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

（1.中國科學(xué)院 高能物理研究所東莞分部，廣東 東莞 523803；2.東莞中子科學(xué)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(shè)的大科學(xué)裝置，已列入國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃。經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，將建造一個質(zhì)子束功率達(dá)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(shè)的主要內(nèi)容包括：1臺H-直線加速器、1 臺快循環(huán)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(fù)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(fù)氫離子加速到80 MeV，再注入到快循環(huán)同步加速器中實現(xiàn)進(jìn)一步加速。DTL 研制涉及到多個學(xué)科和高新技術(shù)領(lǐng)域，引進(jìn)了國內(nèi)外先進(jìn)設(shè)計、生產(chǎn)和加工工藝，目前主要部件研制關(guān)鍵技術(shù)難點均已突破，進(jìn)入批產(chǎn)階段，部分設(shè)備已完成加工測試。本文將對其研制進(jìn)展情況進(jìn)行介紹。

1 DTL腔體

CSNS DTL包括4節(jié)9m 長的RF 腔體，每節(jié)腔體底部均勻放置12個直徑為150mm的固定調(diào)諧器，用于補(bǔ)償腔體和漂移管機(jī)加工的尺寸誤差導(dǎo)致的頻率偏移；另有2 個直徑為90mm的可動調(diào)諧器，用于調(diào)諧運行過程中高頻發(fā)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(jìn)行冷卻；高頻功率由安裝在腔體中間位置的脊波導(dǎo)型功率耦合器饋入到腔體中［3］。每節(jié)腔體配備3臺分子泵機(jī)組和6臺離子泵（圖1），腔體工作壓強(qiáng)為1×10-5Pa。

1.1 腔體加工

為便于加工和安裝測量，每節(jié)DTL 腔體劃分為3段機(jī)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(nèi)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(jī)械單元腔均已完成機(jī)加工和尺寸測量，測量結(jié)果達(dá)到設(shè)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(dǎo)率，需在內(nèi)腔表面電鍍一層無氧銅，鍍層厚度約200μm，要求鍍層電導(dǎo)率不低于98%IACS（國際退火銅標(biāo)準(zhǔn)），鍍后表面無起皮，鍍層無分層，致密性良好，結(jié)合力強(qiáng)。電鍍完成后還需對鍍銅面進(jìn)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(zhǔn)備、鍍鎳、鍍銅、鍍后拋光處理，需約30d。目前12段機(jī)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(jié)合力，每個腔體打磨拋光后需進(jìn)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(xù)運轉(zhuǎn)24h，真空度能達(dá)到2×10-6Pa，共計9段單元腔完成了烘烤測試。烘烤后發(fā)現(xiàn)部分腔體內(nèi)部和側(cè)孔表面有起皮現(xiàn)象，其原因為：1）鍍前清洗除油不徹底，導(dǎo)致鍍層與基體結(jié)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(dǎo)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(jìn)行整體槽鍍。完成補(bǔ)鍍后，再次進(jìn)行烘烤測試，直到腔體內(nèi)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(cè)孔及端板均用鍍銅堵頭密封，并添加RF彈簧，測量結(jié)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(shù)測量結(jié)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(jié)構(gòu)設(shè)計上，為了增加漂移管的有效分路阻抗、降低功耗、節(jié)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(yán)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(fù)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(jié)果，采用全無氧銅結(jié)構(gòu)，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(shù)控銑床精銑完成，并用三坐標(biāo)儀進(jìn)行測量。測量結(jié)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(diào)整機(jī)構(gòu)，使其各方向的位置均可調(diào)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(jié)構(gòu)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(yīng)，每個漂移管內(nèi)部均安裝磁鐵對被加速粒子進(jìn)行聚焦?？紤]到整個裝置的靈活可調(diào)性，CSNS DTL 選擇了電四極磁鐵。由于DTL工作頻率較高，達(dá)324 MHz，漂移管內(nèi)用于放置磁鐵的空間狹窄，磁鐵體積小，磁場強(qiáng)度高，電磁鐵還涉及散熱問題，常規(guī)的繞線線圈無法滿足設(shè)計需求，本工作采用日本J-PARC發(fā)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(shè)計要求。線圈設(shè)計參考日本J-PARC發(fā)展的SAKAE 新型線圈并在國內(nèi)首次研發(fā)應(yīng)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(huán)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(shù)標(biāo)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(shù)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(nèi)，有效長度、梯度積分場等滿足物理設(shè)計要求。電磁鐵安裝到漂移管內(nèi)，需保證磁鐵的磁場中心與漂移管的機(jī)械中心在同一位置。在整個加工裝配環(huán)節(jié)中，通過旋測系統(tǒng)測量磁中心與漂移管機(jī)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(shù)控銑床根據(jù)旋測結(jié)果精銑漂移管外圓來修正磁中心與機(jī)械中心偏差。DTL1 漂移管磁中心與機(jī)械中心偏差測量結(jié)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(shè)計要求。

表2 磁鐵參數(shù)要求Table 2 Parameter requirement of magnet

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

3 結(jié)論

CSNS DTL主要部件加工已完成，安裝測試正在進(jìn)行中，12節(jié)機(jī)械單元腔體加工和電鍍均已完成。漂移管加工即將結(jié)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(yù)計在2015年底開始DTL1調(diào)束。

［1］ FU S N，F(xiàn)ANG 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，F(xiàn)ANG 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.