CSNS/RCS陶瓷真空盒熱特性及振動研究

余潔冰，王廣源，康 玲，黃 濤，鄧昌東，陳佳鑫，張俊嵩，劉仁洪，王安鑫，聶小軍，劉 磊，寧常軍

(1.中國科學院 高能物理研究所，北京 100049；2.散裂中子源科學中心，廣東 東莞 523803)

中國散裂中子源(CSNS)快循環同步加速器(RCS)注入束流能量為80 MeV，引出束流能量為1.6 GeV，束流功率為100 kW[1-2]。RCS中的二極、四極磁鐵采用帶直流偏置的25 Hz交變電流激磁，通電狀態下磁鐵內部存在嚴重的渦流效應，要求真空盒的材料必須能限制磁場在其內部產生的渦旋電流，避免造成巨大的熱損耗和磁場干擾，因此，不適合選用不銹鋼、鋁合金和無氧銅等金屬材料。而氧化鋁陶瓷因具有高的強度、好的抗輻射能力和真空性能，是CSNS/RCS真空盒的合適材料。CSNS二極陶瓷真空盒由8節陶瓷管道和2個陶瓷法蘭組成，而四極陶瓷真空盒由2節陶瓷管道和2個鈦金屬管及鈦法蘭組成[3-12]。因陶瓷真空盒燒結過程中變形大，且多節連接時在保證超高真空的前提下滿足強度要求，制造難度大，目前CSNS大部分陶瓷真空盒為德國進口。

陶瓷真空盒受安裝空間限制無法設計獨立支架，故將支架固定在磁鐵兩端的線圈處，磁鐵交變電流激勵使自身產生頻率25 Hz的振動[13-15]，而振動通過真空盒支架進一步傳遞到真空盒上。在CSNS磁鐵加電測試中，曾出現四極陶瓷真空盒斷裂、真空破壞的情況。結合陶瓷真空盒的實際安裝環境，分析造成陶瓷真空盒斷裂的原因包括：磁鐵發熱引起陶瓷真空盒不均勻升溫膨脹；磁鐵振動傳遞到真空盒上；陶瓷真空盒的一端與波紋管連接，另一端與相鄰的不銹鋼真空盒通過法蘭連接固定，同時還受固定在線圈上的兩個支架約束，存在三點過約束的情況。

陶瓷真空盒斷裂后，項目組將所有陶瓷真空盒的固定約束調整至2個以內。為排除其他導致真空盒斷裂的因素，采用有限元分析軟件對陶瓷真空盒進行了熱-結構耦合分析，同時定期對所有陶瓷真空盒開展振動監測。本文針對個別振幅大的真空盒，分析問題產生的原因，并開展支架減振研究。

1 陶瓷真空盒熱結構分析

斷裂的陶瓷真空盒結構如圖1所示，其長度大于1 m，由2節陶瓷管通過在空氣高溫爐中用玻璃膠粘連而成，兩端焊接鈦金屬管和鈦法蘭，鈦管與陶瓷管之間采用釬焊，鈦法蘭用氬弧焊或激光焊，真空盒的斷裂處位于兩節陶瓷管連接處。

圖1 四極陶瓷真空盒Fig.1 Quadrupole ceramic vacuum chamber

為明確磁鐵因拷機引起的溫升對陶瓷真空盒溫度分布及應力的影響，分析時不考慮其他因素，假設磁鐵與陶瓷真空盒之間僅通過熱輻射進行熱量傳遞。選取磁鐵的熱輻射系數為0.8，陶瓷真空盒的熱輻射系數為0.3，對磁鐵溫度進行理論分析[11]，結果示于圖2。圖2表明，經長時間拷機，實測極頭處最高溫度約為130 ℃，中間平均溫度為70 ℃。根據理論分析溫度分布及磁鐵實測結果建立有限元熱分析模型，圖3為磁鐵及真空盒溫度分布云圖。

圖2 磁鐵的理論溫度分布Fig.2 Magnet temperature distributionby theory analysis

圖3 陶瓷真空盒溫度分布Fig.3 Ceramic vacuum chamber temperature distribution

該陶瓷真空盒斷裂后，對更換后的陶瓷真空盒進行了長達17 h的磁鐵升溫監測，靠近磁鐵極頭處的陶瓷真空盒溫度接近68 ℃。理論分析結果與實測溫度接近，認為理論熱分析有效。將溫度分析結果作為陶瓷真空盒結構分析的載荷，另外附加重力、大氣壓力及固定約束，對其進行應力分析，結果示于圖4。由圖4可知，陶瓷真空盒上的最大應力位于固定約束處，為46.334 MPa，遠小于陶瓷的抗彎強度，認為磁鐵發熱對陶瓷真空盒影響較小，不是陶瓷真空盒斷裂的主要因素。

圖4 陶瓷真空盒上的應力分布云圖Fig.4 Stress distribution on ceramic vacuum chamber

2 陶瓷真空盒振動監測

基于陶瓷真空盒特殊的材料特性，傳統的接觸式振動傳感器無法固定，且存在磁場干擾問題，非接觸式測量技術是一種有效可行的陶瓷真空盒振動監測手段。在CSNS暑期檢修期間，采用雙目視覺振動測量儀對陶瓷真空盒的振動進行監測，其工作流程如下：1) 根據陶瓷真空盒的位置和大小，確定對應的相機鏡頭和角度；2) 對雙目視覺系統進行內外參數標定，獲取相機組的內外參數；3) 同步采集圖像；4) 讀取圖像并提取特征點的圖像坐標，進行匹配；5) 計算特征點的三維坐標并保存。

圖5為CSNS/RCS陶瓷真空盒采用雙目相機進行振動監測及其部分區域高程方向的振動測試結果。從圖5可看出，2018年與2019年的監測數據相差不大，最大差異為6 μm，而雙目視覺系統的標定本身會引起一定的測量誤差，因此，認為測量結果有效，陶瓷真空盒高程方向振動最大為29 μm。

圖5 RCS陶瓷真空盒的振動監測及部分高程測試結果Fig.5 Vibration monitoring and partial elevation test result of RCS ceramic vacuum chamber

測試中還發現，部分陶瓷真空盒水平方向振動異常，以RCS第4區域6號四極鐵中間的陶瓷真空盒最顯著，具體如圖6所示，該真空盒左右兩個測點水平方向的振動均超過50 μm，而其高程方向振動僅為11 μm。經核查，相較于2018年測試環境，因部分鋁制快卸鏈條運行時斷裂，曾將該陶瓷真空盒兩端的快卸鏈條更換為不銹鋼材料，通過磁導率測試，發現其磁導率超過1.5，將快卸鏈條因更換為磁導率小于1.05的不銹鋼，該問題得以解決，對于其他區域類似水平方向振動異常的真空盒，均通過更換快卸鏈條予以解決。

圖6 RCS第4區域陶瓷真空盒水平方向振動監測結果Fig.6 Horizontal vibration monitoring result of RCS fourth district ceramic vacuum chamber

3 陶瓷真空盒的減振研究

為避免后期出現陶瓷真空盒振動異常無法解決的情況，開展了陶瓷真空盒的減振支架研究。經實測，磁鐵與陶瓷真空盒的振動頻率均為單一頻率25 Hz，針對固定頻率的振動，采用彈簧阻尼機構能有效隔絕振動的傳遞，圖7為其振動傳遞特性[16]。結合真空盒支架的安裝空間，設計了隔振器結構，如圖8所示。

圖7 彈簧阻尼隔振曲線[16]Fig.7 Curve of spring damping vibration isolation[16]

圖8 真空盒支架隔振器結構Fig.8 Vibration isolator structure of vacuum chamber support

基于二極鐵陶瓷真空盒備件，搭建真空盒隔振支架測試平臺，并進行隔振效果測試。整個實驗裝置由陶瓷真空盒、真空盒支架、隔振器、941B速度傳感器和振動平臺5部分組成，如圖9所示。振動平臺能提供的頻率范圍為10～30 Hz，可模擬25 Hz磁鐵振動的實驗環境。本文針對有無隔振器兩種情況分別進行了測試。

圖9 真空盒隔振支架測試平臺Fig.9 Test platform of vibration isolation support

分別對比振動平臺表面與陶瓷真空盒表面的振動速度，結果如圖10所示，高程方向最大振動速度從4.2×10-4m/s降至0.8×10-4m/s，減振效果高達80%，水平方向最大振動速度從8.2×10-4m/s降至1×10-4m/s，減振效果高達85%。同時從振動頻域圖也可明顯看出，25 Hz的速度振動貢獻值顯著降低，起到了較好的隔振效果。

圖10 隔振器的隔振性能Fig.10 Vibration isolation performance of vibration isolator

4 結論

針對CSNS/RCS陶瓷真空盒斷裂問題，本文開展了陶瓷真空盒的熱特性研究及磁鐵通電時的振動監測研究。結果表明：磁鐵發熱及磁鐵通電不會直接導致陶瓷真空盒的破壞，本文中陶瓷真空盒的故障原因可歸因于三點支撐引起過約束，同時結合振動及溫度不均勻分布三者共同作用。后期在陶瓷真空盒的使用中，需合理設計支架結構，嚴格控制真空盒的振動，同時法蘭及快卸鏈條等真空連接設備需滿足磁導率要求。