CSNS直線(xiàn)加速器真空系統(tǒng)及四極質(zhì)譜檢漏

劉順明，關(guān)玉慧，黃 濤 ，王鵬程，劉佳明 ，譚 彪，歐陽(yáng)華甫

（1.中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所，北京 100049；2.散裂中子源科學(xué)中心，廣東 東莞 523803）

0 引言

氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)起源于20世紀(jì)40年代，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)得到不斷的發(fā)展與完善，已經(jīng)成為一種成熟的檢漏方法，被廣泛應(yīng)用在航空航天、加速器、制冷、冶金、壓力容器等多個(gè)行業(yè)[1]。真空檢漏是獲得高真空的重要技術(shù)，氦質(zhì)譜檢漏儀作為專(zhuān)業(yè)的檢漏儀器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、使用方便、靈敏度高等一系列的優(yōu)點(diǎn)。四極質(zhì)譜計(jì)是不用磁場(chǎng)的氣體分析器中性能最佳的一種[2]，具有良好的殘余氣體分析能力和泄漏檢測(cè)能力，被廣泛應(yīng)用于托卡馬克裝置和加速器裝置中，成為一種重要的真空檢測(cè)手段[3]。

文獻(xiàn)[4]報(bào)道了真空檢漏的一些方法，主要有噴氦法、吸氦法、充氦法、鐘罩法，這四種方法都是真空檢漏中常用的方法。本文結(jié)合四極質(zhì)譜計(jì)和氦質(zhì)譜檢漏儀兩種手段進(jìn)行檢漏，確定了RFQ入口法蘭橡膠密封圈的泄漏問(wèn)題，更換密封圈后，壓力跳動(dòng)頻率和幅值明顯減??；通過(guò)分析壓力變化曲線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)RFQ腔后部某處仍然有漏，對(duì)有漏焊縫涂膠，壓力跳動(dòng)頻率和幅值再次減小，真空度也明顯提高，基本滿(mǎn)足直線(xiàn)加速器對(duì)真空度的要求。

1CSNS裝置

中國(guó)散裂中子源（China Spallation Neutron Source，CSNS）是我國(guó)“十一五”期間重點(diǎn)建設(shè)的大科學(xué)裝置，是一個(gè)質(zhì)子束功率達(dá)100 kW、有效脈沖中子通量居世界前列的散裂中子源裝置。裝置建設(shè)的主要內(nèi)容包括：一臺(tái)80 MeV H-直線(xiàn)加速器、一臺(tái)1.6 GeV快循環(huán)同步加速器、一個(gè)靶站和3臺(tái)譜儀，如圖1所示。直線(xiàn)加速器包括：一臺(tái)50 keV潘寧負(fù)氫離子源（IS），一條低能傳輸線(xiàn)（LEBT），一臺(tái)3.0 MeV射頻四極加速器（RFQ），一條中能傳輸線(xiàn)（MEBT）和一臺(tái)80 MeV漂移管直線(xiàn)加速器（DTL）[5]，如圖2所示。

圖1 CSNS系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig.1 Schematic diagram of CSNS system

圖2 CSNS直線(xiàn)加速器框圖Fig.2 The block diagram of CSNS linac

2 CSNS直線(xiàn)加速器真空系統(tǒng)

2.1 真空度技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)CSNS直線(xiàn)加速器的物理需求，真空系統(tǒng)各區(qū)段工作壓力為：

IS區(qū)段：2.0×10-3Pa；

LEBT區(qū)段：1.3×10-3Pa；

RFQ區(qū)段：1.0×10-5Pa；

MEBT區(qū)段：1.0×10-5Pa；

DTL區(qū)段：1.0×10-5Pa。

2.2 真空抽氣系統(tǒng)組成

CSNS直線(xiàn)加速器由前端系統(tǒng)和漂移管直線(xiàn)加速器系統(tǒng)組成。前端系統(tǒng)的作用是為加速器系統(tǒng)提供滿(mǎn)足后續(xù)設(shè)備加速所需的負(fù)氫離子束流。前端真空系統(tǒng)組成如圖3所示，為了減小負(fù)氫離子束流的損失，直線(xiàn)加速器對(duì)真空度有較高的要求。

圖3 CSNS前端真空系統(tǒng)組成圖Fig.3 The constitution diagram of CSNS front-end vacuum system

IS區(qū)段：由于運(yùn)行時(shí)離子源需要10 mL/min的氫氣進(jìn)氣量，因此泵組對(duì)氫氣的抽速是限制離子源極限真空的主要因素。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在離子源區(qū)段共配置了2臺(tái)MAGW2200的磁懸浮無(wú)油分子泵機(jī)組，每臺(tái)分子泵對(duì)氫氣的標(biāo)稱(chēng)抽速為1 930 L/s，可以獲得2.0×10-3Pa的真空度。

LEBT區(qū)段：以10 mL/min充入離子源的氫氣多數(shù)已經(jīng)被2臺(tái)大抽速的磁懸浮分子泵機(jī)組抽走，到達(dá)LEBT的氣載已經(jīng)很少，所以只在位于LEBT出口位置的第三腔配置了一臺(tái)MAGW830磁懸浮無(wú)油分子泵機(jī)組，對(duì)氫氣的標(biāo)稱(chēng)抽速為740 L/s，可以獲得2×10-4Pa的真空度。

RFQ區(qū)段：RFQ是位于離子源與漂移管直線(xiàn)加速器間重要的低能加速結(jié)構(gòu)，用于加速由離子源產(chǎn)生的H-離子，并在縱向形成可繼續(xù)加速的微束團(tuán)[6]。為了減小LEBT的氣體負(fù)載對(duì)RFQ真空系統(tǒng)產(chǎn)生影響，利用差分法，將RFQ端板的束流孔徑設(shè)計(jì)為10 mm的小孔。RFQ配置了3臺(tái)1 000 L/s離子泵做主抽泵，2臺(tái)MAW1300的磁懸浮分子泵為預(yù)抽泵，可以獲得3×10-6Pa的真空度。另外，RFQ還安裝了一臺(tái)四極質(zhì)譜計(jì)，用于分析腔體內(nèi)的殘余氣體成分，同時(shí)也可以作為一種檢漏手段。

MEBT區(qū)段：MEBT與真空相關(guān)的主要部件包括兩臺(tái)無(wú)氧銅聚束腔和一些不銹鋼束測(cè)元件，聚束腔經(jīng)過(guò)老煉后，放氣量已經(jīng)很小，因此在這個(gè)區(qū)段只配備了2臺(tái)200 L/s離子泵和2臺(tái)100 L/s的離子泵為主抽泵，1臺(tái)300 L/s的可移動(dòng)分子泵機(jī)組為預(yù)抽泵，真空部件采用鏈條式快卸法蘭密封，密封圈為菱形鋁密封圈[7]。

DTL區(qū)段：DTL由4段長(zhǎng)度約9 m的物理腔組成，為便于加工和安裝，每段物理腔又分為3節(jié)機(jī)械腔，每節(jié)機(jī)械腔長(zhǎng)約3 m，內(nèi)徑為560 mm，DTL真空系統(tǒng)組成如圖4所示。通過(guò)理論計(jì)算，為每段DTL物理腔配備了7～8臺(tái)1 000 L/s的離子泵為主抽泵，1～2臺(tái)1 000 L/s的分子泵做預(yù)抽泵，考慮到DTL1物理腔漂移管數(shù)量比較多，老煉期間出氣量比較大等問(wèn)題，為DTL1物理腔配備了2臺(tái)1 000 L/s的分子泵，其余3節(jié)物理腔則只各配備了1臺(tái)1 000 L/s的分子泵。另外，DTL1物理腔上還安裝了四極質(zhì)譜計(jì)，方便對(duì)腔體內(nèi)的殘余氣體成分進(jìn)行分析。

圖4 CSNS DTL真空系統(tǒng)組成圖Fig.4 The constitution diagram of CSNS DTLvacuum system

3 分析譜圖精準(zhǔn)檢漏

CSNS出束運(yùn)行一段時(shí)間后，RFQ腔壓力出現(xiàn)了跳動(dòng)，剛開(kāi)始時(shí)跳動(dòng)不規(guī)律也不頻繁，基本不影響直線(xiàn)加速器系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此沒(méi)有停機(jī)檢漏。直至壓力跳動(dòng)頻率增加、跳動(dòng)幅值增大，并且呈現(xiàn)有規(guī)律的跳動(dòng)（約150 s跳動(dòng)4次），已經(jīng)影響到了直線(xiàn)加速器的正常運(yùn)行，停機(jī)檢漏成為唯一的解決途徑。RFQ腔共配備2套真空規(guī)用于測(cè)量真空度，位置如圖3所示，分別為CCG01和CCG02。CCG01跳動(dòng)幅值明顯高于CCG02，但是兩個(gè)真空規(guī)跳動(dòng)頻率基本一致。圖5是RFQ腔真空度變差后的壓力變化曲線(xiàn)，CCG01跳動(dòng)最大值為2.5×10-5Pa左右，最小值為3.8×10-6Pa左右。

圖5所示的壓力跳動(dòng)是真空系統(tǒng)中比較罕見(jiàn)的一種現(xiàn)象，加速器停止束流后，壓力仍然有規(guī)律地跳動(dòng)，所以可以排除束流的影響，初步判斷壓力跳動(dòng)是由真空泄漏引起的。由于加速器上很多零部件都需要水冷，水冷焊縫直接面向真空，因此焊縫漏水也可能引起真空性能變差，并且很難從外部檢測(cè)到。四極質(zhì)譜計(jì)已在先前漂移管直線(xiàn)加速器檢漏中得到了很好的應(yīng)用[8]，通過(guò)對(duì)DTL1物理腔內(nèi)殘余氣體成分分析，發(fā)現(xiàn)腔內(nèi)的18峰（H2O）遠(yuǎn)高于28峰，成功判斷出12#漂移管漏水，進(jìn)而為解決問(wèn)題指明了方向。因此，首先對(duì)RFQ腔內(nèi)的殘余氣體成分進(jìn)行分析是很有必要的，通過(guò)對(duì)比18峰和28峰的大小，可以判斷出腔體是漏氣還是漏水。

3.1 RFQ腔內(nèi)的殘余氣體成分分析

圖6是RFQ腔體內(nèi)的殘余氣體成分變化趨勢(shì)圖，可以看出，腔體內(nèi)的殘余氣體成分與壓力變化趨勢(shì)基本一致，也呈現(xiàn)規(guī)律的跳動(dòng)。圖6中選取的三條曲線(xiàn)從上到下依次是28峰、32峰、40峰的跳動(dòng)曲線(xiàn)。選取圖6中兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的殘余氣體譜圖進(jìn)行分析，圖7是跳動(dòng)最低點(diǎn)（時(shí)刻1）和跳動(dòng)最高點(diǎn) （時(shí)刻2）對(duì)應(yīng)的殘余氣體成分譜圖。

圖5 RFQ腔真空度變差后的壓力變化曲線(xiàn)Fig.5 The pressure change curve of RFQ cavity after the pressure becomes worse

圖6 RFQ腔內(nèi)的殘余氣體成分變化趨勢(shì)圖Fig.6 Trend chart of residual gas composition in RFQ cavity

圖7 不同時(shí)刻RFQ腔內(nèi)殘余氣體成分譜圖Fig.7 Theresidualgas spectruminRFQ cavityatdifferent times

對(duì)比圖7時(shí)刻1和時(shí)刻2的殘余氣體譜圖可以看出，真空跳動(dòng)后增加的氣體成分主要是28（N2+CO）、32（O2）、40（Ar），都是空氣成分，所以初步確認(rèn)RFQ腔體某處漏氣，而18峰（H2O）幾乎不變，基本排除漏水的可能。由于RFQ腔上面使用了大量的氟橡膠密封圈，并且CCG01跳動(dòng)明顯高于CCG02，所以懷疑壓力跳動(dòng)是由RFQ前面兩節(jié)腔氟橡膠密封圈處的泄漏引起的。

3.2 RFQ入口法蘭密封圈檢漏和確認(rèn)

3.2.1 RFQ入口法蘭密封圈檢漏

從上述分析結(jié)果得知，RFQ前面兩節(jié)腔的橡膠密封圈是重點(diǎn)懷疑對(duì)象，因此對(duì)橡膠圈密封口進(jìn)行了重點(diǎn)檢漏。首先，關(guān)閉閥門(mén)LEBTGV01、RFQGV02PR、LEBT GV04PR和3臺(tái)1 000 L/s的離子泵，穩(wěn)定一段時(shí)間后開(kāi)始檢漏。這時(shí)CCG01壓力跳動(dòng)最大值為3.0×10-5Pa左右，最小值為8.1×10-6Pa左右，檢漏發(fā)現(xiàn)RFQ入口法蘭橡膠密封圈里側(cè)有至少4.4×10-7Pa·m3/s的漏率，檢漏結(jié)果如圖8所示。

圖8 RFQ入口法蘭密封圈處檢漏結(jié)果圖Fig.8 Leakage detection results at the sealing ring for the inlet flange

3.2.2 漏點(diǎn)酒精噴注確認(rèn)

由于更換橡膠圈費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，因此需要對(duì)上述檢漏結(jié)果進(jìn)一步確認(rèn)。采取的方法是對(duì)有漏的橡膠密封圈噴注酒精。如圖9所示，10：34噴注酒精后，CCG01、CCG02壓力都暫時(shí)不再跳動(dòng)，CCG01穩(wěn)定在8.1×10-6Pa左右。壓力大概維持了13 min左右，之后再次跳動(dòng)。11：10打開(kāi)RFQGV02PR閥門(mén)后，CCG01真空度逐漸提高，12：10達(dá)到6.7×10-6Pa，但是仍有跳動(dòng)。對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的殘余氣體成分的變化曲線(xiàn)如圖10所示。

圖9 噴酒精前后RFQ腔體內(nèi)的壓力變化曲線(xiàn)Fig.9 The pressure change curve of RFQ chamber before and after alcohol injection

圖10 噴酒精前后RFQ腔體內(nèi)殘余氣體成分的變化曲線(xiàn)Fig.10 Changes of residual gas composition in RFQ chamber before and after alcohol injection

圖10中31、45、46三條曲線(xiàn)為酒精的特征峰曲線(xiàn)，其中酒精的主峰為31峰，黑色曲線(xiàn)為28峰曲線(xiàn)。從圖9、圖10可以看出，噴注酒精后，酒精峰的變化趨勢(shì)與壓力的變化趨勢(shì)基本一致。時(shí)刻3所指的那一段時(shí)間，所有譜峰都基本不跳動(dòng)，說(shuō)明酒精暫時(shí)堵住了漏孔，一段時(shí)間后酒精特征峰跳動(dòng)明顯高于28峰，說(shuō)明此時(shí)進(jìn)入RFQ真空系統(tǒng)的主要是酒精分子，并夾雜了少量的空氣。

圖11是時(shí)刻3和時(shí)刻4對(duì)應(yīng)的RFQ腔殘余氣體成分譜圖，對(duì)比時(shí)刻3和時(shí)刻4可以發(fā)現(xiàn)，酒精進(jìn)入真空系統(tǒng)后，增加比較明顯的譜峰為31、29、45、27、46，這與《真空設(shè)計(jì)手冊(cè)》中主要的酒精碎片峰[9]基本吻合。

圖11 橡膠圈噴酒精后RFQ腔內(nèi)殘余氣體成分譜圖Fig.11 Residual gas spectrum in RFQ chamber after alcohol injection with rubber ring

通過(guò)對(duì)有漏的橡膠密封圈噴注酒精前后的殘余氣體成分進(jìn)行分析，確定了RFQ入口法蘭橡膠密封圈有漏，擇機(jī)更換橡膠密封圈。

3.3 橡膠密封圈更換后的壓力變化曲線(xiàn)

圖12是更換RFQ入口法蘭密封圈后，RFQ腔內(nèi)壓力變化曲線(xiàn)?？梢钥闯?，RFQ腔更換入口法蘭密封圈后，雖然腔內(nèi)壓力仍有跳動(dòng)，但是跳動(dòng)頻率明顯減小且沒(méi)有周期性，說(shuō)明引起RFQ壓力規(guī)律跳動(dòng)的主要原因?yàn)槿肟诜ㄌm橡膠密封圈的泄漏；更換橡膠密封圈后，CCG02的跳動(dòng)幅值明顯高于CCG01，說(shuō)明主要的漏點(diǎn)已經(jīng)不在前兩節(jié)腔上，而在RFQ后面兩節(jié)腔上，所以決定對(duì)RFQ腔進(jìn)行全面檢漏。

圖12 更換入口法蘭密封圈后，RFQ腔內(nèi)壓力變化曲線(xiàn)Fig.12 The pressure change curve of RFQ cavity after the inlet flange sealing ring is replaced

3.4 RFQ第四腔調(diào)諧器焊縫漏點(diǎn)涂膠處理

全面檢漏發(fā)現(xiàn)RFQ一腔、二腔各有一個(gè)調(diào)諧器的刀口密封都有1.0×10-8Pa·m3/s左右的泄漏，RFQ四腔的一個(gè)可動(dòng)調(diào)諧器有至少7.2×10-7Pa·m3/s的泄漏，一腔、二腔的泄漏與四腔相比，差了一個(gè)半量級(jí)，所以目前導(dǎo)致壓力跳動(dòng)的主要原因應(yīng)該是四腔調(diào)諧器的泄漏，這與CCG02的跳動(dòng)幅值明顯高于CCG01相互印證。精準(zhǔn)檢漏發(fā)現(xiàn)，RFQ四腔可動(dòng)調(diào)諧器的漏點(diǎn)為焊縫某處，對(duì)焊縫漏處涂膠，真空度明顯提高?？蓜?dòng)調(diào)諧器涂膠后復(fù)檢不漏，開(kāi)分子泵和離子泵一段時(shí)間后，CCG02穩(wěn)定在1.6×10-6Pa左右，RFQ腔24 h壓力變化曲線(xiàn)如圖13所示。

圖13 可動(dòng)調(diào)諧器涂膠后，RFQ腔內(nèi)壓力變化曲線(xiàn)Fig.13 Pressure change curve of RFQ cavity after the movable tuner gluing

從圖13可以看出，RFQ腔內(nèi)壓力偶爾還有小的跳動(dòng)，但是與圖12相比，跳動(dòng)頻率和幅值明顯減小，說(shuō)明RFQ四腔可動(dòng)調(diào)諧器膠堵漏效果比較明顯，但是RFQ壓力仍然有小幅度的跳動(dòng)，這可能與RFQ一腔、二腔調(diào)諧器刀口的泄漏有關(guān)。但是由于安裝時(shí)這個(gè)調(diào)諧器的密封刀口就有缺陷，所以即使更換銅墊圈也可能密封不住，后續(xù)考慮定制比較軟的鉛密封圈，然后利用暑期檢修時(shí)間完成更換。

綜合分析，壓力跳動(dòng)可能的來(lái)源有以下幾個(gè)方面：（1）漏孔幾何尺寸保持不變，漏孔兩端的壓力差有變化；（2）漏孔幾何尺寸發(fā)生變化，壓力差保持不變；（3）真空獲得系統(tǒng)真空泵抽速不穩(wěn)，特別是離子泵對(duì)Ar氣的抽速不穩(wěn)定；（4）真空系統(tǒng)內(nèi)存在不規(guī)則的放氣；（5）真空計(jì)存在測(cè)量問(wèn)題等。從分析過(guò)程可以得出結(jié)論：RFQ腔的壓力跳動(dòng)是外漏造成的，基本排除了（3）、（4）、（5）的可能，主要是（1）、（2）兩種因素綜合作用的結(jié)果。

4 結(jié)論

本文首先對(duì)CSNS直線(xiàn)加速器真空系統(tǒng)的組成和抽氣系統(tǒng)的構(gòu)成進(jìn)行了介紹；在運(yùn)行過(guò)程中，由于RFQ腔體內(nèi)的壓力出現(xiàn)了規(guī)律性的跳動(dòng)，因此利用四極質(zhì)譜計(jì)對(duì)腔體進(jìn)行精準(zhǔn)檢漏。通過(guò)對(duì)腔體內(nèi)的殘余氣體成分進(jìn)行分析，初步判斷RFQ腔某處有泄漏。檢漏發(fā)現(xiàn)，RFQ入口法蘭橡膠密封圈有4.4×10-7Pa·m3/s左右的漏率，對(duì)有泄漏的橡膠圈噴酒精，對(duì)比壓力變化曲線(xiàn)和RGA變化曲線(xiàn)都確認(rèn)了橡膠圈有泄漏。更換密封圈后，壓力跳動(dòng)頻率和幅值明顯減小，說(shuō)明引起RFQ壓力規(guī)律性跳動(dòng)的主要原因在于入口法蘭橡膠密封圈的泄漏。通過(guò)分析壓力變化曲線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)RFQ腔后部某處仍然有泄漏，檢漏發(fā)現(xiàn)RFQ四腔的一個(gè)可動(dòng)調(diào)諧器的焊縫有至少7.2×10-7Pa·m3/s的漏率，對(duì)有泄漏焊縫涂膠，壓力跳動(dòng)頻率和幅值再次減小，真空度也略有提高，基本滿(mǎn)足直線(xiàn)加速器對(duì)真空度的要求。