題，包括漂移管的標(biāo)定、安裝和準(zhǔn)直調(diào)整，形成一整套流水線(xiàn)式的預(yù)準(zhǔn)直流程，最終漂移管預(yù)準(zhǔn)直的精度優(yōu)于物理設(shè)計(jì)指標(biāo)，可為同類(lèi)別的準(zhǔn)直測(cè)量提供參考。

中國(guó)散裂中子源，漂移管，預(yù)準(zhǔn)直，激光跟蹤儀

中國(guó)散裂中子源(China Spallation Neutron Source,CSNS)是我國(guó)“十一五”期間重點(diǎn)建設(shè)的大科學(xué)裝置，已列入國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃。經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)，將建造一個(gè)質(zhì)子束功率達(dá)100 kW、有效脈沖中子通量居世界前列的散裂中子源裝置。裝置建設(shè)的主要內(nèi)容包括：一臺(tái)H?直線(xiàn)加速器、一臺(tái)快循環(huán)同步加速器、一個(gè)靶站和三臺(tái)譜儀。直線(xiàn)加速器又包括：一臺(tái)潘寧負(fù)氫離子源、一條低能傳輸線(xiàn)(Low Energy Beam Transport line, LEBT)、一臺(tái)射頻四極加速器(Radio Frequency Quadrupole, RFQ)、一條中能傳輸線(xiàn)(Medium Energy Beam Transport line, MEBT)和一臺(tái)漂移管直線(xiàn)加速器(Drift Tube Linac, DTL)。DTL是CSNS直線(xiàn)加速器的組成部分，它將RFQ引出的負(fù)氫離子由3 MeV加速到80 MeV，再注入到快循環(huán)同步加速器中實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步加速[1?2]。它由4個(gè)獨(dú)立的物理腔組成，每個(gè)物理腔包含了三節(jié)機(jī)械腔，每節(jié)機(jī)械腔內(nèi)都有不同數(shù)量和種類(lèi)的漂移管，12節(jié)機(jī)械腔共153個(gè)漂移管，見(jiàn)圖1。由于空間和環(huán)境的限制，漂移管的安裝準(zhǔn)直無(wú)法在直線(xiàn)隧道內(nèi)進(jìn)行。經(jīng)研究，決定將漂移管安裝準(zhǔn)直安排在2號(hào)測(cè)試廳的準(zhǔn)直工作間內(nèi)進(jìn)行，每完成一個(gè)機(jī)械腔及其內(nèi)漂移管的預(yù)安裝準(zhǔn)直，待真空檢漏合格后便整體運(yùn)到直線(xiàn)隧道進(jìn)行機(jī)械腔之間的硬鏈接準(zhǔn)直，通過(guò)調(diào)節(jié)支架將12個(gè)預(yù)準(zhǔn)直好的機(jī)械腔調(diào)整到理論位置，從而大大節(jié)省時(shí)間[3]。因此，預(yù)準(zhǔn)直的任務(wù)是將這153個(gè)漂移管分別安裝準(zhǔn)直到12個(gè)機(jī)械腔的理論位置，其質(zhì)量的好壞將影響CSNS的調(diào)束和運(yùn)行。

圖1 DTL機(jī)械腔(a)和不同種類(lèi)的漂移管(b)

1 漂移管預(yù)準(zhǔn)直精度要求

漂移管預(yù)準(zhǔn)直由兩部分組成：漂移管和機(jī)械腔的標(biāo)定、漂移管在機(jī)械腔中安裝就位準(zhǔn)直。預(yù)準(zhǔn)直精度要求（即漂移管在機(jī)械腔內(nèi)的就位精度）較高，三個(gè)方向均為0.05 mm，這對(duì)我們的工作提出了很大的挑戰(zhàn)。為了確保漂移管的最終定位誤差滿(mǎn)足物理設(shè)計(jì)要求，我們仔細(xì)分析了預(yù)準(zhǔn)直每一步驟的誤差源，給定了合理的步驟限差[4]。

漂移管預(yù)準(zhǔn)直所用激光跟蹤儀為Faro的X系列，由于預(yù)準(zhǔn)直要求的精度高，因此在預(yù)準(zhǔn)直前，我們用Faro的Insight軟件自帶的儀器校檢功能對(duì)跟蹤儀進(jìn)行檢校，將得到的改正數(shù)輸入到軟件中，從而對(duì)各觀測(cè)值（水平角、垂直角和斜距）進(jìn)行改正，并用校準(zhǔn)裝置進(jìn)行驗(yàn)證，以減弱系統(tǒng)誤差的影響[5]，使其精度能夠滿(mǎn)足漂移管預(yù)準(zhǔn)直的要求。經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，激光跟蹤儀橫向偏差Δ的測(cè)量精度0.013 mm（9 m測(cè)程內(nèi)），高程偏差Δ的測(cè)量精度0.016 mm（2 m測(cè)程內(nèi)），縱向偏差Δ的測(cè)量精度0.012 mm（21 m測(cè)程內(nèi)）。

2 機(jī)械腔和漂移管的標(biāo)定

預(yù)準(zhǔn)直的第一步即是分別對(duì)機(jī)械腔和漂移管進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定目的是分別在機(jī)械腔和漂移管的中心軸線(xiàn)建立一個(gè)空間直角坐標(biāo)系，得到機(jī)械腔上34個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)（腔體28個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，低能端端面和高能端端面各6個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)）和漂移管上4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)值，從而保證在安裝、準(zhǔn)直時(shí)能利用這些準(zhǔn)直基準(zhǔn)點(diǎn)把設(shè)備調(diào)到目標(biāo)位置。

漂移管有9種規(guī)格，共153個(gè)，其銅管一側(cè)為高能端，鋼管一側(cè)為低能端，其坐標(biāo)系的建立過(guò)程如下：高能端內(nèi)圓6個(gè)測(cè)量點(diǎn)的擬合圓的圓心與其在高能端外圓6個(gè)測(cè)量點(diǎn)擬合平面的投影點(diǎn)的連線(xiàn)為軸；軸與高能端內(nèi)圓6個(gè)測(cè)量點(diǎn)擬合平面的的交點(diǎn)為原點(diǎn)(Origin)；平尺貼合垂直漂移管的小平面放置，測(cè)量4個(gè)點(diǎn)，利用這4個(gè)點(diǎn)在高能端內(nèi)圓6個(gè)測(cè)量點(diǎn)擬合平面的投影點(diǎn)作擬合直線(xiàn)；高能端外圓6個(gè)測(cè)量點(diǎn)的擬合圓心與其在平尺測(cè)點(diǎn)擬合直線(xiàn)的投影點(diǎn)的連線(xiàn)為軸，三者共同組成右手坐標(biāo)系，如圖2(a)所示。

DTL機(jī)械腔筒為一圓柱筒，長(zhǎng)3 m，兩端分為高能端和低能端，其坐標(biāo)系的建立過(guò)程如下：在腔筒高能端端面和低能端端面分別測(cè)量12個(gè)點(diǎn)，并分別擬合平面；在距離高能端端面100 mm位置處測(cè)量12個(gè)內(nèi)圓點(diǎn)，將這12個(gè)點(diǎn)投影到高能端端面并擬合圓；在距離低能端端面100 mm位置處測(cè)量12個(gè)內(nèi)圓點(diǎn)，將這12個(gè)點(diǎn)投影到低能端端面并擬合圓；腔筒上平面測(cè)量6個(gè)點(diǎn)，并擬合平面；以低能端內(nèi)圓投影點(diǎn)的擬合圓圓心為原點(diǎn)，以低能端內(nèi)圓投影點(diǎn)的擬合圓圓心與高能端內(nèi)圓投影點(diǎn)的擬合圓圓心的連線(xiàn)為軸，以低能端內(nèi)圓投影點(diǎn)的擬合圓圓心與其在腔筒上平面投影點(diǎn)的連線(xiàn)為軸，三者共同組成右手坐標(biāo)系，如圖2(b)所示。

圖2 漂移管(a)和機(jī)械腔(b)的標(biāo)定坐標(biāo)系

表1 153個(gè)漂移管和12個(gè)機(jī)械腔的標(biāo)定重復(fù)性

3 漂移管預(yù)安裝準(zhǔn)直

預(yù)安裝準(zhǔn)直需要將完成標(biāo)定的漂移管安裝準(zhǔn)直到機(jī)械腔的理論位置。預(yù)安裝準(zhǔn)直前需根據(jù)每個(gè)漂移管的物理設(shè)計(jì)的進(jìn)口坐標(biāo)和出口坐標(biāo)將漂移管坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到機(jī)械腔坐標(biāo)系，得到漂移管在機(jī)械腔內(nèi)的調(diào)整理論值。漂移管調(diào)整理論值和標(biāo)定值之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式為：

式中：￠、￠、￠表示漂移管標(biāo)定坐標(biāo)系的基準(zhǔn)點(diǎn)經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)變換后的機(jī)械腔調(diào)整坐標(biāo)系下基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)；為比例因子；()、()、()分別為繞、、軸的旋轉(zhuǎn)矩陣[7?8]，有：

(2)

(4)

在安裝漂移管之前，首先用水準(zhǔn)儀將機(jī)械腔的上平面調(diào)平，保證漂移管安裝后保持鉛錘狀態(tài)。由于機(jī)械腔體較長(zhǎng)，達(dá)到3 m，漂移管預(yù)準(zhǔn)直所需的控制網(wǎng)點(diǎn)布設(shè)在了機(jī)械腔的兩個(gè)端面，為了消除由于溫度變化或不均產(chǎn)生的熱脹冷縮對(duì)測(cè)量的影響，整個(gè)預(yù)準(zhǔn)直工作都是在恒溫工作間內(nèi)進(jìn)行，溫度基本穩(wěn)定在25oC，這個(gè)溫度也是將來(lái)加速器運(yùn)行時(shí)隧道內(nèi)的溫度。

調(diào)整前將跟蹤儀布置在機(jī)械腔高能端正前方（如圖3(a)所示），測(cè)量機(jī)械腔高能端端面和低能端端面的12個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，通過(guò)Insight軟件自帶的Best-fit功能將這12個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與漂移管調(diào)整理論值擬合，擬合偏差需小于0.02 mm，將儀器坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到機(jī)械腔調(diào)整坐標(biāo)系，使用Insight軟件的Watch或者Watch Nearest Nominal Point功能，實(shí)時(shí)查看漂移管基準(zhǔn)點(diǎn)實(shí)測(cè)值與漂移管調(diào)整理論值的偏差，然后通過(guò)漂移管端部的調(diào)整機(jī)構(gòu)（如圖3(b)所示）將漂移管調(diào)整到4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的三個(gè)坐標(biāo)值與理論值偏差小于0.03 mm限差范圍內(nèi)。

圖3 漂移管預(yù)準(zhǔn)直安裝調(diào)整 (a)調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)，(b) 調(diào)整機(jī)構(gòu)，(c) 完成預(yù)準(zhǔn)直的漂移管

漂移管的調(diào)整機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，共有42個(gè)調(diào)節(jié)螺絲，每個(gè)螺絲都可以影響漂移管的姿態(tài)位置。此外，與常規(guī)的粒子加速器的磁鐵等設(shè)備不同，漂移管上的4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)基本都在一個(gè)豎直平面上，而調(diào)整機(jī)構(gòu)則位于漂移管的尾部，這種懸臂式結(jié)構(gòu)給調(diào)整帶來(lái)了很大的難度。經(jīng)過(guò)前期的摸索，我們總結(jié)出了一整套快速調(diào)節(jié)方法，調(diào)整分為兩步：第一步是粗調(diào)，利用上層的調(diào)節(jié)螺絲調(diào)整漂移管的整體姿態(tài)，使4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的縱向坐標(biāo)基本一致，三個(gè)坐標(biāo)與理論值偏差0.2 mm；第二步是精調(diào)，利用下層螺絲控制漂移管的擺動(dòng)、平移和升降，將4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)逐漸調(diào)整到與理論值偏差小于0.03 mm。利用這種方法，將調(diào)節(jié)一個(gè)漂移管所需的時(shí)間由最初的4 h縮減到2 h，大大提高了效率。之后進(jìn)行真空檢漏，檢漏合格后需重新復(fù)測(cè)漂移管的4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，檢漏過(guò)程無(wú)跑動(dòng)，之后再進(jìn)行下一個(gè)漂移管的安裝調(diào)整，直至完成整個(gè)機(jī)械腔內(nèi)漂移管的預(yù)準(zhǔn)直，圖3(c)為完成預(yù)準(zhǔn)直的機(jī)械腔和漂移管。

在所有漂移管的就位完成后，需對(duì)機(jī)械腔和所有的漂移管做整體全面復(fù)測(cè)，根據(jù)復(fù)測(cè)結(jié)果判斷預(yù)準(zhǔn)直是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，統(tǒng)計(jì)了預(yù)準(zhǔn)直完成后153個(gè)漂移管在機(jī)械腔內(nèi)的就位誤差，其中方向的預(yù)準(zhǔn)直就位偏差為0.022 mm，方向的預(yù)準(zhǔn)直就位偏差度為0.024 mm，方向的預(yù)準(zhǔn)直就位偏差為0.032mm?？梢钥吹剑乒艿念A(yù)準(zhǔn)直就位偏差（即實(shí)測(cè)值與理論值的偏差）在0.035 mm以?xún)?nèi)。

4 預(yù)準(zhǔn)直誤差分析

由于受儀器、制造加工條件或者人為因素的限制，使目標(biāo)不能完全就位，與理論值相比有差別，這就是誤差。誤差分析是預(yù)準(zhǔn)直設(shè)計(jì)中一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)，各種誤差可能使我們的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生很大的偏差，超出理論要求的范圍。如果誤差處理不當(dāng)，我們可能得不到想要的理想測(cè)量結(jié)果[3]。

(3)呼吸道護(hù)理:護(hù)理人員應(yīng)密切關(guān)注患兒呼吸,因患兒氣管細(xì)弱,在幫助患兒吸痰時(shí),應(yīng)使用直徑較小,材質(zhì)柔軟的吸管,動(dòng)作應(yīng)放輕柔,不可過(guò)重,同時(shí),應(yīng)注意調(diào)整負(fù)壓,保持用時(shí)在15s之內(nèi),以免損害粘膜,防止出現(xiàn)呼吸暫停的現(xiàn)象。

漂移管的預(yù)準(zhǔn)直誤差主要由三部分組成：漂移管的標(biāo)定誤差、漂移管在機(jī)械腔內(nèi)的就位誤差、安裝時(shí)儀器坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到調(diào)整理論值坐標(biāo)系的擬合誤差。

漂移管的標(biāo)定誤差：方向坐標(biāo)標(biāo)定誤差等于跟蹤儀橫向坐標(biāo)差測(cè)量誤差0.013 mm；方向坐標(biāo)標(biāo)定誤差等于跟蹤儀高程坐標(biāo)差測(cè)量誤差0.016mm；方向坐標(biāo)標(biāo)定誤差等于跟蹤儀縱向坐標(biāo)差測(cè)量誤差0.012 mm。

漂移管在機(jī)械腔內(nèi)的就位誤差：方向就位誤差為0.022 mm；方向就位誤差為0.024 mm；方向就位誤差為0.032 mm。

安裝調(diào)整時(shí)，通過(guò)測(cè)量機(jī)械腔高能端和低能端端面的12個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)將儀器坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到調(diào)整理論值坐標(biāo)系的擬合誤差，0.015 mm。

漂移管預(yù)準(zhǔn)直最終精度：e=(0.013mm2+ 0.022mm2+0.015mm2)1/2=0.03mm；e=(0.016mm2+ 0.024mm2+0.015mm2)1/2=0.033mm；e=(0.012mm2+ 0.032mm2+0.015mm2)1/2=0.037mm。

5 結(jié)語(yǔ)

中國(guó)散裂中子源DTL漂移管預(yù)準(zhǔn)直的精度要求高，過(guò)程復(fù)雜精細(xì)，對(duì)準(zhǔn)直測(cè)量工作提出了較高的要求。為了提高工作效率和避免出錯(cuò)，我們制定了一整套的預(yù)準(zhǔn)直規(guī)范流程，經(jīng)過(guò)前期的摸索和方法的改進(jìn)，將完成整個(gè)機(jī)械腔和漂移管的預(yù)準(zhǔn)直的時(shí)間由兩個(gè)月縮減到了一個(gè)月，大大提高了效率，并提前順利完成了所有機(jī)械腔和漂移管的預(yù)準(zhǔn)直，預(yù)準(zhǔn)直的誤差滿(mǎn)足物理設(shè)計(jì)的要求。2016年1月18日，DTL第一物理腔調(diào)束成功，充分證明了漂移管預(yù)準(zhǔn)直是成功的。

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Pre-alignment of DTL for China Spallation Neutron Source

HE Zhenqiang1,2KE Zhiyong1,2DONG Lan1,2MA Na1,2MEN Lingling1,2LIANG Jing1,2LUO Tao1,2WANG Tong1,2ZHANG Xiaohui1,2

1(Insititute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China) 2(Dongguan Neutron Science Center, Dongguan 523803, China)

Background:The drift tube linac (DTL) is the main part of China Spallation Neutron Source (CSNS), which can provide 15-mA peak current beam with energy gain from 3 MeV to 80 MeV. And then the beam will be injected into the rapid cycling synchrotron (RCS) for further accelerating. Purpose: The manufacturing and fabrication of DTL cavity and drift tubes is very complicated, which requires high processing precision and installation accuracy. In this paper, the pre-alignment of DTL was introduced. Methods: We overcame a lot of difficulties in this process, including the fiducialization, installation and alignment.Bydistributing the error properly and following the regular pre-alignment process, this work was finally finished on time. Results: The pre-alignment accuracy was better than the requirement tolerance which is 0.05 mm in three directions.Conclusion: The results show that the pre-alignment is successful. This job can provide some experiences to other alignment measurement with the same process.

CSNS, Drift tube, Pre-alignment, Laser tracker

TL53

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.050201

何振強(qiáng)，男，1987年出生，2012年于北京化工大學(xué)獲碩士學(xué)位，工程師，現(xiàn)主要從事粒子加速器準(zhǔn)直測(cè)量方面的研究工作

2017-01-13，

2017-02-15

HE Zhenqiang, male, born in 1987, graduated from Beijing University of Chemical Technology with a master’s degree in 2012, engineering, focusing on the survey and alignment of particle accelerator

2017-01-13, accepted date: 2017-02-15