中國散裂中子源關鍵設備安裝技術探討

李繼紅，馮 光，倪曉曄，鄭樂見

（1.散裂中子源科學中心，廣東東莞 523808；2.中國科學院高能物理研究所東莞分部，廣東東莞 523803）

0 引言

中國散裂中子源是“十一五”期間國家重點建設的12個重大科技基礎設施項目之一。中國散裂中子源的建成，使我國在強流質子加速器和中子散射領域實現了一次重大跨越，技術和綜合性能達到國際同類裝置先進水平，與我國已經建成的同步輻射光源優勢互補，為材料科學技術、生命科學、資源環境、新能源等方面的基礎研究和高新技術開發提供強有力的研究手段，為解決許多“卡脖子”問題提供關鍵技術平臺，對滿足國家重大戰略需求具有重要意義。該裝置由1臺80MeV負氫離子直線加速器、1臺1.6GeV快循環質子同步加速器、2條束流輸運線、1個靶站，以及一期3臺譜儀組成，是各種高、精、尖設備組成的整體[1]。

1 設備安裝的技術要求

加速器和靶站譜儀設備基本都是精密設備，造價高且加工周期較長，在安裝過程中要特別注意安全。加速器設備在束流方向和垂直束流方向的粗就位安裝精度須控制在±2 mm以內。粗就位完成后，對設備進行準直調整，部分設備就位精度須控制在±0.05 mm以內。

2 關鍵設備安裝技術

在加速器設備安裝隧道底板混凝土澆注前，進行設備基礎預埋件安裝，通過調整機構保證預埋件高程和俯仰角正確。設備安裝前，由準直系統在隧道地面放線，設備的支架在制造廠加工過程中也會進行對應的刻線。設備安裝時，將支架上的刻線與準直在地面的刻線對齊，以確定設備的安裝位置。

圖1 RFQ整體吊裝圖

2.1 射頻四極加速器（RFQ）安裝技術

RFQ主要用于加速由離子源產生的能量為50KeV的負氫離子束流至能量3.0MeV[2]。RFQ在隧道正式安裝前在實驗大廳進行預組裝，并進行老煉。為了保留RFQ老煉成果，避免將設備拆散后運入隧道安裝，需要將設備從實驗大廳整體運輸到隧道安裝。如圖1所示，組裝完成后設備總長3.7 m，總質量5 t，而隧道的吊車額定載荷為3 t，因此無法使用吊車進行安裝。采用了在支架的支腿上安裝小坦克加千斤頂配合操作的安裝方案，即通過小坦克運輸設備，當需要轉向時，用千斤頂將支架頂起，轉動小坦克的方向。該方案實現了RFQ整體在無吊車情況下的隧道內運輸。在安裝位置，通過使用螺旋千斤頂將RFQ整體最終精確就位[3]，如圖2所示。

圖2 RFQ安裝就位

2.2 漂移管直線加速器（DTL）安裝技術

DTL是CSNS直線加速器的主要組成部分，負責將負氫離子從3MeV加速到80MeV。其由4節長度8～9 m內徑為0.566 m的圓柱形物理腔組成，每節物理腔又分為3段，長度約3 m的機械腔體，以便于安裝和加工，腔體內含有153個全無氧銅漂移管[4]。DTL腔的組裝主要包括筒體的標定，漂移管的標定、裝入和調整以及端板的標定和安裝調整等。DTL腔準直組裝工作量大，精度要求高，在日本同類設備的準直組裝過程中使用了準直望遠鏡、電子水平儀、水準儀以及激光跟蹤儀等多種設備。而CSNS/DTL從標定到組裝主要采用激光跟蹤儀，并利用激光干涉儀校準平臺對激光跟蹤儀進行校準，從而最大程度發揮了激光跟蹤儀的性能，提高了工作效率[5]。在腔體內部組裝完成后，進行整腔安裝就位，由于DTL腔體在40 m范圍內要求安裝誤差控制在±0.1 mm的極高精度，且3 m單腔內漂移管均為懸臂結構，其每個漂移管位置、尺寸和重量的多樣性導致DTL腔的整體高平穩運輸和吊裝變得十分困難。設計了可調節重心的DTL腔通用吊具，該吊具可以調節吊點位置，實現了DTL腔體在測試廳和隧道內的高平穩安裝，如圖3所示。在運輸前后嚴格進行調平，保證了DTL腔整體運輸微米量級形變要求。

圖3 DTL隧道吊裝就位

2.3 真空盒安裝技術

真空系統主要功能是提供滿足束流壽命和高壓設備的真空度，以保證束流高效穩定運行，該系統安裝關鍵在于真空盒法蘭密封連接。真空系統要求真空度達到10-6Pa，每段真空盒的總漏率小于1×10-10Pa·m-3/s，因此對安裝要求極高。直線加速器和輸運線真空盒材料均為316不銹鋼。如圖4所示，真空盒之間采用快卸鏈條法蘭進行連接，在真空法蘭連接密封過程中采用扭力扳手，將力矩調至25 N·m，均勻上緊。真空檢漏過程中如出現微漏，則將力矩調整至30 N·m，如果再次失效，則需要更換密封圈重新進行真空密封。

快循環同步加速器真空盒采用靜壓方法制備的氧化鋁為材料，分別通過玻璃化和金屬化工藝對分段的陶瓷真空盒及法蘭進行焊接。陶瓷真空盒在安裝過程中要防止被擠壓，特別是在空間狹窄、間隙小的情況下施工。首先根據圖紙中的尺寸將磁鐵與支架的相對位置調整到位，特別是共架支架，要將多臺磁鐵的水平垂直位置調至一致。然后將真空盒支架調至低位，通過專用真空盒吊裝工裝將真空盒吊至支架上。磁鐵合蓋后，通過調節真空盒支架使真空盒安裝就位。真空法蘭連接采用力矩扳手將力矩調至25 N·m，如出現漏點，則逐漸加大力矩。如圖5所示。

圖4 磁鐵單元真空盒安裝

圖5 二極磁鐵真空盒安裝

3 靶站內環至靶站輸運線（RTBT）設備

3.1 安裝技術

靶站內RTBT（即24 m段）總共包括7個設備單元，每個單元結構基本類似，主要分為支架、共架、吊裝框架、導向架4部分。底層支架通過地腳螺栓固定在隧道內，上層支架與磁鐵等設備組裝為1個整體成為1個設備單元。上層共架設置的3～4個錐形球窩與支架上固定的定位球進行接觸與定位，從而實現設備的遠程安裝和定位。由于RTBT隧道狹窄，設備單元重大，最重的一個單元重達40 t，且需遠程安裝就位，難度大且工期緊張。主要解決了較高精度下的單元遠程安裝問題。采用了重心偏心調平的方案，即設計了可用于工件調平和可以實現遠程鋼絲繩掛鉤脫的吊具，先期調整吊具的吊點高度，使用鉗工水平儀將設備單元進行調平，達到安裝要求后通過預先安裝在墻體的導向架進入預定安裝位置，如圖6所示。經計算和現場實驗獲得最優方案，實現7個單元遠程安裝。在不影響準直等工作前提下，24 m段設備單元預安裝和隧道安裝交錯施工，大大加快了進度。在進行真空法蘭密封過程中，使用長桿工具，螺桿擰緊約40圈實現真空密封。

圖6 設備單元吊裝

3.2 氦容器安裝技術

氦容器是為散裂反應核心區提供氦氣氣氛保護，以減少放射性氣體的產生，同時防止放射性氣體及活化介質的泄露，并為其他系統提供安裝接口，給質子束流和中子束提供輸運通道，是靶站關鍵設備之一，其安裝質量好壞將直接影響到散裂中子源的整體性能，如圖7所示。氦容器是1臺立式圓筒形密封容器，高7.8 m，最大直徑φ4.8 m，總質量68 t。其內部將安裝靶體、慢化器、反射體及屏蔽體等組件，包含20條中子孔道、質子入射孔道和靶體插件孔道。氦容器安裝基礎為裙座，已安裝在靶站基板上，標高為1.3 m。周圍的重混凝土屏蔽墻、鋼柱及熱室已澆筑完成，最高處距地面9.7 m，須要將設備整體吊越9.7 m的現有構筑物。安裝的難點是將氦容器由臥式姿態轉為立式姿態。項目采用1臺500 t和1臺300 t的汽車吊進行抬吊的方案。氦容器翻身后，通過主吊車吊入直徑9.6 m的密封筒內[6-8]。如圖8所示。

圖7 雙吊車抬吊氦容器

圖8 氦容器安裝就位

圖9 慢化器反射體安裝

3.2 慢化器反射體安裝技術

慢化器內充滿含氫慢化工質，CSNS靶的散裂反應產生的高能快中子通過與其發生多次彈性和非彈性碰撞，高能快中子就會將能量轉移給慢化工質而轉化成可以用于實驗的熱中子[9]。如圖9所示，該設備與屏蔽體組裝成1個整體，總高度達到6.4 m，總質量44 t。慢化器與反射體插件下端（鋁容器）與周邊設備的安裝間隙單邊只有5 mm，無法直接觀察鋁容器安裝過程，要保證鋁容器不與氦容器內部相撞，難度較大，現場采用遠程攝像頭監視安裝。在起吊過程中，3點起吊，采用2個手拉葫蘆進行調平，并用鉗工水平儀校準。在安裝過程中為了查看定位塊的接觸情況，在定位塊處噴涂朱丹粉、紅丹油，安裝后察看定位塊被蹭掉顏色區域，以此判斷定位塊的接觸情況，通過修改定位塊的尺寸，調節設備的安裝精度。最終實現了安裝位置與理論設計值在水平面上最大偏差0.18 mm，在高程方向上偏差0.2 mm。

4 結束語

中國散裂中子源，設備眾多、工藝復雜、安裝難度大，本文通過制定詳細的施工方案，以及對關鍵技術的控制，解決了精密設備的運輸及安裝和陶瓷真空盒的精確安裝等難題，為今后同類項目的實施提供了參考。