張 卓，陳 沅，楊向臣，彭全嶺

（中國科學(xué)院 高能物理研究所，北京 100049）

加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)（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(zhì)子與重靶核（如液態(tài)鉛）發(fā)生散裂反應(yīng)，用散裂產(chǎn)生的中子作為中子源來驅(qū)動次臨界包層系統(tǒng)，使次臨界包層系統(tǒng)維持鏈式反應(yīng)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(qū)動次臨界系統(tǒng)，其加速器部分是一臺強流超導(dǎo)質(zhì)子直線加速器，由強流質(zhì)子源、射頻四極場加速器RFQ、超導(dǎo)直線加速器以及相關(guān)的束流傳輸線組成［2］。

常規(guī)磁鐵是構(gòu)成中能傳輸線的重要部分，根據(jù)已有的運行和維護經(jīng)驗，磁鐵系統(tǒng)的穩(wěn)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(wěn)定性，才能使粒子束的動力學(xué)參數(shù)得到最優(yōu)化，進而實現(xiàn)ADS加速器穩(wěn)定、高效的運行。通過對常規(guī)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(shè)計相吻合，是否達到了物理設(shè)計要求。通過對磁鐵長時間通電情況下的穩(wěn)定性測試，確保磁鐵的運行穩(wěn)定性。因此，磁場測量是檢測磁鐵實際設(shè)計與制造結(jié)果的重要步驟。

1 測量與準直系統(tǒng)概述

1.1 測量設(shè)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(fù)性精度可達±0.01 mm。此外，點測機還可進行探桿的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)和俯仰調(diào)節(jié)，以保證探頭可垂直進入磁鐵的磁場測量區(qū)域。這樣綜合起來，探頭共可進行5個方向的調(diào)節(jié)（圖1）。其中特斯拉計和霍爾探頭由新西蘭的Group3公司［3］生產(chǎn)和制造。霍爾探頭的型號為MPT-141，其敏感區(qū)位于探頭的1×0.5（mm）位置。

1.2 準直設(shè)備與準直過程

準直設(shè)備主要是水準儀和經(jīng)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(jīng)緯儀采用的是美國Brunson公司的76-rh190光學(xué)經(jīng)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(jīng)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(fù)移動，調(diào)節(jié)經(jīng)緯儀的角度，保證Z 向的直線運動與經(jīng)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(diào)節(jié)三維5個自由度的磁鐵支架將磁鐵的幾何中心平面調(diào)節(jié)至水準儀所建立的基準面上。最后根據(jù)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(diào)節(jié)，最終實現(xiàn)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(huán)［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(nèi)、Q3和Q6磁鐵在X＝±16mm（ΔX＝2mm）范圍內(nèi)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(huán)，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(nèi)，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(nèi)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(wěn)定后溫度為33～36 ℃，MEBT2四極磁鐵電流穩(wěn)定后溫度為34～36℃，校正磁鐵電流穩(wěn)定后溫度為40～42 ℃。

3 MEBT1和MEBT2磁鐵的測量結(jié)果

3.1 MEBT1四極磁鐵的測量結(jié)果

以Q1、Q6為例，MEBT1四極磁鐵的測量結(jié)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(jié)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(shè)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(shè)計的90%勵磁效率的要求。

3.2 MEBT2磁鐵的測量結(jié)果

以Q1、C1為例，MEBT2磁鐵的測量結(jié)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(shè)計要求，校正磁鐵的積分場強達到設(shè)計要求。

表2 MEBT2磁鐵測量值與理論值的結(jié)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(tǒng)的高精度探頭，其輸出信號已在內(nèi)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(huán)境溫度變化帶來的誤差。根據(jù)DTM-151高斯計的設(shè)備要求，其工作在25 ℃的環(huán)境中，測量磁場值精確度可達±0.01%，本次實驗環(huán)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(wěn)定性帶來的誤差。本次實驗使用的是高精度穩(wěn)流電源，電流5h穩(wěn)定性在1×10-4，可滿足測量要求［10］。

3）準直系統(tǒng)帶來的誤差。經(jīng)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(jié)

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(shè)計要求。

［1］ 詹文龍，徐瑚珊.未來先進核裂變能——ADS嬗變系統(tǒng)［J］.中國科學(xué)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）.

［2］ 方守賢，王乃彥，呂敏，等.關(guān)于加速器次臨界系統(tǒng)的研發(fā)促進我國核能可持續(xù)發(fā)展的建議［J］.中國科學(xué)院院刊，2009，24（6）：641-644.FANG Shouxian，WANG Naiyan，LV Min，et al.Recommendations on the development accelerator subcritical system to promote the sustainable development of nuclear energy［J］.Bulletin of Chinese Academy of Sciences，2009，24（6）：641-644（in Chinese）.

［3］ 趙萬杰.DTM-151 型數(shù)顯式霍爾效應(yīng)高斯計［M］.深圳：［出版者不詳］，2011.

［4］ 楊振，李廣云，袈磊.光學(xué)準直測量方法與精度分析［J］.紅 外 與 激 光 工 程，2011，40（2）：282-286.YANG Zhen，LI Guangyun，JIA Lei.Method and accuracy analysis of optical alignment［J］.Infrared and Laser Engineering，2011，40（2）：282-286（in Chinese）.

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［6］ 趙籍九，尹兆升.粒子加速器技術(shù)［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［7］ 劉智民，陳秉乾.電磁學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1997.

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