中國散裂中子源漂移管直線加速器研制進展

劉華昌，彭 軍，鞏克云，吳小磊，李阿紅，李 波，陳 強，樊夢旭，王 云，瞿培華，宋 洪，關玉慧，趙晶晶，董 嵐，王 生，傅世年

（1.中國科學院 高能物理研究所東莞分部，廣東 東莞 523803；2.東莞中子科學中心，廣東 東莞 523808）

中國散裂中子源（CSNS）是我國“十一五”期間重點建設的大科學裝置，已列入國家中長期科學和技術發展規劃。經國務院批準，將建造一個質子束功率達100kW、有效脈沖中子通量居世界前列的散裂中子源裝置。裝置建設的主要內容包括：1臺H-直線加速器、1 臺快循環同步加速器、1個靶站和3臺譜儀［1-2］。直線加速器又包括：1臺潘寧負氫離子源、1條低能傳輸線（LEBT）、1臺射頻四極加速器（RFQ）、1條中能傳輸線（MEBT）和1臺漂移管直線加速器（DTL）。DTL 是CSNS直線加速器的主要部分，它將RFQ 引出的3 MeV 負氫離子加速到80 MeV，再注入到快循環同步加速器中實現進一步加速。DTL 研制涉及到多個學科和高新技術領域，引進了國內外先進設計、生產和加工工藝，目前主要部件研制關鍵技術難點均已突破，進入批產階段，部分設備已完成加工測試。本文將對其研制進展情況進行介紹。

1 DTL腔體

CSNS DTL包括4節9m 長的RF 腔體，每節腔體底部均勻放置12個直徑為150mm的固定調諧器，用于補償腔體和漂移管機加工的尺寸誤差導致的頻率偏移；另有2 個直徑為90mm的可動調諧器，用于調諧運行過程中高頻發熱等引起的局部頻率擾動；腔體外表面安裝有12根銅水冷管，對腔體進行冷卻；高頻功率由安裝在腔體中間位置的脊波導型功率耦合器饋入到腔體中［3］。每節腔體配備3臺分子泵機組和6臺離子泵（圖1），腔體工作壓強為1×10-5Pa。

1.1 腔體加工

為便于加工和安裝測量，每節DTL 腔體劃分為3段機械單元腔，腔與腔之間由螺栓相連，每個單元腔長度約為3m。腔體采用20＃碳鋼材料，內腔直徑560 mm，腔壁厚度約40mm，加工包括車、銑、鏜、磨等多道工序，尺寸精度要求高，加工難度大。腔體長度公差為-0.1～-0.3mm，直徑公差為±0.1 mm，開孔位置精度為±0.1mm，表面粗糙度為0.8μm。目前12段機械單元腔均已完成機加工和尺寸測量，測量結果達到設計要求。

圖1 DTL腔體Fig.1 Overview of DTL tank

1.2 腔體電鍍

為了提高DTL 腔體的電導率，需在內腔表面電鍍一層無氧銅，鍍層厚度約200μm，要求鍍層電導率不低于98%IACS（國際退火銅標準），鍍后表面無起皮，鍍層無分層，致密性良好，結合力強。電鍍完成后還需對鍍銅面進行手工打磨和拋光，以滿足0.4μm 的表面粗糙度要求。

每段腔體電鍍包括鍍前準備、鍍鎳、鍍銅、鍍后拋光處理，需約30d。目前12段機械單元腔體均已完成鍍銅和鍍后焊接拋光。

為檢驗鍍層和腔體基體的結合力，每個腔體打磨拋光后需進行真空烘烤測試。烘烤溫度控制在100℃，時間約為72h，烘烤降溫后離子泵連續運轉24h，真空度能達到2×10-6Pa，共計9段單元腔完成了烘烤測試。烘烤后發現部分腔體內部和側孔表面有起皮現象，其原因為：1）鍍前清洗除油不徹底，導致鍍層與基體結合力較差；2）基體材料存在超聲波探傷無法檢測的小缺陷，導致鍍層與基體間有氣隙，烘烤抽真空后膨脹將鍍層頂起。將有缺陷的地方打磨至露基底，較小的缺陷采用局部刷鍍，較大的缺陷則重新浸入電鍍槽中進行整體槽鍍。完成補鍍后，再次進行烘烤測試，直到腔體內表面無明顯缺陷。

電鍍加工完成后，抽測DTL1-1和DTL1-3腔體的Q 值和諧振頻率，測量時所有側孔及端板均用鍍銅堵頭密封，并添加RF彈簧，測量結果列于表1，可看出，Q 值均為理論計算值的90%以上，滿足使用要求。

表1 DTL腔體RF參數測量結果Table 1 RF parameter of DTL tank

2 漂移管

2.1 外殼加工

漂移管是DTL 的核心部件，其加工精度要求高，難度大。在結構設計上，為了增加漂移管的有效分路阻抗、降低功耗、節省成本，其外形按能量分組，共分為9組不同的錐角（圖2）。每臺漂移管的長度逐漸增加并與被加速粒子的能量嚴格同步，這樣每臺漂移管的外形尺寸均不同，大幅增加了加工的復雜性。每臺漂移管包括支撐桿和本體，基于載重變形試驗的結果，采用全無氧銅結構，這在國際同類加速器研制中尚屬首次。端蓋與端蓋、芯管與端蓋、支撐桿與漂移管均采用電子束焊接。

漂移管外形加工由數控銑床精銑完成，并用三坐標儀進行測量。測量結果顯示，尺寸加工精度基本控制在±20μm。

圖2 不同鼻錐角度的漂移管外形Fig.2 Drift tube profile with different face angles

每臺漂移管需精確安裝到腔體中，引入波紋管和調整機構，使其各方向的位置均可調整。采用橡皮圈密封真空，L 型銅圈加不銹鋼彈簧密封高頻（圖3）。

圖3 漂移管真空和高頻密封結構Fig.3 Vacuum and RF seal structures of drift tube

2.2 電四極磁鐵

為了克服RF 電場徑向散焦力，同時克服粒子的空間電荷效應，每個漂移管內部均安裝磁鐵對被加速粒子進行聚焦。考慮到整個裝置的靈活可調性，CSNS DTL 選擇了電四極磁鐵。由于DTL工作頻率較高，達324 MHz，漂移管內用于放置磁鐵的空間狹窄，磁鐵體積小，磁場強度高，電磁鐵還涉及散熱問題，常規的繞線線圈無法滿足設計需求，本工作采用日本J-PARC發展的SAKAE 新型線圈［4］。這種線圈用線切割工藝直接在整塊的無氧銅上切出線圈的通道，且線圈中空留出3mm×3mm 作為冷卻水通道，因而不需單獨增加散熱水管，可滿足本工作的物理設計要求。線圈設計參考日本J-PARC發展的SAKAE 新型線圈并在國內首次研發應用；鐵芯通過冷軋硅鋼片疊片的方式制作；磁鐵與漂移管外殼的固定選用環氧樹脂澆注。

2.3 磁鐵測量

漂移管磁鐵測量包括霍爾點測和旋測，點測主要完成旋測線圈系數標定，并測量磁鐵有效長度、場分布均勻性等，旋測主要測量磁鐵高次諧波分量、勵磁曲線、梯度積分場、磁鐵滾動角等。

磁鐵參數要求列于表2。目前，QA、QB類磁鐵已完成全部測量，高次諧波分量均在0.3%以內，有效長度、梯度積分場等滿足物理設計要求。電磁鐵安裝到漂移管內，需保證磁鐵的磁場中心與漂移管的機械中心在同一位置。在整個加工裝配環節中，通過旋測系統測量磁中心與漂移管機械中心的位置偏差，此工作非常耗時，每臺漂移管加工過程中至少需6次測量。漂移管外形留有加工余量，數控銑床根據旋測結果精銑漂移管外圓來修正磁中心與機械中心偏差。DTL1 漂移管磁中心與機械中心偏差測量結果如圖4所示，大部分偏差小于±20μm，最大偏差為39μm，滿足物理設計要求。

表2 磁鐵參數要求Table 2 Parameter requirement of magnet

圖4 漂移管機械中心與磁中心偏差Fig.4 Deviation between mechanical center of drift tube and magnetic center

3 結論

CSNS DTL主要部件加工已完成，安裝測試正在進行中，12節機械單元腔體加工和電鍍均已完成。漂移管加工即將結束，前63個漂移管加工測量已完成，其他主要部件也基本完成加工。預計在2015年底開始DTL1調束。

［1］ FU S N，FANG S X，GUAN X L.A highcurrent RFQ accelerator for the ADS system in China［J］.Journal of Korean Physical Society，2006，48（4）：806-809.

［2］ WEI J，FANG S X，CAO J S，et al.China Spallation Neutron Source：Accelerator design iterations and R&D status［J］.Journal of Korean Physical Society，2007，50（5）：1 377-1 384.

［3］ LIU Huachang，PENG Jun，YIN Xuejun，et al.RF power coupling for the CSNS DTL［J］.Chinese Physics C，2011，35（1）：92-95.

［4］ YOSHINO K，TAKASAKI E，NAITO F，et al.Development of a DTL quadrupole magnet with a new electroformed hollow coil for the JAERI／KEK joint project［C］∥Proceedings of Linac.Monterey：［s.n.］，2000：569-571.