中國加速器驅動次臨界系統常規磁鐵的磁場測量

張 卓，陳 沅，楊向臣，彭全嶺

（中國科學院 高能物理研究所，北京 100049）

加速器驅動次臨界系統（accelerator driven sub-critical system，ADS）這個概念是20世紀90年代提出的，它是利用加速器加速的高能質子與重靶核（如液態鉛）發生散裂反應，用散裂產生的中子作為中子源來驅動次臨界包層系統，使次臨界包層系統維持鏈式反應以便得到能量和利用多余的中子增殖核材料和嬗變核廢物［1］。ADS是世界上第一臺加速器驅動次臨界系統，其加速器部分是一臺強流超導質子直線加速器，由強流質子源、射頻四極場加速器RFQ、超導直線加速器以及相關的束流傳輸線組成［2］。

常規磁鐵是構成中能傳輸線的重要部分，根據已有的運行和維護經驗，磁鐵系統的穩定與否，將會直接影響加速器工作性能的好壞。只有確保磁鐵長期運行的可靠性和穩定性，才能使粒子束的動力學參數得到最優化，進而實現ADS加速器穩定、高效的運行。通過對常規磁鐵進行磁場測量，確認其實際磁場值與磁場分布是否與物理設計相吻合，是否達到了物理設計要求。通過對磁鐵長時間通電情況下的穩定性測試，確保磁鐵的運行穩定性。因此，磁場測量是檢測磁鐵實際設計與制造結果的重要步驟。

1 測量與準直系統概述

1.1 測量設備

霍爾測量裝置（也可稱為“點測機”）是可以3個方向（X、Y 和Z 軸）移動的測量平臺，其各向的移動通過計算機來控制。測量范圍分別為：X 向，±225 mm；Y 向，±75 mm；Z 向，±1 000mm。這3個方向的定位、重復性精度可達±0.01 mm。此外，點測機還可進行探桿的旋轉調節和俯仰調節，以保證探頭可垂直進入磁鐵的磁場測量區域。這樣綜合起來，探頭共可進行5個方向的調節（圖1）。其中特斯拉計和霍爾探頭由新西蘭的Group3公司［3］生產和制造。霍爾探頭的型號為MPT-141，其敏感區位于探頭的1×0.5（mm）位置。

1.2 準直設備與準直過程

準直設備主要是水準儀和經緯儀，目前水準儀采用的是自安平式水準儀NA2［4］及GPM3測微器，經緯儀采用的是美國Brunson公司的76-rh190光學經緯儀［5］。

圖1 霍爾測量平臺Fig.1 Holzer measuring platform

以MEBT1 中1 塊四極磁鐵的準直過程為例，首先將經緯儀進行自身安平，然后確定霍爾探頭沿Z 向運動時所在的鉛垂面，通過Z向的往復移動，調節經緯儀的角度，保證Z 向的直線運動與經緯儀刻線在一條直線。然后，利用NA2建立以大地為基準的水平面，配合磁鐵的靶標，調節三維5個自由度的磁鐵支架將磁鐵的幾何中心平面調節至水準儀所建立的基準面上。最后根據磁鐵靶標與磁鐵本身的水平、垂直位置刻線，對磁鐵進行扭擺、平移的調節，最終實現磁鐵的幾何中心與霍爾探頭運動軌跡的三向重合，找到了磁鐵的幾何中心，即完成了磁鐵在霍爾點測平臺的準直工作（圖2）。

圖2 四極磁鐵Fig.2 Quadrupole magnet

2 MEBT1和MEBT2磁鐵的測量要求

2.1 MEBT1的測量要求

Q1、Q2為相同四極鐵，Q3、Q6 為相同四極鐵。

1）每塊磁鐵測量之前首先進行3 次標準化循環［6］，將電流升至該磁鐵額定電流的1.05倍；2）挑選Q1和Q6分別代表兩種四極磁鐵，選擇100，200，…，420，440A 電流，橫向位置選擇X＝±11mm，±16mm 進行積分勵磁曲線測量；3）將電流升至磁鐵的額定電流，Q1 和Q2磁鐵在X＝±11mm（ΔX＝2mm）范圍內、Q3和Q6磁鐵在X＝±16mm（ΔX＝2mm）范圍內進行積分場分布測量，并得出積分梯度。

2.2 MEBT2的測量要求

Q1、Q3為相同四極鐵，C1、C3為相同校正鐵。

1）Q1、Q3的測量要求

（1）每塊磁鐵測量之前首先進行3 次標準化循環，將電流升至該磁鐵額定電流的1.05倍；（2）選擇Q2 磁鐵作為代表，按照100，200，…，380，400 A 測 量 積 分 勵 磁 曲線；（3）將電流升至磁鐵的額定電流，在X＝±16 mm范圍內，對每塊四極磁鐵進行積分梯度的測量。

2）C1、C3的測量要求

（1）將電流升至額定電流，測量中心磁場強度；（2）將電流升至額定電流，在X＝±66mm（ΔX＝2mm）、Z＝±200mm 范圍內進行積分場分布的測量［7］。

對于MEBT1 和MEBT2，無論是哪種磁鐵，在測量完成后，均選擇1塊代表磁鐵，在額定電流下，對其進行溫升試驗，MEBT1磁鐵電流穩定后溫度為33～36 ℃，MEBT2四極磁鐵電流穩定后溫度為34～36℃，校正磁鐵電流穩定后溫度為40～42 ℃。

3 MEBT1和MEBT2磁鐵的測量結果

3.1 MEBT1四極磁鐵的測量結果

以Q1、Q6為例，MEBT1四極磁鐵的測量結果列于表1，積分場均勻度和積分勵磁效率示于圖3。

表1 MEBT1磁鐵測量值與理論值的結果對比Table 1 Results contrast for measurement values and theoretical values of MEBT1magnet

圖3 MEBT1四極磁鐵的積分場均勻度和積分勵磁效率Fig.3 Integral field uniformity and integration excitation efficiency of MEBT1quadrupole magnet

MEBT1 中6 塊四極磁鐵的積分場梯度、有效長度和中心磁場梯度均達到物理理論設計要求［8］。6塊四極磁鐵的積分勵磁效率分別好于93%和98%，完全滿足物理設計的90%勵磁效率的要求。

3.2 MEBT2磁鐵的測量結果

以Q1、C1為例，MEBT2磁鐵的測量結果列于表2。C1校正磁鐵的積分場分布示于圖4。

MEBT2四極磁鐵的積分場分布滿足設計要求，校正磁鐵的積分場強達到設計要求。

表2 MEBT2磁鐵測量值與理論值的結果對比Table 2 Results contrast for measurement values and theoretical values of MEBT2magnet

圖4 C1校正磁鐵積分場分布Fig.4 Integral distribution of C1correction magnet

4 霍爾測量的誤差來源及減小分析

由于DTM-151高斯計已進行過標定，其主要是霍爾傳感器采集的電壓信號，MPT-141探頭屬于自帶的溫度補償系統的高精度探頭，其輸出信號已在內部進行了線性處理和溫度補償。因此，測量誤差主要來自以下幾方面。

1）環境溫度變化帶來的誤差。根據DTM-151高斯計的設備要求，其工作在25 ℃的環境中，測量磁場值精確度可達±0.01%，本次實驗環境溫度在25 ℃（變化量±1 ℃）的恒溫間中進行［9］。

2）磁鐵負載電源的穩定性帶來的誤差。本次實驗使用的是高精度穩流電源，電流5h穩定性在1×10-4，可滿足測量要求［10］。

3）準直系統帶來的誤差。經緯儀的精度為0.05mm，對于探頭和磁鐵相對位置之間帶來一定的誤差，但可通過準直完成后反向移動探頭來消除［11］。

5 總結

MEBT1和MEBT2 磁鐵通過霍爾測量后，磁鐵的積分場分布、磁場強度等各項指標均滿足物理設計要求。

［1］ 詹文龍，徐瑚珊.未來先進核裂變能——ADS嬗變系統［J］.中國科學院院刊，2012，27（3）：375-381.ZHAN Wenlong，XU Hushan.Advanced fission energy program：ADS transmutation system［J］.Bulletin of Chinese Academy of Sciences，2012，27（3）：375-381（in Chinese）.

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