中国散裂中子源DTL漂移管的预准直

何振强 柯志勇 董岚 马娜 门玲鸰 梁静 罗涛 王铜 张晓辉



中国散裂中子源DTL漂移管的预准直

何振强1,2柯志勇1,2董岚1,2马娜1,2门玲鸰1,2梁静1,2罗涛1,2王铜1,2张晓辉1,2

1（中国科学院高能物理研究所 北京100049） 2（东莞中子科学中心 东莞 523803）

漂移管直线加速器(Drift Tube Linac, DTL)是中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source, CSNS)直线加速器的主要部分，负责将脉冲流强为15 mA的负氢离子从3 MeV加速到80 MeV，再注入到快循环同步加速器(Rapid Cycling Synchrotron, RCS)中实现进一步加速。DTL加速器本身技术工艺复杂，要求极高的加工精度和准直安装精度，是CSNS的关键技术之一。本文介绍了中国散裂中子源漂移管的预准直方法，从最初的预研到正式安装，解决了一系列难题，包括漂移管的标定、安装和准直调整，形成一整套流水线式的预准直流程，最终漂移管预准直的精度优于物理设计指标，可为同类别的准直测量提供参考。

中国散裂中子源，漂移管，预准直，激光跟踪仪

中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source,CSNS)是我国“十一五”期间重点建设的大科学装置，已列入国家中长期科学和技术发展规划。经国务院批准，将建造一个质子束功率达100 kW、有效脉冲中子通量居世界前列的散裂中子源装置。装置建设的主要内容包括：一台H−直线加速器、一台快循环同步加速器、一个靶站和三台谱仪。直线加速器又包括：一台潘宁负氢离子源、一条低能传输线(Low Energy Beam Transport line, LEBT)、一台射频四极加速器(Radio Frequency Quadrupole, RFQ)、一条中能传输线(Medium Energy Beam Transport line, MEBT)和一台漂移管直线加速器(Drift Tube Linac, DTL)。DTL是CSNS直线加速器的组成部分，它将RFQ引出的负氢离子由3 MeV加速到80 MeV，再注入到快循环同步加速器中实现进一步加速[1−2]。它由4个独立的物理腔组成，每个物理腔包含了三节机械腔，每节机械腔内都有不同数量和种类的漂移管，12节机械腔共153个漂移管，见图1。由于空间和环境的限制，漂移管的安装准直无法在直线隧道内进行。经研究，决定将漂移管安装准直安排在2号测试厅的准直工作间内进行，每完成一个机械腔及其内漂移管的预安装准直，待真空检漏合格后便整体运到直线隧道进行机械腔之间的硬链接准直，通过调节支架将12个预准直好的机械腔调整到理论位置，从而大大节省时间[3]。因此，预准直的任务是将这153个漂移管分别安装准直到12个机械腔的理论位置，其质量的好坏将影响CSNS的调束和运行。

图1 DTL机械腔(a)和不同种类的漂移管(b)

1 漂移管预准直精度要求

漂移管预准直由两部分组成：漂移管和机械腔的标定、漂移管在机械腔中安装就位准直。预准直精度要求（即漂移管在机械腔内的就位精度）较高，三个方向均为0.05 mm，这对我们的工作提出了很大的挑战。为了确保漂移管的最终定位误差满足物理设计要求，我们仔细分析了预准直每一步骤的误差源，给定了合理的步骤限差[4]。

漂移管预准直所用激光跟踪仪为Faro的X系列，由于预准直要求的精度高，因此在预准直前，我们用Faro的Insight软件自带的仪器校检功能对跟踪仪进行检校，将得到的改正数输入到软件中，从而对各观测值（水平角、垂直角和斜距）进行改正，并用校准装置进行验证，以减弱系统误差的影响[5]，使其精度能够满足漂移管预准直的要求。经过校准，激光跟踪仪横向偏差Δ的测量精度0.013 mm（9 m测程内），高程偏差Δ的测量精度0.016 mm（2 m测程内），纵向偏差Δ的测量精度0.012 mm（21 m测程内）。

2 机械腔和漂移管的标定

预准直的第一步即是分别对机械腔和漂移管进行标定，标定目的是分别在机械腔和漂移管的中心轴线建立一个空间直角坐标系，得到机械腔上34个基准点（腔体28个基准点，低能端端面和高能端端面各6个基准点）和漂移管上4个基准点的坐标值，从而保证在安装、准直时能利用这些准直基准点把设备调到目标位置。

漂移管有9种规格，共153个，其铜管一侧为高能端，钢管一侧为低能端，其坐标系的建立过程如下：高能端内圆6个测量点的拟合圆的圆心与其在高能端外圆6个测量点拟合平面的投影点的连线为轴；轴与高能端内圆6个测量点拟合平面的的交点为原点(Origin)；平尺贴合垂直漂移管的小平面放置，测量4个点，利用这4个点在高能端内圆6个测量点拟合平面的投影点作拟合直线；高能端外圆6个测量点的拟合圆心与其在平尺测点拟合直线的投影点的连线为轴，三者共同组成右手坐标系，如图2(a)所示。

DTL机械腔筒为一圆柱筒，长3 m，两端分为高能端和低能端，其坐标系的建立过程如下：在腔筒高能端端面和低能端端面分别测量12个点，并分别拟合平面；在距离高能端端面100 mm位置处测量12个内圆点，将这12个点投影到高能端端面并拟合圆；在距离低能端端面100 mm位置处测量12个内圆点，将这12个点投影到低能端端面并拟合圆；腔筒上平面测量6个点，并拟合平面；以低能端内圆投影点的拟合圆圆心为原点，以低能端内圆投影点的拟合圆圆心与高能端内圆投影点的拟合圆圆心的连线为轴，以低能端内圆投影点的拟合圆圆心与其在腔筒上平面投影点的连线为轴，三者共同组成右手坐标系，如图2(b)所示。

图2 漂移管(a)和机械腔(b)的标定坐标系

表1 153个漂移管和12个机械腔的标定重复性

3 漂移管预安装准直

预安装准直需要将完成标定的漂移管安装准直到机械腔的理论位置。预安装准直前需根据每个漂移管的物理设计的进口坐标和出口坐标将漂移管坐标系转换到机械腔坐标系，得到漂移管在机械腔内的调整理论值。漂移管调整理论值和标定值之间的坐标转换公式为：

式中：¢、¢、¢表示漂移管标定坐标系的基准点经过旋转变换后的机械腔调整坐标系下基准点坐标；为比例因子；()、()、()分别为绕、、轴的旋转矩阵[7−8]，有：

(2)

(4)

在安装漂移管之前，首先用水准仪将机械腔的上平面调平，保证漂移管安装后保持铅锤状态。由于机械腔体较长，达到3 m，漂移管预准直所需的控制网点布设在了机械腔的两个端面，为了消除由于温度变化或不均产生的热胀冷缩对测量的影响，整个预准直工作都是在恒温工作间内进行，温度基本稳定在25ºC，这个温度也是将来加速器运行时隧道内的温度。

调整前将跟踪仪布置在机械腔高能端正前方（如图3(a)所示），测量机械腔高能端端面和低能端端面的12个基准点，通过Insight软件自带的Best-fit功能将这12个基准点的实测值与漂移管调整理论值拟合，拟合偏差需小于0.02 mm，将仪器坐标系转换到机械腔调整坐标系，使用Insight软件的Watch或者Watch Nearest Nominal Point功能，实时查看漂移管基准点实测值与漂移管调整理论值的偏差，然后通过漂移管端部的调整机构（如图3(b)所示）将漂移管调整到4个基准点的三个坐标值与理论值偏差小于0.03 mm限差范围内。

图3 漂移管预准直安装调整 (a)调整现场，(b) 调整机构，(c) 完成预准直的漂移管

漂移管的调整机构比较复杂，共有42个调节螺丝，每个螺丝都可以影响漂移管的姿态位置。此外，与常规的粒子加速器的磁铁等设备不同，漂移管上的4个基准点基本都在一个竖直平面上，而调整机构则位于漂移管的尾部，这种悬臂式结构给调整带来了很大的难度。经过前期的摸索，我们总结出了一整套快速调节方法，调整分为两步：第一步是粗调，利用上层的调节螺丝调整漂移管的整体姿态，使4个基准点的纵向坐标基本一致，三个坐标与理论值偏差0.2 mm；第二步是精调，利用下层螺丝控制漂移管的摆动、平移和升降，将4个基准点坐标逐渐调整到与理论值偏差小于0.03 mm。利用这种方法，将调节一个漂移管所需的时间由最初的4 h缩减到2 h，大大提高了效率。之后进行真空检漏，检漏合格后需重新复测漂移管的4个基准点，检漏过程无跑动，之后再进行下一个漂移管的安装调整，直至完成整个机械腔内漂移管的预准直，图3(c)为完成预准直的机械腔和漂移管。

在所有漂移管的就位完成后，需对机械腔和所有的漂移管做整体全面复测，根据复测结果判断预准直是否达到设计要求，统计了预准直完成后153个漂移管在机械腔内的就位误差，其中方向的预准直就位偏差为0.022 mm，方向的预准直就位偏差度为0.024 mm，方向的预准直就位偏差为0.032mm。可以看到，漂移管的预准直就位偏差（即实测值与理论值的偏差）在0.035 mm以内。

4 预准直误差分析

由于受仪器、制造加工条件或者人为因素的限制，使目标不能完全就位，与理论值相比有差别，这就是误差。误差分析是预准直设计中一个必不可少的环节，各种误差可能使我们的测量结果产生很大的偏差，超出理论要求的范围。如果误差处理不当，我们可能得不到想要的理想测量结果[3]。

(3)呼吸道护理:护理人员应密切关注患儿呼吸,因患儿气管细弱,在帮助患儿吸痰时,应使用直径较小,材质柔软的吸管,动作应放轻柔,不可过重,同时,应注意调整负压,保持用时在15s之内,以免损害粘膜,防止出现呼吸暂停的现象。

漂移管的预准直误差主要由三部分组成：漂移管的标定误差、漂移管在机械腔内的就位误差、安装时仪器坐标系转换到调整理论值坐标系的拟合误差。

漂移管的标定误差：方向坐标标定误差等于跟踪仪横向坐标差测量误差0.013 mm；方向坐标标定误差等于跟踪仪高程坐标差测量误差0.016mm；方向坐标标定误差等于跟踪仪纵向坐标差测量误差0.012 mm。

漂移管在机械腔内的就位误差：方向就位误差为0.022 mm；方向就位误差为0.024 mm；方向就位误差为0.032 mm。

安装调整时，通过测量机械腔高能端和低能端端面的12个基准点将仪器坐标系转换到调整理论值坐标系的拟合误差，0.015 mm。

漂移管预准直最终精度：e=(0.013mm2+ 0.022mm2+0.015mm2)1/2=0.03mm；e=(0.016mm2+ 0.024mm2+0.015mm2)1/2=0.033mm；e=(0.012mm2+ 0.032mm2+0.015mm2)1/2=0.037mm。

5 结语

中国散裂中子源DTL漂移管预准直的精度要求高，过程复杂精细，对准直测量工作提出了较高的要求。为了提高工作效率和避免出错，我们制定了一整套的预准直规范流程，经过前期的摸索和方法的改进，将完成整个机械腔和漂移管的预准直的时间由两个月缩减到了一个月，大大提高了效率，并提前顺利完成了所有机械腔和漂移管的预准直，预准直的误差满足物理设计的要求。2016年1月18日，DTL第一物理腔调束成功，充分证明了漂移管预准直是成功的。

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Pre-alignment of DTL for China Spallation Neutron Source

HE Zhenqiang1,2KE Zhiyong1,2DONG Lan1,2MA Na1,2MEN Lingling1,2LIANG Jing1,2LUO Tao1,2WANG Tong1,2ZHANG Xiaohui1,2

1(Insititute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China) 2(Dongguan Neutron Science Center, Dongguan 523803, China)

Background:The drift tube linac (DTL) is the main part of China Spallation Neutron Source (CSNS), which can provide 15-mA peak current beam with energy gain from 3 MeV to 80 MeV. And then the beam will be injected into the rapid cycling synchrotron (RCS) for further accelerating. Purpose: The manufacturing and fabrication of DTL cavity and drift tubes is very complicated, which requires high processing precision and installation accuracy. In this paper, the pre-alignment of DTL was introduced. Methods: We overcame a lot of difficulties in this process, including the fiducialization, installation and alignment.Bydistributing the error properly and following the regular pre-alignment process, this work was finally finished on time. Results: The pre-alignment accuracy was better than the requirement tolerance which is 0.05 mm in three directions.Conclusion: The results show that the pre-alignment is successful. This job can provide some experiences to other alignment measurement with the same process.

CSNS, Drift tube, Pre-alignment, Laser tracker

TL53

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.050201

何振强，男，1987年出生，2012年于北京化工大学获硕士学位，工程师，现主要从事粒子加速器准直测量方面的研究工作

2017-01-13，

2017-02-15

HE Zhenqiang, male, born in 1987, graduated from Beijing University of Chemical Technology with a master’s degree in 2012, engineering, focusing on the survey and alignment of particle accelerator

2017-01-13, accepted date: 2017-02-15