CSNS/RCS陶瓷真空盒熱特性及振動(dòng)研究

余潔冰，王廣源，康 玲，黃 濤，鄧昌東，陳佳鑫，張俊嵩，劉仁洪，王安鑫，聶小軍，劉 磊，寧常軍

(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)

中國(guó)散裂中子源(CSNS)快循環(huán)同步加速器(RCS)注入束流能量為80 MeV，引出束流能量為1.6 GeV，束流功率為100 kW[1-2]。RCS中的二極、四極磁鐵采用帶直流偏置的25 Hz交變電流激磁，通電狀態(tài)下磁鐵內(nèi)部存在嚴(yán)重的渦流效應(yīng)，要求真空盒的材料必須能限制磁場(chǎng)在其內(nèi)部產(chǎn)生的渦旋電流，避免造成巨大的熱損耗和磁場(chǎng)干擾，因此，不適合選用不銹鋼、鋁合金和無(wú)氧銅等金屬材料。而氧化鋁陶瓷因具有高的強(qiáng)度、好的抗輻射能力和真空性能，是CSNS/RCS真空盒的合適材料。CSNS二極陶瓷真空盒由8節(jié)陶瓷管道和2個(gè)陶瓷法蘭組成，而四極陶瓷真空盒由2節(jié)陶瓷管道和2個(gè)鈦金屬管及鈦法蘭組成[3-12]。因陶瓷真空盒燒結(jié)過(guò)程中變形大，且多節(jié)連接時(shí)在保證超高真空的前提下滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，制造難度大，目前CSNS大部分陶瓷真空盒為德國(guó)進(jìn)口。

陶瓷真空盒受安裝空間限制無(wú)法設(shè)計(jì)獨(dú)立支架，故將支架固定在磁鐵兩端的線(xiàn)圈處，磁鐵交變電流激勵(lì)使自身產(chǎn)生頻率25 Hz的振動(dòng)[13-15]，而振動(dòng)通過(guò)真空盒支架進(jìn)一步傳遞到真空盒上。在CSNS磁鐵加電測(cè)試中，曾出現(xiàn)四極陶瓷真空盒斷裂、真空破壞的情況。結(jié)合陶瓷真空盒的實(shí)際安裝環(huán)境，分析造成陶瓷真空盒斷裂的原因包括：磁鐵發(fā)熱引起陶瓷真空盒不均勻升溫膨脹；磁鐵振動(dòng)傳遞到真空盒上；陶瓷真空盒的一端與波紋管連接，另一端與相鄰的不銹鋼真空盒通過(guò)法蘭連接固定，同時(shí)還受固定在線(xiàn)圈上的兩個(gè)支架約束，存在三點(diǎn)過(guò)約束的情況。

陶瓷真空盒斷裂后，項(xiàng)目組將所有陶瓷真空盒的固定約束調(diào)整至2個(gè)以?xún)?nèi)。為排除其他導(dǎo)致真空盒斷裂的因素，采用有限元分析軟件對(duì)陶瓷真空盒進(jìn)行了熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，同時(shí)定期對(duì)所有陶瓷真空盒開(kāi)展振動(dòng)監(jiān)測(cè)。本文針對(duì)個(gè)別振幅大的真空盒，分析問(wèn)題產(chǎn)生的原因，并開(kāi)展支架減振研究。

1 陶瓷真空盒熱結(jié)構(gòu)分析

斷裂的陶瓷真空盒結(jié)構(gòu)如圖1所示，其長(zhǎng)度大于1 m，由2節(jié)陶瓷管通過(guò)在空氣高溫爐中用玻璃膠粘連而成，兩端焊接鈦金屬管和鈦法蘭，鈦管與陶瓷管之間采用釬焊，鈦法蘭用氬弧焊或激光焊，真空盒的斷裂處位于兩節(jié)陶瓷管連接處。

圖1 四極陶瓷真空盒Fig.1 Quadrupole ceramic vacuum chamber

為明確磁鐵因拷機(jī)引起的溫升對(duì)陶瓷真空盒溫度分布及應(yīng)力的影響，分析時(shí)不考慮其他因素，假設(shè)磁鐵與陶瓷真空盒之間僅通過(guò)熱輻射進(jìn)行熱量傳遞。選取磁鐵的熱輻射系數(shù)為0.8，陶瓷真空盒的熱輻射系數(shù)為0.3，對(duì)磁鐵溫度進(jìn)行理論分析[11]，結(jié)果示于圖2。圖2表明，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間拷機(jī)，實(shí)測(cè)極頭處最高溫度約為130 ℃，中間平均溫度為70 ℃。根據(jù)理論分析溫度分布及磁鐵實(shí)測(cè)結(jié)果建立有限元熱分析模型，圖3為磁鐵及真空盒溫度分布云圖。

圖2 磁鐵的理論溫度分布Fig.2 Magnet temperature distributionby theory analysis

圖3 陶瓷真空盒溫度分布Fig.3 Ceramic vacuum chamber temperature distribution

該陶瓷真空盒斷裂后，對(duì)更換后的陶瓷真空盒進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)17 h的磁鐵升溫監(jiān)測(cè)，靠近磁鐵極頭處的陶瓷真空盒溫度接近68 ℃。理論分析結(jié)果與實(shí)測(cè)溫度接近，認(rèn)為理論熱分析有效。將溫度分析結(jié)果作為陶瓷真空盒結(jié)構(gòu)分析的載荷，另外附加重力、大氣壓力及固定約束，對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析，結(jié)果示于圖4。由圖4可知，陶瓷真空盒上的最大應(yīng)力位于固定約束處，為46.334 MPa，遠(yuǎn)小于陶瓷的抗彎強(qiáng)度，認(rèn)為磁鐵發(fā)熱對(duì)陶瓷真空盒影響較小，不是陶瓷真空盒斷裂的主要因素。

圖4 陶瓷真空盒上的應(yīng)力分布云圖Fig.4 Stress distribution on ceramic vacuum chamber

2 陶瓷真空盒振動(dòng)監(jiān)測(cè)

基于陶瓷真空盒特殊的材料特性，傳統(tǒng)的接觸式振動(dòng)傳感器無(wú)法固定，且存在磁場(chǎng)干擾問(wèn)題，非接觸式測(cè)量技術(shù)是一種有效可行的陶瓷真空盒振動(dòng)監(jiān)測(cè)手段。在CSNS暑期檢修期間，采用雙目視覺(jué)振動(dòng)測(cè)量?jī)x對(duì)陶瓷真空盒的振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其工作流程如下：1) 根據(jù)陶瓷真空盒的位置和大小，確定對(duì)應(yīng)的相機(jī)鏡頭和角度；2) 對(duì)雙目視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定，獲取相機(jī)組的內(nèi)外參數(shù)；3) 同步采集圖像；4) 讀取圖像并提取特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，進(jìn)行匹配；5) 計(jì)算特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)并保存。

圖5為CSNS/RCS陶瓷真空盒采用雙目相機(jī)進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)及其部分區(qū)域高程方向的振動(dòng)測(cè)試結(jié)果。從圖5可看出，2018年與2019年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相差不大，最大差異為6 μm，而雙目視覺(jué)系統(tǒng)的標(biāo)定本身會(huì)引起一定的測(cè)量誤差，因此，認(rèn)為測(cè)量結(jié)果有效，陶瓷真空盒高程方向振動(dòng)最大為29 μm。

圖5 RCS陶瓷真空盒的振動(dòng)監(jiān)測(cè)及部分高程測(cè)試結(jié)果Fig.5 Vibration monitoring and partial elevation test result of RCS ceramic vacuum chamber

測(cè)試中還發(fā)現(xiàn)，部分陶瓷真空盒水平方向振動(dòng)異常，以RCS第4區(qū)域6號(hào)四極鐵中間的陶瓷真空盒最顯著，具體如圖6所示，該真空盒左右兩個(gè)測(cè)點(diǎn)水平方向的振動(dòng)均超過(guò)50 μm，而其高程方向振動(dòng)僅為11 μm。經(jīng)核查，相較于2018年測(cè)試環(huán)境，因部分鋁制快卸鏈條運(yùn)行時(shí)斷裂，曾將該陶瓷真空盒兩端的快卸鏈條更換為不銹鋼材料，通過(guò)磁導(dǎo)率測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其磁導(dǎo)率超過(guò)1.5，將快卸鏈條因更換為磁導(dǎo)率小于1.05的不銹鋼，該問(wèn)題得以解決，對(duì)于其他區(qū)域類(lèi)似水平方向振動(dòng)異常的真空盒，均通過(guò)更換快卸鏈條予以解決。

圖6 RCS第4區(qū)域陶瓷真空盒水平方向振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.6 Horizontal vibration monitoring result of RCS fourth district ceramic vacuum chamber

3 陶瓷真空盒的減振研究

為避免后期出現(xiàn)陶瓷真空盒振動(dòng)異常無(wú)法解決的情況，開(kāi)展了陶瓷真空盒的減振支架研究。經(jīng)實(shí)測(cè)，磁鐵與陶瓷真空盒的振動(dòng)頻率均為單一頻率25 Hz，針對(duì)固定頻率的振動(dòng)，采用彈簧阻尼機(jī)構(gòu)能有效隔絕振動(dòng)的傳遞，圖7為其振動(dòng)傳遞特性[16]。結(jié)合真空盒支架的安裝空間，設(shè)計(jì)了隔振器結(jié)構(gòu)，如圖8所示。

圖7 彈簧阻尼隔振曲線(xiàn)[16]Fig.7 Curve of spring damping vibration isolation[16]

圖8 真空盒支架隔振器結(jié)構(gòu)Fig.8 Vibration isolator structure of vacuum chamber support

基于二極鐵陶瓷真空盒備件，搭建真空盒隔振支架測(cè)試平臺(tái)，并進(jìn)行隔振效果測(cè)試。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置由陶瓷真空盒、真空盒支架、隔振器、941B速度傳感器和振動(dòng)平臺(tái)5部分組成，如圖9所示。振動(dòng)平臺(tái)能提供的頻率范圍為10～30 Hz，可模擬25 Hz磁鐵振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。本文針對(duì)有無(wú)隔振器兩種情況分別進(jìn)行了測(cè)試。

圖9 真空盒隔振支架測(cè)試平臺(tái)Fig.9 Test platform of vibration isolation support

分別對(duì)比振動(dòng)平臺(tái)表面與陶瓷真空盒表面的振動(dòng)速度，結(jié)果如圖10所示，高程方向最大振動(dòng)速度從4.2×10-4m/s降至0.8×10-4m/s，減振效果高達(dá)80%，水平方向最大振動(dòng)速度從8.2×10-4m/s降至1×10-4m/s，減振效果高達(dá)85%。同時(shí)從振動(dòng)頻域圖也可明顯看出，25 Hz的速度振動(dòng)貢獻(xiàn)值顯著降低，起到了較好的隔振效果。

圖10 隔振器的隔振性能Fig.10 Vibration isolation performance of vibration isolator

4 結(jié)論

針對(duì)CSNS/RCS陶瓷真空盒斷裂問(wèn)題，本文開(kāi)展了陶瓷真空盒的熱特性研究及磁鐵通電時(shí)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)研究。結(jié)果表明：磁鐵發(fā)熱及磁鐵通電不會(huì)直接導(dǎo)致陶瓷真空盒的破壞，本文中陶瓷真空盒的故障原因可歸因于三點(diǎn)支撐引起過(guò)約束，同時(shí)結(jié)合振動(dòng)及溫度不均勻分布三者共同作用。后期在陶瓷真空盒的使用中，需合理設(shè)計(jì)支架結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格控制真空盒的振動(dòng)，同時(shí)法蘭及快卸鏈條等真空連接設(shè)備需滿(mǎn)足磁導(dǎo)率要求。