中國(guó)散裂中子源(CSNS)將提供能量為1.6GeV、功率為100kW 的短脈沖質(zhì)子束，以25Hz 的重復(fù)頻率撞擊固體金屬靶，產(chǎn)生散裂中子。散裂中子源是一個(gè)多學(xué)科平臺(tái)，可以進(jìn)行物理、化學(xué)、生物學(xué)和材料科學(xué)研究。本文描述了CSNS 真空系統(tǒng)各個(gè)部分的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、技術(shù)要求、設(shè)計(jì)方案和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)金屬化法和玻璃粘結(jié)法分別完成了四極陶瓷真空盒和二極陶瓷真空盒樣機(jī)的研制。經(jīng)過(guò)測(cè)試，陶瓷真空盒樣機(jī)的機(jī)械尺寸、抗拉強(qiáng)度和真空性能達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。另外，為了減小二次電子發(fā)射系數(shù)，在陶瓷真空盒內(nèi)表面用磁控濺射法鍍氮化鈦，通過(guò)小樣品測(cè)試了氮化鈦膜的厚度、成分、二次電子發(fā)射系數(shù)和附著強(qiáng)度。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為目前，CSNS 真空系統(tǒng)大部分設(shè)備和部件已投入批量生產(chǎn)，2014 年10 月中旬開(kāi)始安裝，2018 年CSNS 達(dá)到國(guó)家驗(yàn)收指標(biāo)。

1、引言

　　中國(guó)散裂中子源(CSNS) 將提供能量為1.6GeV、功率為100kW 的短脈沖質(zhì)子束，以25Hz的重復(fù)頻率撞擊固體金屬靶，產(chǎn)生散裂中子。散裂中子源是一個(gè)多學(xué)科平臺(tái)，可以進(jìn)行物理、化學(xué)、生物學(xué)和材料科學(xué)研究。CSNS 的建成，將成為發(fā)展中國(guó)家擁有的第一臺(tái)散裂中子源，并進(jìn)入世界四大散裂中子源行列。CSNS 由產(chǎn)生能量為80MeV 的負(fù)氫離子直線(xiàn)加速器、直線(xiàn)到環(huán)(LRBT)和環(huán)到靶(RTBT)的束流輸運(yùn)線(xiàn)、以及積累和加速質(zhì)子束到1.6GeV 的快循環(huán)同步環(huán)(RCS)組成。離子源(IS)產(chǎn)生的負(fù)氫離子(H-)束流，通過(guò)射頻四極加速器(RFQ)聚束和加速后，由漂移管直線(xiàn)加速器(DTL)把束流能量進(jìn)一步提高，負(fù)氫離子經(jīng)剝離注入到一臺(tái)快循環(huán)同步加速器(RCS)中，把質(zhì)子束流加速到最后能量1.6GeV。從環(huán)引出的功率為100kW 質(zhì)子束流經(jīng)過(guò)輸運(yùn)線(xiàn)打向鎢靶，在靶上產(chǎn)生的散裂中子經(jīng)慢化，再通過(guò)中子導(dǎo)管引向譜儀，供用戶(hù)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究。圖1 為CSNS 總體布局圖。

圖1 CSNS 總體布局圖

　　根據(jù)CSNS 物理需求，真空系統(tǒng)各區(qū)段工作壓強(qiáng)為：

2、H-離子直線(xiàn)加速器

　　H- 離子直線(xiàn)加速器由離子源(IS)、低能傳輸線(xiàn)(LEBT)、射頻四極加速器(RFQ)、中能傳輸線(xiàn)(MEBT)和漂移管直線(xiàn)加速器(DTL)組成。

　　2.1、離子源和低能傳輸線(xiàn)(IS & LEBT)

　　離子源是加速器粒子的產(chǎn)生裝置，CSNS 選用加銫的負(fù)氫表面源- 潘寧離子源。為了保證負(fù)氫離子(H-) 束流的穩(wěn)定產(chǎn)生，采用壓電閥以25Hz 的頻率向離子源腔內(nèi)注入10sccm (1.69×10^-2 Pa.m³/s)氫氣，在離子源電磁場(chǎng)作用下將產(chǎn)生20mA 的H- 離子流。負(fù)氫離子從小孔引出，為了減小H- 束流在真空中的剝離損失，動(dòng)態(tài)真空度需要在2×10^-3 Pa 左右。為了達(dá)到需要的真空度，離子源用二臺(tái)2000L/s 的分子泵抽氣，每臺(tái)分子泵配備一臺(tái)8L/s 的渦旋泵，動(dòng)態(tài)真空可達(dá)到2.5×10^-3 Pa，滿(mǎn)足工作要求。圖2 為離子源真空抽氣系統(tǒng)。

　　低能傳輸線(xiàn)將離子源引出的束流匹配到下游的RFQ 中，長(zhǎng)度只有1.68m。LEBT 真空管道的材料為304 不銹鋼，經(jīng)過(guò)真空預(yù)處理后其表面放氣量很小，因此它的氣源主要來(lái)自離子源中的氫氣。LEBT 束流管道孔徑較小，配備一臺(tái)800L/s 的分子泵機(jī)組，可以通過(guò)差分方法來(lái)減小離子源氫氣對(duì)RFQ 真空系統(tǒng)的影響。

圖2 離子源真空抽氣系統(tǒng)

　　2.2、射頻四極加速器(RFQ)和中能束流傳輸線(xiàn)(MEBT)

　　射頻四極加速器用來(lái)對(duì)束流進(jìn)行聚焦、聚束和加速，有效控制束流發(fā)射度增長(zhǎng)和提高束流能量。它的加工精度要求高，焊縫多，調(diào)場(chǎng)復(fù)雜。RFQ 腔體的材料為無(wú)氧銅，平均直徑約350mm，由于腔體內(nèi)特殊的四翼電極結(jié)構(gòu)，流導(dǎo)非常受限，圖3 表明RFQ 腔體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。為了獲得有效抽速，在RFQ 的每個(gè)面上都有CF150 法蘭抽氣孔，四個(gè)抽氣孔并聯(lián)在一起，用離子泵和分子泵同時(shí)抽氣。RFQ 腔總長(zhǎng)3.62m， 采用3 臺(tái)1000L/s 的離子泵和2 臺(tái)500L/s 的分子泵機(jī)組同時(shí)抽氣，分子泵與RFQ 腔體通過(guò)氣動(dòng)插板閥隔開(kāi)，以便于聯(lián)鎖保護(hù)。通過(guò)上述抽氣結(jié)構(gòu)，工作壓強(qiáng)可小于1×10^-5 Pa。圖4 為RFQ 抽氣系統(tǒng)。

圖3 RFQ 腔體內(nèi)部結(jié)構(gòu)　　圖4 RFQ 抽氣系統(tǒng)

　　中能束流傳輸線(xiàn)(MEBT)的功能是匹配束流到下一段加速器中，以減少束流損失。它由聚束腔、束流測(cè)量元件和真空部件等組成。MEBT 真空管用不銹鋼加工而成，全長(zhǎng)3.03m，真空室內(nèi)徑基本為50mm，在特殊部位可根據(jù)束流的包絡(luò)和磁鐵的內(nèi)徑，采用變口徑的真空盒。該段上的兩個(gè)聚束腔由二臺(tái)200L/s 的離子排氣，在束流測(cè)量設(shè)備上加裝了二臺(tái)100L/s 的離子泵。

　　2.3、漂移管直線(xiàn)加速器(DTL)

　　漂移管直線(xiàn)加速器加速效率高，漂移管中的四極透鏡可為束流提供很好的聚焦，有效控制束流發(fā)射度增長(zhǎng)。DTL 由四個(gè)獨(dú)立的物理腔組成，每個(gè)物理腔包含3 個(gè)工藝腔，全長(zhǎng)約為34m，腔直徑為φ490mm。DTL 腔使用的基材為20# 鋼，為了有一個(gè)高的電導(dǎo)率，腔的內(nèi)表面電鑄銅，并進(jìn)行機(jī)械拋光。DTL 腔軸上懸掛著162 個(gè)外徑為φ140mm，束流孔內(nèi)徑為φ13mm 的漂移管，圖5為DTL 內(nèi)部結(jié)構(gòu)。為了達(dá)到動(dòng)態(tài)真空度小于1×10^-5 Pa的要求，每個(gè)工藝腔安裝二臺(tái)1000L/s 的離子泵，每套物理腔配置二套500L/s 的分子泵機(jī)組。

圖5 DTL 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3、結(jié)論

　　在CSNS 真空系統(tǒng)的研制中采用對(duì)氫氣抽速大的渦輪分子泵排除負(fù)氫離子源的高負(fù)載氫氣;由于RFQ 腔體流導(dǎo)非常受限，在RFQ 的每個(gè)面上都開(kāi)抽氣孔，四個(gè)抽氣孔并聯(lián)在一起，用離子泵和分子泵同時(shí)抽氣。DTL 腔內(nèi)表面積大，放氣率高，通過(guò)機(jī)械拋光、表面清洗和烘烤等方式降低放氣率。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為RCS 陶瓷真空盒所使用的氧化鋁材料純度高，陶瓷管尺寸大，精度高，機(jī)械強(qiáng)度要求高，陶瓷管之間以及陶瓷管和金屬法蘭之間焊接工藝復(fù)雜。經(jīng)過(guò)不斷摸索，改進(jìn)工藝，用金屬化法和玻璃粘結(jié)法分別完成了四極陶瓷真空盒和二極陶瓷真空盒樣機(jī)的研制。經(jīng)過(guò)測(cè)試，陶瓷真空盒樣機(jī)的機(jī)械尺寸、抗拉強(qiáng)度和真空性能達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。陶瓷真空盒樣機(jī)鍍膜采用了管道外壁構(gòu)建屏蔽筒的辦法形成均勻電場(chǎng)，內(nèi)部根據(jù)陶瓷盒的形狀安裝直管或彎管磁控濺射鈦陰極，解決了陶瓷盒內(nèi)表面鍍膜的難題。經(jīng)過(guò)對(duì)陶瓷真空盒鍍膜樣品測(cè)試，氮化鈦膜的厚度、成分和附著力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。