西安200 MeV质子应用装置分布式真空系统设计与建设

闫逸花,张化一,王茂成,吕 伟,王忠明,赵 晨,姚红娟,王百川,刘卧龙,王敏文,王 迪,赵铭彤,杨 业,魏崇阳,陈 伟 ,邱孟通,杜畅通,张京京,杨伟顺

(1. 西北核技术研究所， 西安 710024； 2. 清华大学 工程物理系， 北京 100084； 3. 中国科学院 近代物理研究所， 兰州 730000)

真空环境是加速器粒子重要的基础工作环境，高真空一方面可有效降低束流损失，另一方面可为高频高压电场提供绝缘环境[1-4]。加速器装置中真空管道细长，总长可达数十米至百米。质子同步加速器中的束流将在主加速器中循环上百万圈，为有效降低束流损失，真空度通常控制在10-5～10-6Pa。西安200 MeV质子应用装置(Xi’an 200 MeV Proton Accelerator Facility，XiPAF)主体为1台周长30.9 m的同步加速器，本文总结了XiPAF同步环及输运线的分布式真空系统设计、理论模拟结果，安装调试经验及运行状况，可为后续同类装置设计和建设提供参考。

1 XiPAF真空系统布局

XiPAF真空系统布局如图1所示。整体上分为直线注入段、中能传输段(MEBT)、同步环段(RING)及高能传输段(HEBT)4个区段，每个区段之间采用超高真空插板阀进行隔离，便于分段组装调试及安全联锁。同步环、MEBT及HEBT 3个区段的基础参数统计列于表1。其中，主管道管径根据束斑截面尺寸、磁铁好场区范围、安装间隙及磁铁孔径等参数综合确定；MEBT主管道为内径72 mm的圆形管道；RING主管道为内径102 mm的圆形管道；HEBT主要由内径为94 mm和102 mm的2种管道组成。XiPAF真空管道并未进行释气率测试，参考：1)PIMMS-II p74中，材料释气率为5×10-12Torr·L·s-1·cm-2，1 Torr=133.32 Pa；2)《真空设计手册》表14-10中“经超声波清洗但未经烘烤处理的不锈钢在经过10 h后释气率为5.5×10-10Torr·L·s-1·cm-2”；3)《真空设计手册》表14-11中“经超声波清洗并经烘烤处理的不锈钢在10 h后释气率为8.6×10-12Torr·L·s-1·cm-2”，考虑到部分管道未经烘烤，此处释气率取保守值，按照经超声波处理但未烘烤管道100 h后的释气率来估算，取为5.5×10-11Torr·L·s-1·cm-2。

图1 XiPAF真空布局Fig.1 Layout of XiPAF vacuum system

表1 XiPAF同步环，MEBT，HEBT真空系统基础参数Tab.1 Basic parameters of XiPAF synchronous ring, MEBT, HEBT vacuum system

2 真空中残余气体对束流的影响分析

2.1 残余气体对束流寿命及传输效率的影响

XiPAF采用7 MeV负氢离子注入，在MEBT段主要需考虑电子丢失带来的束流损失，而在同步环及HEBT段则主要考虑电子俘获带来的束流损失。在真空度低于10-5Pa时，可近似等效为粒子在N2中输运，随真空度提高，H2所占比例提高而高分子量气体所占比例降低，可近似认为粒子在H2中输运[5]。

电子俘获通常只在入射离子电荷态高于平衡电荷态时才有较大的截面，由于质子已达到平衡电荷态且能量较高，所以电子俘获截面较小。根据Tawara等关于能量小于10 MeV质子在气体中电荷交换过程的研究[6]，质子在气体中的电子俘获截面随质子能量增大而迅速减小，且双电子俘获截面远低于单电子俘获截面。以10 MeV质子为例，在H2与N2中，单电子俘获截面约为10-25cm2和10-23cm2，而双电子俘获截面则小于10-30cm2和10-27cm2，所以单电子俘获是导致束流损失的主要原因。对于高能质子，由于目前尚无可参考的截面实验数据，可利用唐靖宇等关于低能粒子在H2及N2中的电子俘获截面半经验公式进行外推并进一步估算粒子寿命τ及传输效率η[5]。

XiPAF中，粒子经同步环引出后一次性通过HEBT，总路径仅约为11 m，从7 MeV加速至60 MeV或230 MeV过程中，绕同步环运行数十万圈；而在慢引出过程中，粒子需绕同步环运行数百万圈，远大于其它过程路径，因此主要考虑慢引出过程中电子俘获带来的束流损失。表2列出了XiPAF中质子在10 s慢引出过程中所经过的路径及在N2与H2中的电荷俘获截面。在10-2～10-5Pa真空区间，残余气体按100% N2进行等效处理；在10-6～10-7Pa真空区间，残余气体按100% H2等效处理。图2为不同真空条件下， 60，230 MeV 质子在10 s慢引出条件下的寿命及传输效率。由图2可见，为达到接近100%的传输效率，XiPAF同步环真空度应不低于10-5Pa，参考国内外其他装置真空设计指标，XiPAF同步环目标真空设计为10-6Pa，以达到更高的传输效率。

表2 60 ，230 MeV 质子在10 s慢引出过程中的总路径及截面Tab.2 Total path length and cross section of 60 MeV and 230 MeV proton during 10 s slow-extraction period

(a) Lifetime

对于MEBT束线负氢离子传输段，参考Symthe等关于低能负氢离子在N2中的电子丢失截面[7]，利用电子丢失总截面正比于1/β2(β为质子相对论速度)的规律进行外推，得到7 MeV负氢离子在H2中的电子丢失总截面约为3.6×10-18cm2，在N2中的电子丢失总截面约为1.9×10-17cm2，估算可得负氢离子穿过7 m长的MEBT真空管道后的传输效率随真空度的变化关系，如图3所示。由图3可见，MEBT的真空度应不低于10-3Pa，为达到100%的传输效率，XiPAF输运线目标真空设计值为10-5Pa。

图3 7 MeV 负氢离子穿过7 m长MEBT管道后的传输效率随真空度的变化关系Fig.3 Transmission efficiency of H- through a 7 m long vacuum tube of MEBT vs. pv

2.2 残余气体对束流能量的影响

质子束流会与真空中的残余气体发生碰撞，主要有电离和库仑散射2种作用方式[5]，质子在气体中的电离截面比库仑散射截面高约3个量级，因此质子的能量损失的主要是电离能量损失。利用NIST[8]计算得到质子在H2和N2中的阻止本领随质子能量的变化关系，如图4所示。

图4 质子在H2和N2中的阻止本领随质子能量的变化关系Fig.4 Total stopping power of protons in H2 and N2 vs. Ek

输运线上粒子的能量损失为

(1)

其中，pl=10-5Pa；p0=1 atm；ρN2为1个标准大气压下N2的密度；Ll为中、高能输运线长度。

同步环引出粒子的能量损失为

(2)

其中，ps=10-6Pa；ρH2为1个标准大气压下H2的密度；Ls为同步环周长；N为引出粒子循环圈数。由表3可见，在MEBT和HEBT段，粒子的能量损失可忽略不计，同步环10 s慢引出过程中60 MeV质子的能量损失为0.03%，200 MeV质子的能量损失为0.006%。

3 XiPAF真空分布计算分析

由于XiPAF真空管道较长，仅采用内表面总和来计算所需配置的泵体参数并不准确，需要采用分布式真空系统的计算方法来评价。VAKTRAK是一种利用传输矩阵来计算细长管道纵向压强分布的算法，适用于具有抽气泵、出气因素和有限流导的多连通真空系统[9-10]。

XiPAF同步环及输运线束线主管道均为特定内径的圆管道，根据平均管道内径和极限真空度要求，可利用VAKTRAK传输方程对布泵距离进行粗略计算，从而评价当前布泵距离是否合适。假设抽速为S的泵体位于一段长为2L、内径为d的圆形管道中间，根据VAKTRAK传输矩阵求解该结构的传输方程

(3)

表3 粒子在MEBT、同步环及HEBT中的能量损失Tab.3 Energy loss of particles in MEBT，synchrotron ring and HEBT

取边界条件Q(0)=0，可得中心点最小压强为

(4)

其中，q为单位长度管道释气率，Torr·L·s-1·m；p为压强，Torr；z为纵向距离，m；Q为流量，Torr·L·s-1；c为特定分子流流导m·L·s-1；S为特定抽速，L·s-1·m。此处c与S均采用VAKTRAK程序为便于计算所设置的默认量纲。计算可得理论布泵间距为

(5)

仅考虑束流主管道时，XiPAF各段平均布泵距离估算值列于表4。XiPAF实际布泵距离均小于理论值，留有充足的余量。

表4 同步环，MEBT，HEBT理论布泵距离估算值Tab.4 Theoretical distance of SIP in synchrotron, MEBT and HEBT

对真空系统进行分段，得到各元件的VAKTRAK传输矩阵，进一步可得多段串联管道的累积传输矩阵，设定边界条件后，即可求得全段真空分布。MEBT与同步环连接处注入切割铁真空盒及配套管道总流导仅有9.5 L·s-1，HEBT与同步环连接处引出切割铁MS1与MS2管道串联后总流导仅有5 L·s-1，这2段管道的流导远小于环及输运线上离子泵的平均抽速，所以环侧离子泵对输运线侧的作用可忽略不计，而输运线侧离子泵对环的作用也可忽略不计。小流导管道会导致VAKTRAK方程无解，故将同步环、MEBT、HEBT分开计算。同步环取边界条件pL=pR，pL为束线左端口压强，pR为束线右端口压强；MEBT、HEBT边界设为QL=QR=0，QL为束线左端口气体流量，QR代表束线右端口气体流量，即按照各段独立抽真空的状态进行计算，计算结果如图5-图7所示。

(a) The pressure distribution

(a) The pressure distribution

(a) The pressure distribution

由图5-图7可见，同步环上真空分布较均匀，且低于10-6Pa；MEBT与HEBT起始段稍差，但均满足不低于10-5Pa的使用要求，整体真空设计满足指标要求。

4 真空管道、特殊腔体处理及连接

XiPAF装置上除凸轨磁铁采用内壁镀TiN膜层的陶瓷真空管外，其余管道均采用释气率较低的316L不锈钢加工而成，其它大部分管道为壁厚2 mm的普通圆形管道，其中，同步环管道出厂前均进行了高温除气及退磁导率处理。环二极铁真空盒为降低涡流效应的影响，采用了1 mm薄壁外设加强筋的真空管，设计时对管道进行了详细的应力及变形分析，并对加工完成的6套真空盒进行了详细的3D尺寸检测，如图8所示。上线安装时发现外侧加强筋存在尺寸超差的情况，在检测筋处相对磁导率不超过1.05的前提下，对部分加强筋进行了二次切削，保证了安装间隙。输运线的二极铁扁平真空盒在第一次设计时采用了内加强筋结构，但加工时遇到了焊接困难的问题，最终取消了加强筋，将壁厚增加至5 mm，损失部分管道内空间达到了使用要求。

(a) Deformation

引出薄切割磁铁及引出厚切割磁铁均采用截面较小的矩形管道，定位精度要求高，因此对装配好的2段管道法兰及管壁位置进行了详细的3D检测，图9为引出薄切割铁真空盒与引出厚切割铁真空盒的3D检测结果。由于早期工程经验不足，且引出段空间布局紧凑，未能在管道匹配端设置波纹管并预留准直靶标，为上线安装和定位带来了一定的困难，在引出切割铁处束流损失也偏大，未来装置升级时，需考虑优化该处的设计。

(a) The inlet and outlet flange position

管道间连接采用标准CF法兰与刀口密封型KF法兰2种方式，高频腔两侧为平槽配合型快卸法兰，采用菱形铝制密封圈密封，12个束流位置探测器BPM两端均为刀口型KF法兰，采用铜圈密封，以克服安装空间狭小的实际困难，环上共有刀口型KF100法兰连接点20个，刀口型KF150法兰连接点4个，经过摸索试验，定制了一批特定厚度并经退火处理的铜圈，最终所有刀口型快卸法兰连接点均达到了加速器真空密封要求，真空漏率均小于1×10-12Pa ·m3·s-1。图10为刀口型KF法兰及安装完后的现场图。

需要说明的是，建设时受工程进度影响，XiPAF真空管道并未提前进行分段预组装和调试，在现场进行二次检漏后直接上线安装。但考虑到静电偏转板设备的高工作电场要求和内部的多丝结构，在上线安装前做了分系统预组装和调试，并保持真空封存状态。最终上线及长期运行中真空系统保持了非常稳定的工作状态，所以特殊设备还应进行提前处理，对于装置的运行稳定性将会有较大的帮助。

5 真空调试及实现情况

XiPAF真空系统安装累计历时约2月，首先，完成了同步环段的安装与密封；然后，完成了MEBT与HEBT的真空安装及密封，无在线烘烤设备。如4节所述，由于MEBT与同步环连接段间注入切割铁MS的管道流导较小，同步环引出切割铁MS1、MS2的管道流导也较小，起到了真空差分的作用，待同步环真空度达到10-6Pa，MEBT及HEBT真空度达到10-5Pa后，开启段间闸板阀，同步环与输运线真空度均无变化，这一特点为真空系统的维护也提供了非常大的便利。在停机状态时关闭段间闸板阀进行分段真空保护，开机时重新打开段间闸板阀，对已经形成的稳态真空带来的影响很小。图11为在2021年1月XiPAF压强分布。

图11 2021年1月XiPAF压强分布Fig.11 The actual vacuum status of XiPAF at Jan 2021

由于MEBT输运线管道孔径相对较小，在出厂前及安装后均未做真空除气处理，且为配合调节支架，泵口管道均偏长，有效抽速牺牲较多，所以XiPAF运行初期，MEBT段始终不够理想，必须持续开启分子泵以维持真空状态。经长达半年的持续工作后，MEBT段的真空才达到了可以关闭分子泵，仅靠离子泵维持真空的状态。同步环及HEBT段真空达到了较好的状态，静态真空度最佳值均好于10-6Pa。同步环中RG02，RG04，RG05处真空规直连束线管道，真空度均好于10-6Pa，比较能反映同步环内的真实真空情况。RG01，RG03为通过角阀转接增加的真空规。以RG03为例，该规位于静电偏转板处，偏转板腔体上有个直连进口规，当腔内真空好于其测量极限10-6Pa后，该规不再提供有效结果，所以在腔体上通过角阀转接又添加了一个国产规，当2个规都有示数时，发现转接规测量值比直连规小1个数量级，所以腔内实际真空度是好于测量值的，可按照相差1个数量级来估算。根据直连进口规工作状态来看，实际真空度已经超过它的量程10-6Pa，只是它不再显示示数，所以只记录了转接规的数值。

2020年对真空系统进行为期一年的监测，包含实验室停电和束流持续加载等多方面因素影响，经历过多次真空恢复，但整体上MEBT段真空仍在逐步改善，同步环及HEBT已经达到接近平衡态，目前各段真空均维持在较佳水平。图12为2020年XiPAF真空监测情况。由图12可见，趋于稳态的MEBT、HEBT沿管道的真空分布特征与VAKTRAK模拟结果基本相符，均呈入口真空相对较高、出口真空相对较低的趋势。同步环沿管道分布考虑RG01与RG03 较实际值偏高的情况，实际真空分布也比较平衡。图13为不同日期MEBT、HEBT和同步环管道真空状态。

由于XiPAF束流传输效率与磁铁和射频相位等多种因素有关，装置运行时各段束流传输效率与物理设计基本相符，达到了使用要求，但尚未对不同真空条件下的质子束流寿命测试开展针对性实验。XiPAF仍在进一步调试中，下一步我们将继续深入研究真空条件对质子束流寿命的影响。

图12 2020年XiPAF真空监测情况Fig.12 Vacuum status of XiPAF in 2020

(a) Pressure of MEBT

6 小结

XiPAF分布式真空系统上线运行近两年的实践证明，系统总体布局设计合理，真空管道的设计、选材、加工及处理措施完善，上线安装调试过程顺利，真空状态满足束流运行要求，试运行中未发生大的故障。环二极铁薄壁真空管道、输运线二极铁扁平矩形真空管道、凸轨磁铁陶瓷真空管及大口径KF法兰密封等重点部位也没有新增漏点产生，为XiPAF的长期稳定运行提供了重要的基础保障。

致谢

感谢中国科学院高能物理研究所王鹏程老师在真空部件出厂检测方面给予的指导与无私帮助，感谢上海三井光中真空设备股份有限公司在KF法兰密封实验方面给予的协助，感谢中国科学院近代物理研究所高彦民老师在真空密封方面给予的指导，感谢西北核技术研究所李锐副研究员在真空清洗方面给予的帮助。