孫 陽，張?zhí)炀?，?軍，潘高峰，宋國芳，紀 彬，殷治國，賈先祿

（中國原子能科學研究院 串列加速器升級工程部，北京 102413）

串列加速器升級工程（BRIF）是中國原子能科學研究院（CIAE）建設的大型科學工程，其中100 MeV 強流質(zhì)子回旋加速器（CYCIAE-100）是BRIF最關鍵的系統(tǒng)，為我國首次建造，能量為100 MeV、束流強度為200μA，質(zhì)量要求高，系統(tǒng)復雜，質(zhì)量控制難度非常大，如何進行質(zhì)量控制是需認真研究的課題。

CYCIAE-100采用外部多峰負氫離子源產(chǎn)生直流負氫束流，由軸向注入系統(tǒng)將DC 束流經(jīng)橫向聚焦、雙級xy 導向、縱向聚束、90°螺旋偏轉(zhuǎn)等步驟，注入中心區(qū)；中心區(qū)接收高頻相位位于30°內(nèi)的束流，與相位控制和束流對中線圈系統(tǒng)配合，對束流進行對中、選相、限束，盡快提高能量使束流進入加速區(qū)；高頻系統(tǒng)提供逐漸增大的加速電壓，磁鐵系統(tǒng)提供等時性磁場以導引、控制束流軌道，使束流在加速區(qū)內(nèi)加速，加速過程中采用等時性磁場調(diào)諧系統(tǒng)調(diào)節(jié)，保證被加速的離子有小的滑項、高的加速效率；引出系統(tǒng)精確定位剝離引出靶的位置，使達到預定能量的負氫束流被剝離，并沿設計的軌道通過真空室的引出孔引出［1］。

結合CIAE現(xiàn)有的技術條件分析，CYCIAE-100的關鍵技術包括：強流束的產(chǎn)生、調(diào)節(jié)與控制技術，磁工藝技術，大功率、高穩(wěn)定度高頻技術，低溫真空技術等幾方面［2］。與其相關的離子源、主磁鐵、高頻系統(tǒng)、主真空系統(tǒng)是影響加速器質(zhì)量的關鍵設備。離子源提供負氫束流，并直接影響最終加速器的束流強度［3］；主磁鐵的主要作用是保證整個加速過程的等時性條件，束流的軸向和徑向聚焦，工作點遠離有害共振或快速通過共振帶。高頻腔體在機械性能和幾何結構約束的情況下要用最小的饋入功率以達到最大的Dee電壓，同時保證電壓、輸入功率、相位的穩(wěn)定性。主真空系統(tǒng)則用以保證加速器的高真空環(huán)境。

CYCIAE-100質(zhì)量控制就是要嚴格控制加速器組成設備的質(zhì)量，尤其是關鍵設備的質(zhì)量和性能指標，保證其功能要求，實現(xiàn)CYCIAE-100的總體性能指標。離子源要求為：引出最大束流大于5mA，歸一化發(fā)射度為0.45mm·mrad，穩(wěn)定運行。主磁鐵磁場要求為：中心平面上磁場呈周期分布，峰區(qū)最大場不超過1.34T；等時性場平均相對偏差為1.05×10-4；一次諧波在大半徑處不超過2×10-4～5×10-4T，小半徑處不超過5×10-4～1×10-3T；二次諧波要求小于4×10-3T。高頻系統(tǒng)要求為：在高頻發(fā)射機運行頻率范圍（43～45 MHz）內(nèi)，額定輸出功率為100kW×2，頻率穩(wěn)定度為5×10-8，腔體負載Dee電壓穩(wěn)定度為5×10-4。高頻腔體相位穩(wěn)定度要求為：兩個腔體與信號源之間的相位差好于0.3°，Dee電壓分布中心區(qū)部分為60kV，大半徑部分為120kV。真空系統(tǒng)要求為：主真空室真空度為5×10-6Pa，正常運行48h后達到真空度。

為做好CYCIAE-100 的質(zhì)量控制，CIAE在設計、制造、安裝、調(diào)試各階段采取了一系列有效措施。

1 對關鍵技術開展實驗驗證

為了對強流負氫束的產(chǎn)生、注入，中心區(qū)的束流相位規(guī)劃、對中和加速等問題進行研究，CIAE 專門建立了一個較完整的中心區(qū)模型實驗臺架，包括能夠產(chǎn)生負氫流強為10mA 的離子源與軸向注入系統(tǒng)、可開展強聚焦磁性能研究的磁鐵系統(tǒng)、可加速負氫束開展中心區(qū)技術研究的高頻系統(tǒng)（高頻功率為12kW）和實驗研究用的不同中心區(qū)結構（注入與高頻俘獲的總效率約為10%），以及真空、水冷、控制、電源等配套系統(tǒng)，以驗證物理和工程設計方法、軟件計算結果。開展了外部負氫離子源及軸向注入線實驗、優(yōu)化中心區(qū)結構實驗、束流損失實驗，實驗結果為：引出質(zhì)子束能量為10 MeV，通過長時間運行考驗，內(nèi)靶束流強度維持在400μA以上；束流強度最大值為432.6μA。通過實驗驗證，掌握了回旋加速器注入、加速、高頻、引出等一系列關鍵技術，為保證CYCIAE-100的設計質(zhì)量奠定了基礎。

大功率異形諧振腔是高頻系統(tǒng)的關鍵部件，其性能決定了系統(tǒng)功率損耗的大小與穩(wěn)定性。CIAE采用了雙圓柱形內(nèi)桿的腔體結構。為驗證諧振腔結構設計的準確性和可靠性，掌握諧振腔的功率特性，驗證加工工藝，研究場分布，為諧振腔的定型提供可靠的依據(jù)，CIAE 加工了一套全比例無氧銅腔體，采用網(wǎng)絡分析儀等設備主要研究了以下內(nèi)容：大功率銅腔的頻率、品質(zhì)因數(shù)的測量及實驗優(yōu)化；加速電壓分布測量；功率分布；輸入匹配調(diào)諧方法；二次電子倍增，高次模震蕩；低電平控制回路的調(diào)試及抗干擾性能和穩(wěn)定性等。結果表明：金屬模型腔體頻率可在43～45 MHz之間調(diào)節(jié)，輸入功率為33.7kW 時，加速電壓由中心區(qū)的60kV 沿半徑方向逐步升高，在引出區(qū)達到120kV。腔體無載品質(zhì)因數(shù)Q0約為9 300，接近理論計算值。通過實驗，技術人員掌握了高頻腔的功率特性，保證了CYCIAE-100 高頻腔體的設計質(zhì)量。

為保證高頻系統(tǒng)的穩(wěn)定性，CIAE 進一步開展了相關的高頻功率實驗研究，如射頻腔具有窄帶高Q（品質(zhì)因數(shù)）的特性，對末級功率源的穩(wěn)定性影響大，對于這種靠近基波的寄生振蕩，通過增加固定高功率移相器和改善末級功率源中和線路來解決。對于以7次諧波為代表的高次模寄生振蕩，采取了在陽極腔增加高次模耦合環(huán)，并配以水冷吸收負載的辦法。通過高頻功率實驗使我們較早發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)可能出現(xiàn)的不穩(wěn)定因素，并加以研究和解決，較好地保證了系統(tǒng)的可靠性。

2 主磁鐵加工制造單位的選擇

主磁鐵設備大、重量大，精度要求高，可選擇的供方必須是具備大型裝置熱處理、機加工能力的生產(chǎn)企業(yè)，更重要的是技術上要能實現(xiàn)碳含量的要求和碳含量偏差方面的要求（主磁鐵蓋板材料為08＃鋼，碳含量要小于0.11%，磁極材料為純鐵，碳含量要小于0.06%。碳含量相對偏差同區(qū)域小于0.02%，不同區(qū)域之間的相對偏差小于0.04%），以及機加工精度的要求（主磁鐵蓋板直徑為6.16 m，蓋板及4個磁極重量達到168t，加工機床必須要同時滿足門框跨度、承重、精度三方面的要求）等。CIAE通過供方調(diào)查，與供方進行充分的技術交流，掌握供方的特點及熱處理、機加工能力，最終選擇了中信重工機械股份有限公司作為主磁鐵蓋板的制造方，磁極毛坯件則從法國進口。

3 強流負氫多峰場離子源及其束流強度和發(fā)射度

強流負氫多峰場離子源由CIAE 自行研制。研究表明，強流負氫多峰場離子源的束流強度與引出電壓、弧功率、吸極電壓、氫氣流量有密切關系，而束流發(fā)射度與引出電壓、吸極電壓有密切關系。離子源研制過程即是在掌握其中規(guī)律的基礎上，優(yōu)化匹配各項參數(shù)，進而保證離子源的束流強度、發(fā)射度等性能指標。經(jīng)測試，強流負氫多峰場離子源束流強度為15mA、歸一化發(fā)射度為0.93 mm·mrad，經(jīng)36h穩(wěn)定性考驗，束流不穩(wěn)定度達5%、最大引出束流為18mA［3］。

4 主磁鐵磁場性能保證措施

為保證等時性磁場，主磁鐵熱加工階段要保證碳含量的均勻性和熱加工毛坯件內(nèi)部質(zhì)量，粗加工后，要在成品不同部位取樣進行化驗，以確定碳元素及其他元素成分、均勻度是否達到指標。從本體上取探傷試塊進行晶粒度分析，依據(jù)國家標準進行超聲波探傷，對蓋板、磁軛進行取樣，委托專業(yè)機構對試棒磁性能進行檢測分析，保證磁場性能滿足要求。在冷加工階段要保證磁極扇角精度、對稱度、氣隙精度。采用組合加工的方式來消除累計誤差，以保證磁極面精度及磁極氣隙的一致性，加工后還要對磁極的上曲面進行嚴格檢測?？傮w裝配過程中對系統(tǒng)中各部件尺寸精度及各部件間的裝配精度進行檢測，根據(jù)檢測結果不斷調(diào)整，檢測合格后，再按裝配方案加工騎縫定位銷。上蓋板和磁極裝配體在工作過程中要舉升打開，回位后的復位精度要好于±0.01mm。驗收時需進行嚴格檢測，以保證回旋加速器的安裝質(zhì)量［4］。

5 主真空室與真空度

主真空室內(nèi)徑為4 040mm，高度為1 270mm，體積約為10m3，表面積約為210m2。加速器的主要部件如磁極、高頻腔、注入引出部件及束流診斷裝置均在主真空室內(nèi)，真空度要達到5×10-6Pa難度非常大。在設計過程中需對主真空室內(nèi)氣源進行分析和計算以及排氣計算，選擇合適的真空排氣設備。在加工過程中要保證主真空室加工精度，如平面度為0.05 mm，主真空室高度為0.2 mm，圓度為0.5 mm 等。主真空室及內(nèi)部的設備在加工完成后均需檢漏，對所有可能破壞真空的接口也要檢漏。由于系統(tǒng)采用了低溫板排氣系統(tǒng)方案，需對熱負載進行計算并對其結構進行優(yōu)化和論證，加工過程中與制造單位進行充分的技術交流，保證設計的合理性、可行性，對加工工藝方案進行審查和認可，出廠前對其進行氦氣檢漏。

6 高頻腔及Q 值保證措施

CIAE在高頻腔加工過程中，充分考慮到高頻腔結構對加速器的影響，嚴格控制腔體關鍵部位的加工精度，腔體的關鍵部件包括外殼、Dee板、內(nèi)桿和高頻腔。兩個內(nèi)桿的尺寸和位置對腔體加速電壓的分布非常重要；腔體高度和腔體微調(diào)電容板的大小和間距對腔體頻率會產(chǎn)生影響；Dee板安裝的垂直位置對束流振幅有影響；中心區(qū)Dee盒頭部的結構也十分精細；兩個腔體的不對稱電壓和一次諧波存在一定的等效關系，需保證兩個腔體加工的一致性。另外，腔體總高度為1.3m，從Dee盒頭部到尾板半徑約為2m，腔體外殼厚度只有3mm，腔體全部采用無氧銅材料，國內(nèi)加工廠沒有類似大型無氧銅加工經(jīng)驗，在加工過程中需重點保證焊接質(zhì)量。加工后在加工廠進行預裝配，進行無載品質(zhì)因數(shù)Q0的測量，1＃腔體和2＃腔體的Q0分別達到了9 434與9 691［5］。

在安裝階段，高頻腔體內(nèi)表面的粗糙程度及安裝誤差對高頻腔體品質(zhì)因數(shù)影響較大，CIAE利用測量工裝與調(diào)整機構保證安裝精度，通過沿腔體表面電流走向方向拋光降低腔體內(nèi)表面的粗糙度，并在臨界耦合的條件下進行高頻參數(shù)冷測試。測試結果為：在頻率接近44.6 MHz時，1＃腔體和2＃腔體的有載Q 分別為4 805和4 821，推算Q0分別為9 610和9 642［6］。

7 高頻鍛煉與饋入功率

由于腔體表面光潔度低，存在油、灰塵附著等不利因素，腔體的許多區(qū)域會發(fā)生真空條件下的次級電子倍增，可造成腔體品質(zhì)因數(shù)的下降、腔體的輸入阻抗失配、無法建立正常的Dee電壓、高頻功率不能饋入腔體及功率全反射的情況。另外，在高功率情況下，由于Dee高頻高壓的影響，會造成腔體非理想表面的高壓擊穿、打火。因此，在主真空室真空度達到4×10-5Pa后，需通過高頻老煉克服上述因素的不利影響。CIAE首先采用了連續(xù)波功率越過某些低功率多電子倍增區(qū)域，然后降幅鍛煉的方法，在高功率脈沖鍛煉階段，采用低占空比脈沖鍛煉，然后逐步增加信號源幅值和占空比的方法等。最終兩腔體饋入的連續(xù)波高功率穩(wěn)定在35kW。再通過Dee盒載束實驗，證明高頻系統(tǒng)達到了設計指標［7］。

8 結論

2014年7 月25 日，CYCIAE-100 外 靶 出束：加速器穩(wěn)定運行8h 以上，平均流強大于25μA；主真空室真空度達到4×10-5Pa；高頻性能穩(wěn)定，信號源頻率為44.812 5 MHz，南腔取樣端電壓峰峰值為8.44V，北腔取樣端電壓峰峰值為7.88V，相位差為0°。

經(jīng)過幾年的努力，CIAE 在回旋加速器設計、制造、安裝、調(diào)試各階段采取了一系列管理和技術措施，把握住離子源、主磁鐵、高頻系統(tǒng)、真空系統(tǒng)等關鍵設備和關鍵環(huán)節(jié)，成功研制了回旋加速器，并切實保證了加速器的質(zhì)量。

［1］ 張?zhí)炀?，呂銀龍，鐘俊晴，等.100 MeV 強流緊湊型回旋加速器初步設計說明書［R］.北京：中國原子能科學研究院，2010.

［2］ 張?zhí)炀?，姚紅娟，殷治國，等.中國原子能科學研究院強流回旋加速器若干先進技術研究進展［J］.原子能科學技術，2009，43（增刊）：129-146.ZHANG Tianjue，YAO Hongjuan，YIN Zhiguo，et al.Research progress on several aspects of advanced high intensity cyclotron technology at CIAE［J］.Atomic Energy Science and Technology，2009，43（Suppl.）：129-146（in Chinese）.

［3］ 賈先祿，張?zhí)炀?，秦久昌，?強流負氫多峰場離子源的實驗研究［M］∥中國原子能科學研究院年報.北京：中國原子能出版社，2012：72-73.

［4］ 孫陽，林軍，李秀麗，等.100 MeV 強流質(zhì)子回旋加速器主磁鐵關鍵質(zhì)量因素分析及對策［J］.核標準計量與質(zhì)量，2013（2）：31-36.SUN Yang，LIN Jun，LI Xiuli，et al.The key quality factors analysis and measures of main magnet force for 100 MeV high intensity Hcyclotron［J］.Nuclear Measurement and Quality Standard，2013（2）：31-36（in Chinese）.

［5］ 紀彬，邢建升，殷治國，等.100 MeV 強流質(zhì)子回旋加速器高頻腔體的研制［M］∥中國原子能科學研究院年報.北京：中國原子能出版社，2011：51-52.

［6］ 紀彬，邢建升，劉庚首，等.100 MeV 高頻腔體安裝調(diào)試與高Q 值的實現(xiàn)［M］∥中國原子能科學研究院年報.北京：中國原子能出版社，2013.

［7］ 殷治國，紀彬，趙振魯，等.CYCIAE-100 回旋加速器高頻諧振腔的老練［M］∥中國原子能科學研究院年報.北京：中國原子能出版社，2013.