100MeV回旋加速器质量控制

孙 阳，张天爵，林 军，潘高峰，宋国芳，纪 彬，殷治国，贾先禄

（中国原子能科学研究院 串列加速器升级工程部，北京 102413）

串列加速器升级工程（BRIF）是中国原子能科学研究院（CIAE）建设的大型科学工程，其中100 MeV 强流质子回旋加速器（CYCIAE-100）是BRIF最关键的系统，为我国首次建造，能量为100 MeV、束流强度为200μA，质量要求高，系统复杂，质量控制难度非常大，如何进行质量控制是需认真研究的课题。

CYCIAE-100采用外部多峰负氢离子源产生直流负氢束流，由轴向注入系统将DC 束流经横向聚焦、双级xy 导向、纵向聚束、90°螺旋偏转等步骤，注入中心区；中心区接收高频相位位于30°内的束流，与相位控制和束流对中线圈系统配合，对束流进行对中、选相、限束，尽快提高能量使束流进入加速区；高频系统提供逐渐增大的加速电压，磁铁系统提供等时性磁场以导引、控制束流轨道，使束流在加速区内加速，加速过程中采用等时性磁场调谐系统调节，保证被加速的离子有小的滑项、高的加速效率；引出系统精确定位剥离引出靶的位置，使达到预定能量的负氢束流被剥离，并沿设计的轨道通过真空室的引出孔引出［1］。

结合CIAE现有的技术条件分析，CYCIAE-100的关键技术包括：强流束的产生、调节与控制技术，磁工艺技术，大功率、高稳定度高频技术，低温真空技术等几方面［2］。与其相关的离子源、主磁铁、高频系统、主真空系统是影响加速器质量的关键设备。离子源提供负氢束流，并直接影响最终加速器的束流强度［3］；主磁铁的主要作用是保证整个加速过程的等时性条件，束流的轴向和径向聚焦，工作点远离有害共振或快速通过共振带。高频腔体在机械性能和几何结构约束的情况下要用最小的馈入功率以达到最大的Dee电压，同时保证电压、输入功率、相位的稳定性。主真空系统则用以保证加速器的高真空环境。

CYCIAE-100质量控制就是要严格控制加速器组成设备的质量，尤其是关键设备的质量和性能指标，保证其功能要求，实现CYCIAE-100的总体性能指标。离子源要求为：引出最大束流大于5mA，归一化发射度为0.45mm·mrad，稳定运行。主磁铁磁场要求为：中心平面上磁场呈周期分布，峰区最大场不超过1.34T；等时性场平均相对偏差为1.05×10-4；一次谐波在大半径处不超过2×10-4～5×10-4T，小半径处不超过5×10-4～1×10-3T；二次谐波要求小于4×10-3T。高频系统要求为：在高频发射机运行频率范围（43～45 MHz）内，额定输出功率为100kW×2，频率稳定度为5×10-8，腔体负载Dee电压稳定度为5×10-4。高频腔体相位稳定度要求为：两个腔体与信号源之间的相位差好于0.3°，Dee电压分布中心区部分为60kV，大半径部分为120kV。真空系统要求为：主真空室真空度为5×10-6Pa，正常运行48h后达到真空度。

为做好CYCIAE-100 的质量控制，CIAE在设计、制造、安装、调试各阶段采取了一系列有效措施。

1 对关键技术开展实验验证

为了对强流负氢束的产生、注入，中心区的束流相位规划、对中和加速等问题进行研究，CIAE 专门建立了一个较完整的中心区模型实验台架，包括能够产生负氢流强为10mA 的离子源与轴向注入系统、可开展强聚焦磁性能研究的磁铁系统、可加速负氢束开展中心区技术研究的高频系统（高频功率为12kW）和实验研究用的不同中心区结构（注入与高频俘获的总效率约为10%），以及真空、水冷、控制、电源等配套系统，以验证物理和工程设计方法、软件计算结果。开展了外部负氢离子源及轴向注入线实验、优化中心区结构实验、束流损失实验，实验结果为：引出质子束能量为10 MeV，通过长时间运行考验，内靶束流强度维持在400μA以上；束流强度最大值为432.6μA。通过实验验证，掌握了回旋加速器注入、加速、高频、引出等一系列关键技术，为保证CYCIAE-100的设计质量奠定了基础。

大功率异形谐振腔是高频系统的关键部件，其性能决定了系统功率损耗的大小与稳定性。CIAE采用了双圆柱形内杆的腔体结构。为验证谐振腔结构设计的准确性和可靠性，掌握谐振腔的功率特性，验证加工工艺，研究场分布，为谐振腔的定型提供可靠的依据，CIAE 加工了一套全比例无氧铜腔体，采用网络分析仪等设备主要研究了以下内容：大功率铜腔的频率、品质因数的测量及实验优化；加速电压分布测量；功率分布；输入匹配调谐方法；二次电子倍增，高次模震荡；低电平控制回路的调试及抗干扰性能和稳定性等。结果表明：金属模型腔体频率可在43～45 MHz之间调节，输入功率为33.7kW 时，加速电压由中心区的60kV 沿半径方向逐步升高，在引出区达到120kV。腔体无载品质因数Q0约为9 300，接近理论计算值。通过实验，技术人员掌握了高频腔的功率特性，保证了CYCIAE-100 高频腔体的设计质量。

为保证高频系统的稳定性，CIAE 进一步开展了相关的高频功率实验研究，如射频腔具有窄带高Q（品质因数）的特性，对末级功率源的稳定性影响大，对于这种靠近基波的寄生振荡，通过增加固定高功率移相器和改善末级功率源中和线路来解决。对于以7次谐波为代表的高次模寄生振荡，采取了在阳极腔增加高次模耦合环，并配以水冷吸收负载的办法。通过高频功率实验使我们较早发现了系统可能出现的不稳定因素，并加以研究和解决，较好地保证了系统的可靠性。

2 主磁铁加工制造单位的选择

主磁铁设备大、重量大，精度要求高，可选择的供方必须是具备大型装置热处理、机加工能力的生产企业，更重要的是技术上要能实现碳含量的要求和碳含量偏差方面的要求（主磁铁盖板材料为08＃钢，碳含量要小于0.11%，磁极材料为纯铁，碳含量要小于0.06%。碳含量相对偏差同区域小于0.02%，不同区域之间的相对偏差小于0.04%），以及机加工精度的要求（主磁铁盖板直径为6.16 m，盖板及4个磁极重量达到168t，加工机床必须要同时满足门框跨度、承重、精度三方面的要求）等。CIAE通过供方调查，与供方进行充分的技术交流，掌握供方的特点及热处理、机加工能力，最终选择了中信重工机械股份有限公司作为主磁铁盖板的制造方，磁极毛坯件则从法国进口。

3 强流负氢多峰场离子源及其束流强度和发射度

强流负氢多峰场离子源由CIAE 自行研制。研究表明，强流负氢多峰场离子源的束流强度与引出电压、弧功率、吸极电压、氢气流量有密切关系，而束流发射度与引出电压、吸极电压有密切关系。离子源研制过程即是在掌握其中规律的基础上，优化匹配各项参数，进而保证离子源的束流强度、发射度等性能指标。经测试，强流负氢多峰场离子源束流强度为15mA、归一化发射度为0.93 mm·mrad，经36h稳定性考验，束流不稳定度达5%、最大引出束流为18mA［3］。

4 主磁铁磁场性能保证措施

为保证等时性磁场，主磁铁热加工阶段要保证碳含量的均匀性和热加工毛坯件内部质量，粗加工后，要在成品不同部位取样进行化验，以确定碳元素及其他元素成分、均匀度是否达到指标。从本体上取探伤试块进行晶粒度分析，依据国家标准进行超声波探伤，对盖板、磁轭进行取样，委托专业机构对试棒磁性能进行检测分析，保证磁场性能满足要求。在冷加工阶段要保证磁极扇角精度、对称度、气隙精度。采用组合加工的方式来消除累计误差，以保证磁极面精度及磁极气隙的一致性，加工后还要对磁极的上曲面进行严格检测。总体装配过程中对系统中各部件尺寸精度及各部件间的装配精度进行检测，根据检测结果不断调整，检测合格后，再按装配方案加工骑缝定位销。上盖板和磁极装配体在工作过程中要举升打开，回位后的复位精度要好于±0.01mm。验收时需进行严格检测，以保证回旋加速器的安装质量［4］。

5 主真空室与真空度

主真空室内径为4 040mm，高度为1 270mm，体积约为10m3，表面积约为210m2。加速器的主要部件如磁极、高频腔、注入引出部件及束流诊断装置均在主真空室内，真空度要达到5×10-6Pa难度非常大。在设计过程中需对主真空室内气源进行分析和计算以及排气计算，选择合适的真空排气设备。在加工过程中要保证主真空室加工精度，如平面度为0.05 mm，主真空室高度为0.2 mm，圆度为0.5 mm 等。主真空室及内部的设备在加工完成后均需检漏，对所有可能破坏真空的接口也要检漏。由于系统采用了低温板排气系统方案，需对热负载进行计算并对其结构进行优化和论证，加工过程中与制造单位进行充分的技术交流，保证设计的合理性、可行性，对加工工艺方案进行审查和认可，出厂前对其进行氦气检漏。

6 高频腔及Q 值保证措施

CIAE在高频腔加工过程中，充分考虑到高频腔结构对加速器的影响，严格控制腔体关键部位的加工精度，腔体的关键部件包括外壳、Dee板、内杆和高频腔。两个内杆的尺寸和位置对腔体加速电压的分布非常重要；腔体高度和腔体微调电容板的大小和间距对腔体频率会产生影响；Dee板安装的垂直位置对束流振幅有影响；中心区Dee盒头部的结构也十分精细；两个腔体的不对称电压和一次谐波存在一定的等效关系，需保证两个腔体加工的一致性。另外，腔体总高度为1.3m，从Dee盒头部到尾板半径约为2m，腔体外壳厚度只有3mm，腔体全部采用无氧铜材料，国内加工厂没有类似大型无氧铜加工经验，在加工过程中需重点保证焊接质量。加工后在加工厂进行预装配，进行无载品质因数Q0的测量，1＃腔体和2＃腔体的Q0分别达到了9 434与9 691［5］。

在安装阶段，高频腔体内表面的粗糙程度及安装误差对高频腔体品质因数影响较大，CIAE利用测量工装与调整机构保证安装精度，通过沿腔体表面电流走向方向抛光降低腔体内表面的粗糙度，并在临界耦合的条件下进行高频参数冷测试。测试结果为：在频率接近44.6 MHz时，1＃腔体和2＃腔体的有载Q 分别为4 805和4 821，推算Q0分别为9 610和9 642［6］。

7 高频锻炼与馈入功率

由于腔体表面光洁度低，存在油、灰尘附着等不利因素，腔体的许多区域会发生真空条件下的次级电子倍增，可造成腔体品质因数的下降、腔体的输入阻抗失配、无法建立正常的Dee电压、高频功率不能馈入腔体及功率全反射的情况。另外，在高功率情况下，由于Dee高频高压的影响，会造成腔体非理想表面的高压击穿、打火。因此，在主真空室真空度达到4×10-5Pa后，需通过高频老炼克服上述因素的不利影响。CIAE首先采用了连续波功率越过某些低功率多电子倍增区域，然后降幅锻炼的方法，在高功率脉冲锻炼阶段，采用低占空比脉冲锻炼，然后逐步增加信号源幅值和占空比的方法等。最终两腔体馈入的连续波高功率稳定在35kW。再通过Dee盒载束实验，证明高频系统达到了设计指标［7］。

8 结论

2014年7 月25 日，CYCIAE-100 外 靶 出束：加速器稳定运行8h 以上，平均流强大于25μA；主真空室真空度达到4×10-5Pa；高频性能稳定，信号源频率为44.812 5 MHz，南腔取样端电压峰峰值为8.44V，北腔取样端电压峰峰值为7.88V，相位差为0°。

经过几年的努力，CIAE 在回旋加速器设计、制造、安装、调试各阶段采取了一系列管理和技术措施，把握住离子源、主磁铁、高频系统、真空系统等关键设备和关键环节，成功研制了回旋加速器，并切实保证了加速器的质量。

［1］ 张天爵，吕银龙，钟俊晴，等.100 MeV 强流紧凑型回旋加速器初步设计说明书［R］.北京：中国原子能科学研究院，2010.

［2］ 张天爵，姚红娟，殷治国，等.中国原子能科学研究院强流回旋加速器若干先进技术研究进展［J］.原子能科学技术，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］ 贾先禄，张天爵，秦久昌，等.强流负氢多峰场离子源的实验研究［M］∥中国原子能科学研究院年报.北京：中国原子能出版社，2012：72-73.

［4］ 孙阳，林军，李秀丽，等.100 MeV 强流质子回旋加速器主磁铁关键质量因素分析及对策［J］.核标准计量与质量，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］ 纪彬，邢建升，殷治国，等.100 MeV 强流质子回旋加速器高频腔体的研制［M］∥中国原子能科学研究院年报.北京：中国原子能出版社，2011：51-52.

［6］ 纪彬，邢建升，刘庚首，等.100 MeV 高频腔体安装调试与高Q 值的实现［M］∥中国原子能科学研究院年报.北京：中国原子能出版社，2013.

［7］ 殷治国，纪彬，赵振鲁，等.CYCIAE-100 回旋加速器高频谐振腔的老练［M］∥中国原子能科学研究院年报.北京：中国原子能出版社，2013.