CSNS漂移管泄漏检测

刘顺明 ，王鹏程 *，宋 洪 ，刘佳明 ，关玉慧 ，谭 彪 ，孙晓阳 ，李 波 ，吴小磊

（1.散裂中子源科学中心，广东 东莞 523808；2.中国科学院高能物理研究所，北京 100049）

0 引言

CSNS是我国“十一五”期间重点建设的大科学装置，质子束功率达100 kW、有效脉冲中子通量居世界前列，与英国散裂中子源ISIS、美国散裂中子源SNS和日本散裂中子源J-PARC一起被列入世界四大散裂中子源。CSNS建设的主要内容包括：1台80 MeV负氢离子直线加速器、1台1.6 GeV快循环质子同步加速器、2条束流输运线、1个靶站、3台谱仪（通用粉末衍射仪、小角散射仪和多功能反射仪）及相应的配套设施。负氢离子直线加速器包括：1台50 keV潘宁负氢离子源（IS）、1条低能传输线（LEBT）、1台3.0 MeV射频四极加速器（RFQ）、1条中能传输线（MEBT）和1台80 MeV漂移管直线加速器（DTL）[1-3]。

DTL由4节长度约9m的RF腔体组成，每节RF腔体又分为3段长约3m的机械腔体，以便于加工和安装。漂移管是DTL的核心部件，其加工精度要求高，难度大。为了克服RF电场径向散焦力，同时克服粒子的空间电荷效应，每个漂移管内部均安装磁铁对被加速粒子进行聚焦[4]。考虑到整个装置的灵活可调性，CSNS DTL选择了电四极磁铁。电四极磁铁的最高工作电流达580 A，产生较大的欧姆热[5]，因此，线圈需要通水冷却。2017年，12#漂移管线圈出现漏水，DTL1#腔压力由7.2×10-6Pa升至2.4×10-5Pa，并且伴随腔体打火，影响加速器的正常运行。为了降低DTL1#腔的压力，采取了以下措施[6]：（1）排空12#漂移管线圈冷却水；（2）多次氮气吹扫12#漂移管线圈，去除残余水分；（3）通电烘烤12#漂移管线圈，并对线圈长时间抽真空。经过处理后，DTL1#腔逐步恢复了超高真空，满足CSNS直线加速器的真空需求。

CSNS II束流功率将升级至500 kW，需要12#漂移管正常工作，因此，2021年完成了12#漂移管的替换。确认12#旧漂移管的具体泄漏原因以及泄漏位置，对后续漂移管备件的加工至关重要，因此，需要对12#旧漂移管的泄漏作进一步的剖析。

1 漂移管外壳泄漏位置确认

由于12#旧漂移管出现了漏水，漂移管外壳某处肯定存在漏点，图1标示出了漂移管外壳存在的5处电子束焊焊缝，为了判断漏点位置，需要对每条焊缝逐一排查。真空检漏示意图如图2所示。

图1 漂移管外壳焊缝位置及环氧树脂状况Fig.1 The position of the welding seam of the drift tube and the epoxy condition

图2 漂移管检漏示意图Fig.2 Schematic diagram of drift tube leak detection

从漂移管杆抽气，可以检到每条焊缝。为了起到绝缘固定作用，漂移管壳内（图1右上角）及漂移管杆跑道管内（图1右下角）都浇筑有环氧树脂。漂移管外壳剖开后如图1右上角所示，由于是抽气后再浇注环氧树脂，所以线圈与电四极磁铁之间已完全被环氧树脂包裹，即使某处存在泄漏，也需要经过一段时间才能被检测到（示漏气体沿焊缝泄漏至漂移管内部，沿图中蓝色箭头扩散，最终在真空负压作用下进入跑道管，被检漏仪检测到）。跑道管内的环氧树脂为重力自然浇灌，环氧树脂与跑道管之间存在夹缝，可以通过漂移管杆进行抽气检漏。

如图2所示，检漏时，启动涡旋干泵1，打开电磁阀2，对漂移管跑道管抽气，由于漂移管杆内部有环氧树脂且气路比较狭窄，需涡旋干泵长时间抽气（约67 h），才能获得比较稳定的检漏本底（1.8×10-11Pa·m3/s）。打开手动角阀3，关电磁阀2，开始检漏。由于怀疑漂移管束流中心孔两侧的电子束焊焊缝4、5（如图1）存在泄漏，重点喷检这两处焊缝。多次喷检都没有检到明显的泄漏，原因可能是漏孔通道狭窄、路径复杂，因此决定对漂移管焊缝进行罩检。由于12#旧漂移管低能端打火比较严重，表面已经黑化，如图3，怀疑电子束焊焊缝4存在泄漏。因此，首先用真空泥封堵电子束焊焊缝5，罩检电子束焊焊缝4。20 min罩检漏率为9.5×10-11Pa·m3/s，漏率较小，不足以引起DTL1#腔压力的较大变化[7]（DTL1#腔真空泵有效抽速约为3.0 m3/s），进而怀疑电子束焊焊缝5泄漏。封堵电子束焊焊缝4，罩检电子束焊焊缝5，15 min罩检漏率为1.8×10-8Pa·m3/s，因此判断电子束焊焊缝5为主要漏点。另外，低能端芯管圆弧处有一圈比较明显的凸起，可能是造成低能端打火的主要原因[8]。

图3 漂移管电子束焊焊缝Fig.3 Electron beam welding seam of the drift tube

用真空密封胶封堵电子束焊焊缝5，罩检其余4条电子束焊焊缝，罩检20 min漏率为1.0×10-10Pa·m3/s，漏率较小，确认电子束焊焊缝5为唯一漏点。

2 漂移管线圈泄漏位置确认

2017年12#漂移管线圈出现漏水后，为了减小线圈泄漏对DTL1#腔真空度的影响，一直用机械泵对12#旧漂移管线圈抽真空，至今已经过去4年多，泄漏状态存在发生变化的可能。因此，确认线圈具体泄漏位置前，需要对目前的线圈泄漏状态进行确认。漂移管真空检漏示意图如图4所示。将漂移管置于真空室内，安装四极质谱计，分析真空室内残余气体成分，同时连接氦质谱检漏仪检漏。本底压力4.8×10-3Pa，检漏仪本底4.0×10-10Pa·m3/s，清零后小于4.2×10-12Pa·m3/s。漂移管线圈一端连接手动角阀10，另一端通过手动角阀11连接氦气瓶。试验时先打开手动角阀10，通过手动角阀11进氦气约10 s，将线圈内的空气排空，然后关闭手动角阀10，再进气约1 min，确保线圈内充满氦气，并且有一定的正压。约20 min后，氦质谱检漏仪显示漏率1.8×10-7Pa·m3/s。同时，RGA（残余气体分析仪）检测到明显的He峰，确认线圈泄漏。

图4 漂移管真空检漏示意图Fig.4 Schematic diagram of vacuum leak detection of drift tube

为了试验的严谨性，需要对线圈再次通水，确认是否漏水。线圈通水并保持0.8 MPa水压近16 d，真空室压力缓慢下降（由4.8×10-3Pa下降到4.1×10-4Pa），RGA也没有检测到H2O峰。原因可能是在线圈不通电的情况下，H2O分子很难通过环氧树脂渗透到真空室内。因此，加水压检漏时需对线圈通电。连接电源后真空室重新抽气，加电前真空室的本底压力为1.2×10-3Pa。RGA本底如图5所示：本底压力较高，18 amu∶28 amu≈1∶1，说明残余水气较多；28 amu∶32 amu≈4∶1，14 amu也比较明显，说明系统漏气[9]，这可能与漂移管外壳电子束焊焊缝5泄漏有关。

图5 线圈加电前真空室RGA本底Fig.5 The RGA background of the vacuum chamber before the coil is energized

线圈保持0.8 MPa的水压，线圈电流从10 A逐渐增大到100 A，真空室压力和RGA本底基本不变。当线圈电流增大到150 A时，线圈水温在30～40℃之间，因此，气体脱附对本底真空度影响不大。线圈保持电流150 A加热10 min后，真空室压力迅速变大，最大为1.7×10-2Pa，RGA变化曲线如图6所示。

图6 线圈通电后真空室RGA变化曲线Fig.6 The RGA curve during coil energized

从图6可以看出，真空室压力升高期间，18 amu为H2O的分子离子峰，17 amu是H2O的碎片峰，都出现明显的上升，说明H2O分子已经进入真空室，由此可确定12#旧漂移管线圈漏水。28 amu（N2分子离子峰）、14 amu（N2碎片峰）、32 amu（O2分子离子峰）都出现下降，可能是H2O分子暂时起到密封作用，隔绝了空气；12 amu（C+）、44 amu（CO2）明显上升，32 amu（O2）明显下降，可能是漂移管外壳打火导致表面碳化，残留的C与O2发生反应，生成CO2的缘故；16 amu、15 amu可能是C与H2反应生成CH4的缘故[10]。

为了进一步确认线圈的具体泄漏位置，去掉12#旧漂移管外壳，同时去掉线圈外表面的环氧树脂，并酒精擦拭、氮气吹扫外表面，结果如图7所示。但是在拆除漂移管外壳及环氧树脂的过程中，线圈短管焊接处焊缝破裂，同时发现有比较明显的焊接缺陷，怀疑去除环氧树脂的过程中焊缝缺陷恶化，进而破裂，这可能是泄漏的主要原因。此外，去除环氧树脂的过程中，线圈末端出现损伤，伤痕较新，是外力所致，不是泄漏的原因，重新火焰焊后，经检漏没有发现泄漏。

图7 12#漂移管线圈现状Fig.7 Current status of the 12#drifts tube coil

由于线圈表面已经完全去除环氧，检漏响应时间较快，因此将漂移管置于真空室内检漏。本底压力1.34×10-4Pa，检漏仪本底5.0×10-13Pa·m3/s。线圈通氦气罩检，RGA和氦质谱检漏仪都没有检测到氦气成分增加。对线圈进行加电试验，线圈加电50 A，15 min内检漏仪漏率一直维持不变，真空室压力缓慢增大到1.93×10-4Pa，RGA没有发现He峰增加。电流加大到70 A，检漏仪漏率缓慢增大，30 min后漏率达到 3.1×10-11Pa·m3/s，真空室压力达到 6.35×10-4Pa，但RGA仍然未发现He峰增加。由此判断漏水是线圈短管焊接处焊缝缺陷导致（位置如图7箭头所示）。

线圈加电期间，腔体内RGA变化如图8所示。从图8可以看出，18 amu、17 amu最高，18 amu∶28 amu≈40，原因可能是线圈表面有残留水分（外壳剖开后，有明显的水渍残留，虽然经过氮气吹扫，但是缝隙中可能还有部分残留），温度升高导致材料表面的水气脱附也是可能的原因之一；16 amu（CH4）高于28 amu（主要为CO），主要是漂移管线圈末端火焰焊接过程中产生了大量的C，C与H2在高温作用下反应生成CH4的缘故。线圈加电期间，所有质谱峰都随着真空室压力增大而急剧升高，其中44 amu变化最明显，升高近13倍，可能是线圈表面残留的碳氢化合物在高温作用下释放出来的缘故，同时，残留的C会与O2反应生成的CO2，也可能是导致44 amu升高的原因。

图8 12#漂移管线圈加电期间RGA变化Fig.8 The RGA curve during coil energized

3 后续漂移管备件检漏方案建议

为确保后续漂移管备件线圈不再出现漏水、漏气现象，需要对漂移管加工以及焊接过程中线圈、外壳的检漏重要节点严格把关（图9所示）。同时检漏方法也需要升级，传统的喷检、罩检已经不能满足需求，需要对线圈通高压氦气，采用真空压力法检漏，同时配合RGA分析。

漂移管加工过程中，需要保证3点：

（1）线圈焊上水管后（图9（a）），通高压氦气检漏，确保线圈浇注环氧树脂之前不发生泄漏；

（2）尽量采用整根水管，减少非必要的焊接；

（3）漂移管外壳焊接完毕2次浇注环氧树脂之前（图9（b）），对外壳通高压氦气检漏，确保外壳在浇筑环氧树脂之前不发生泄漏。

图9 漂移管检漏重要节点Fig.9 Important nodes for drift tube leak detection

通过以上步骤，可以确保漂移管线圈、外壳浇注环氧树脂前不发生泄漏，避免浇筑环氧树脂后漂移管检漏难的问题，同时也可以减少运行期间漂移管出现漏水、漏气的现象，保证加速器的正常运行。

4 总结

利用氦质谱检漏仪和四极质谱计对12#旧漂移管进行检漏和质谱分析，首先确定了漂移管外壳的漏点位置；通过线圈加电同时打水压的方法确认线圈漏水；剖开漂移管外壳后检漏，确定了线圈的漏点位置为水管火焰焊接处；最后，根据漂移管的检漏结果，对后续漂移管备件的加工、焊接和检漏提出了建议，以避免再次出现漂移管泄漏问题。