西安200 MeV質(zhì)子應(yīng)用裝置分布式真空系統(tǒng)設(shè)計與建設(shè)

閆逸花,張化一,王茂成,呂 偉,王忠明,趙 晨,姚紅娟,王百川,劉臥龍,王敏文,王 迪,趙銘彤,楊 業(yè),魏崇陽,陳 偉 ,邱孟通,杜暢通,張京京,楊偉順

(1. 西北核技術(shù)研究所， 西安 710024； 2. 清華大學(xué) 工程物理系， 北京 100084； 3. 中國科學(xué)院 近代物理研究所， 蘭州 730000)

真空環(huán)境是加速器粒子重要的基礎(chǔ)工作環(huán)境，高真空一方面可有效降低束流損失，另一方面可為高頻高壓電場提供絕緣環(huán)境[1-4]。加速器裝置中真空管道細長，總長可達數(shù)十米至百米。質(zhì)子同步加速器中的束流將在主加速器中循環(huán)上百萬圈，為有效降低束流損失，真空度通?？刂圃?0-5～10-6Pa。西安200 MeV質(zhì)子應(yīng)用裝置(Xi’an 200 MeV Proton Accelerator Facility，XiPAF)主體為1臺周長30.9 m的同步加速器，本文總結(jié)了XiPAF同步環(huán)及輸運線的分布式真空系統(tǒng)設(shè)計、理論模擬結(jié)果，安裝調(diào)試經(jīng)驗及運行狀況，可為后續(xù)同類裝置設(shè)計和建設(shè)提供參考。

1 XiPAF真空系統(tǒng)布局

XiPAF真空系統(tǒng)布局如圖1所示。整體上分為直線注入段、中能傳輸段(MEBT)、同步環(huán)段(RING)及高能傳輸段(HEBT)4個區(qū)段，每個區(qū)段之間采用超高真空插板閥進行隔離，便于分段組裝調(diào)試及安全聯(lián)鎖。同步環(huán)、MEBT及HEBT 3個區(qū)段的基礎(chǔ)參數(shù)統(tǒng)計列于表1。其中，主管道管徑根據(jù)束斑截面尺寸、磁鐵好場區(qū)范圍、安裝間隙及磁鐵孔徑等參數(shù)綜合確定；MEBT主管道為內(nèi)徑72 mm的圓形管道；RING主管道為內(nèi)徑102 mm的圓形管道；HEBT主要由內(nèi)徑為94 mm和102 mm的2種管道組成。XiPAF真空管道并未進行釋氣率測試，參考：1)PIMMS-II p74中，材料釋氣率為5×10-12Torr·L·s-1·cm-2，1 Torr=133.32 Pa；2)《真空設(shè)計手冊》表14-10中“經(jīng)超聲波清洗但未經(jīng)烘烤處理的不銹鋼在經(jīng)過10 h后釋氣率為5.5×10-10Torr·L·s-1·cm-2”；3)《真空設(shè)計手冊》表14-11中“經(jīng)超聲波清洗并經(jīng)烘烤處理的不銹鋼在10 h后釋氣率為8.6×10-12Torr·L·s-1·cm-2”，考慮到部分管道未經(jīng)烘烤，此處釋氣率取保守值，按照經(jīng)超聲波處理但未烘烤管道100 h后的釋氣率來估算，取為5.5×10-11Torr·L·s-1·cm-2。

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

表1 XiPAF同步環(huán)，MEBT，HEBT真空系統(tǒng)基礎(chǔ)參數(shù)Tab.1 Basic parameters of XiPAF synchronous ring, MEBT, HEBT vacuum system

2 真空中殘余氣體對束流的影響分析

2.1 殘余氣體對束流壽命及傳輸效率的影響

XiPAF采用7 MeV負氫離子注入，在MEBT段主要需考慮電子丟失帶來的束流損失，而在同步環(huán)及HEBT段則主要考慮電子俘獲帶來的束流損失。在真空度低于10-5Pa時，可近似等效為粒子在N2中輸運，隨真空度提高，H2所占比例提高而高分子量氣體所占比例降低，可近似認(rèn)為粒子在H2中輸運[5]。

電子俘獲通常只在入射離子電荷態(tài)高于平衡電荷態(tài)時才有較大的截面，由于質(zhì)子已達到平衡電荷態(tài)且能量較高，所以電子俘獲截面較小。根據(jù)Tawara等關(guān)于能量小于10 MeV質(zhì)子在氣體中電荷交換過程的研究[6]，質(zhì)子在氣體中的電子俘獲截面隨質(zhì)子能量增大而迅速減小，且雙電子俘獲截面遠低于單電子俘獲截面。以10 MeV質(zhì)子為例，在H2與N2中，單電子俘獲截面約為10-25cm2和10-23cm2，而雙電子俘獲截面則小于10-30cm2和10-27cm2，所以單電子俘獲是導(dǎo)致束流損失的主要原因。對于高能質(zhì)子，由于目前尚無可參考的截面實驗數(shù)據(jù)，可利用唐靖宇等關(guān)于低能粒子在H2及N2中的電子俘獲截面半經(jīng)驗公式進行外推并進一步估算粒子壽命τ及傳輸效率η[5]。

XiPAF中，粒子經(jīng)同步環(huán)引出后一次性通過HEBT，總路徑僅約為11 m，從7 MeV加速至60 MeV或230 MeV過程中，繞同步環(huán)運行數(shù)十萬圈；而在慢引出過程中，粒子需繞同步環(huán)運行數(shù)百萬圈，遠大于其它過程路徑，因此主要考慮慢引出過程中電子俘獲帶來的束流損失。表2列出了XiPAF中質(zhì)子在10 s慢引出過程中所經(jīng)過的路徑及在N2與H2中的電荷俘獲截面。在10-2～10-5Pa真空區(qū)間，殘余氣體按100% N2進行等效處理；在10-6～10-7Pa真空區(qū)間，殘余氣體按100% H2等效處理。圖2為不同真空條件下， 60，230 MeV 質(zhì)子在10 s慢引出條件下的壽命及傳輸效率。由圖2可見，為達到接近100%的傳輸效率，XiPAF同步環(huán)真空度應(yīng)不低于10-5Pa，參考國內(nèi)外其他裝置真空設(shè)計指標(biāo)，XiPAF同步環(huán)目標(biāo)真空設(shè)計為10-6Pa，以達到更高的傳輸效率。

表2 60 ，230 MeV 質(zhì)子在10 s慢引出過程中的總路徑及截面Tab.2 Total path length and cross section of 60 MeV and 230 MeV proton during 10 s slow-extraction period

(a) Lifetime

對于MEBT束線負氫離子傳輸段，參考Symthe等關(guān)于低能負氫離子在N2中的電子丟失截面[7]，利用電子丟失總截面正比于1/β2(β為質(zhì)子相對論速度)的規(guī)律進行外推，得到7 MeV負氫離子在H2中的電子丟失總截面約為3.6×10-18cm2，在N2中的電子丟失總截面約為1.9×10-17cm2，估算可得負氫離子穿過7 m長的MEBT真空管道后的傳輸效率隨真空度的變化關(guān)系，如圖3所示。由圖3可見，MEBT的真空度應(yīng)不低于10-3Pa，為達到100%的傳輸效率，XiPAF輸運線目標(biāo)真空設(shè)計值為10-5Pa。

圖3 7 MeV 負氫離子穿過7 m長MEBT管道后的傳輸效率隨真空度的變化關(guān)系Fig.3 Transmission efficiency of H- through a 7 m long vacuum tube of MEBT vs. pv

2.2 殘余氣體對束流能量的影響

質(zhì)子束流會與真空中的殘余氣體發(fā)生碰撞，主要有電離和庫侖散射2種作用方式[5]，質(zhì)子在氣體中的電離截面比庫侖散射截面高約3個量級，因此質(zhì)子的能量損失的主要是電離能量損失。利用NIST[8]計算得到質(zhì)子在H2和N2中的阻止本領(lǐng)隨質(zhì)子能量的變化關(guān)系，如圖4所示。

圖4 質(zhì)子在H2和N2中的阻止本領(lǐng)隨質(zhì)子能量的變化關(guān)系Fig.4 Total stopping power of protons in H2 and N2 vs. Ek

輸運線上粒子的能量損失為

(1)

其中，pl=10-5Pa；p0=1 atm；ρN2為1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下N2的密度；Ll為中、高能輸運線長度。

同步環(huán)引出粒子的能量損失為

(2)

其中，ps=10-6Pa；ρH2為1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下H2的密度；Ls為同步環(huán)周長；N為引出粒子循環(huán)圈數(shù)。由表3可見，在MEBT和HEBT段，粒子的能量損失可忽略不計，同步環(huán)10 s慢引出過程中60 MeV質(zhì)子的能量損失為0.03%，200 MeV質(zhì)子的能量損失為0.006%。

3 XiPAF真空分布計算分析

由于XiPAF真空管道較長，僅采用內(nèi)表面總和來計算所需配置的泵體參數(shù)并不準(zhǔn)確，需要采用分布式真空系統(tǒng)的計算方法來評價。VAKTRAK是一種利用傳輸矩陣來計算細長管道縱向壓強分布的算法，適用于具有抽氣泵、出氣因素和有限流導(dǎo)的多連通真空系統(tǒng)[9-10]。

XiPAF同步環(huán)及輸運線束線主管道均為特定內(nèi)徑的圓管道，根據(jù)平均管道內(nèi)徑和極限真空度要求，可利用VAKTRAK傳輸方程對布泵距離進行粗略計算，從而評價當(dāng)前布泵距離是否合適。假設(shè)抽速為S的泵體位于一段長為2L、內(nèi)徑為d的圓形管道中間，根據(jù)VAKTRAK傳輸矩陣求解該結(jié)構(gòu)的傳輸方程

(3)

表3 粒子在MEBT、同步環(huán)及HEBT中的能量損失Tab.3 Energy loss of particles in MEBT，synchrotron ring and HEBT

取邊界條件Q(0)=0，可得中心點最小壓強為

(4)

其中，q為單位長度管道釋氣率，Torr·L·s-1·m；p為壓強，Torr；z為縱向距離，m；Q為流量，Torr·L·s-1；c為特定分子流流導(dǎo)m·L·s-1；S為特定抽速，L·s-1·m。此處c與S均采用VAKTRAK程序為便于計算所設(shè)置的默認(rèn)量綱。計算可得理論布泵間距為

(5)

僅考慮束流主管道時，XiPAF各段平均布泵距離估算值列于表4。XiPAF實際布泵距離均小于理論值，留有充足的余量。

表4 同步環(huán)，MEBT，HEBT理論布泵距離估算值Tab.4 Theoretical distance of SIP in synchrotron, MEBT and HEBT

對真空系統(tǒng)進行分段，得到各元件的VAKTRAK傳輸矩陣，進一步可得多段串聯(lián)管道的累積傳輸矩陣，設(shè)定邊界條件后，即可求得全段真空分布。MEBT與同步環(huán)連接處注入切割鐵真空盒及配套管道總流導(dǎo)僅有9.5 L·s-1，HEBT與同步環(huán)連接處引出切割鐵MS1與MS2管道串聯(lián)后總流導(dǎo)僅有5 L·s-1，這2段管道的流導(dǎo)遠小于環(huán)及輸運線上離子泵的平均抽速，所以環(huán)側(cè)離子泵對輸運線側(cè)的作用可忽略不計，而輸運線側(cè)離子泵對環(huán)的作用也可忽略不計。小流導(dǎo)管道會導(dǎo)致VAKTRAK方程無解，故將同步環(huán)、MEBT、HEBT分開計算。同步環(huán)取邊界條件pL=pR，pL為束線左端口壓強，pR為束線右端口壓強；MEBT、HEBT邊界設(shè)為QL=QR=0，QL為束線左端口氣體流量，QR代表束線右端口氣體流量，即按照各段獨立抽真空的狀態(tài)進行計算，計算結(jié)果如圖5-圖7所示。

(a) The pressure distribution

(a) The pressure distribution

(a) The pressure distribution

由圖5-圖7可見，同步環(huán)上真空分布較均勻，且低于10-6Pa；MEBT與HEBT起始段稍差，但均滿足不低于10-5Pa的使用要求，整體真空設(shè)計滿足指標(biāo)要求。

4 真空管道、特殊腔體處理及連接

XiPAF裝置上除凸軌磁鐵采用內(nèi)壁鍍TiN膜層的陶瓷真空管外，其余管道均采用釋氣率較低的316L不銹鋼加工而成，其它大部分管道為壁厚2 mm的普通圓形管道，其中，同步環(huán)管道出廠前均進行了高溫除氣及退磁導(dǎo)率處理。環(huán)二極鐵真空盒為降低渦流效應(yīng)的影響，采用了1 mm薄壁外設(shè)加強筋的真空管，設(shè)計時對管道進行了詳細的應(yīng)力及變形分析，并對加工完成的6套真空盒進行了詳細的3D尺寸檢測，如圖8所示。上線安裝時發(fā)現(xiàn)外側(cè)加強筋存在尺寸超差的情況，在檢測筋處相對磁導(dǎo)率不超過1.05的前提下，對部分加強筋進行了二次切削，保證了安裝間隙。輸運線的二極鐵扁平真空盒在第一次設(shè)計時采用了內(nèi)加強筋結(jié)構(gòu)，但加工時遇到了焊接困難的問題，最終取消了加強筋，將壁厚增加至5 mm，損失部分管道內(nèi)空間達到了使用要求。

(a) Deformation

引出薄切割磁鐵及引出厚切割磁鐵均采用截面較小的矩形管道，定位精度要求高，因此對裝配好的2段管道法蘭及管壁位置進行了詳細的3D檢測，圖9為引出薄切割鐵真空盒與引出厚切割鐵真空盒的3D檢測結(jié)果。由于早期工程經(jīng)驗不足，且引出段空間布局緊湊，未能在管道匹配端設(shè)置波紋管并預(yù)留準(zhǔn)直靶標(biāo)，為上線安裝和定位帶來了一定的困難，在引出切割鐵處束流損失也偏大，未來裝置升級時，需考慮優(yōu)化該處的設(shè)計。

(a) The inlet and outlet flange position

管道間連接采用標(biāo)準(zhǔn)CF法蘭與刀口密封型KF法蘭2種方式，高頻腔兩側(cè)為平槽配合型快卸法蘭，采用菱形鋁制密封圈密封，12個束流位置探測器BPM兩端均為刀口型KF法蘭，采用銅圈密封，以克服安裝空間狹小的實際困難，環(huán)上共有刀口型KF100法蘭連接點20個，刀口型KF150法蘭連接點4個，經(jīng)過摸索試驗，定制了一批特定厚度并經(jīng)退火處理的銅圈，最終所有刀口型快卸法蘭連接點均達到了加速器真空密封要求，真空漏率均小于1×10-12Pa ·m3·s-1。圖10為刀口型KF法蘭及安裝完后的現(xiàn)場圖。

需要說明的是，建設(shè)時受工程進度影響，XiPAF真空管道并未提前進行分段預(yù)組裝和調(diào)試，在現(xiàn)場進行二次檢漏后直接上線安裝。但考慮到靜電偏轉(zhuǎn)板設(shè)備的高工作電場要求和內(nèi)部的多絲結(jié)構(gòu)，在上線安裝前做了分系統(tǒng)預(yù)組裝和調(diào)試，并保持真空封存狀態(tài)。最終上線及長期運行中真空系統(tǒng)保持了非常穩(wěn)定的工作狀態(tài)，所以特殊設(shè)備還應(yīng)進行提前處理，對于裝置的運行穩(wěn)定性將會有較大的幫助。

5 真空調(diào)試及實現(xiàn)情況

XiPAF真空系統(tǒng)安裝累計歷時約2月，首先，完成了同步環(huán)段的安裝與密封；然后，完成了MEBT與HEBT的真空安裝及密封，無在線烘烤設(shè)備。如4節(jié)所述，由于MEBT與同步環(huán)連接段間注入切割鐵MS的管道流導(dǎo)較小，同步環(huán)引出切割鐵MS1、MS2的管道流導(dǎo)也較小，起到了真空差分的作用，待同步環(huán)真空度達到10-6Pa，MEBT及HEBT真空度達到10-5Pa后，開啟段間閘板閥，同步環(huán)與輸運線真空度均無變化，這一特點為真空系統(tǒng)的維護也提供了非常大的便利。在停機狀態(tài)時關(guān)閉段間閘板閥進行分段真空保護，開機時重新打開段間閘板閥，對已經(jīng)形成的穩(wěn)態(tài)真空帶來的影響很小。圖11為在2021年1月XiPAF壓強分布。

圖11 2021年1月XiPAF壓強分布Fig.11 The actual vacuum status of XiPAF at Jan 2021

由于MEBT輸運線管道孔徑相對較小，在出廠前及安裝后均未做真空除氣處理，且為配合調(diào)節(jié)支架，泵口管道均偏長，有效抽速犧牲較多，所以XiPAF運行初期，MEBT段始終不夠理想，必須持續(xù)開啟分子泵以維持真空狀態(tài)。經(jīng)長達半年的持續(xù)工作后，MEBT段的真空才達到了可以關(guān)閉分子泵，僅靠離子泵維持真空的狀態(tài)。同步環(huán)及HEBT段真空達到了較好的狀態(tài)，靜態(tài)真空度最佳值均好于10-6Pa。同步環(huán)中RG02，RG04，RG05處真空規(guī)直連束線管道，真空度均好于10-6Pa，比較能反映同步環(huán)內(nèi)的真實真空情況。RG01，RG03為通過角閥轉(zhuǎn)接增加的真空規(guī)。以RG03為例，該規(guī)位于靜電偏轉(zhuǎn)板處，偏轉(zhuǎn)板腔體上有個直連進口規(guī)，當(dāng)腔內(nèi)真空好于其測量極限10-6Pa后，該規(guī)不再提供有效結(jié)果，所以在腔體上通過角閥轉(zhuǎn)接又添加了一個國產(chǎn)規(guī)，當(dāng)2個規(guī)都有示數(shù)時，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)接規(guī)測量值比直連規(guī)小1個數(shù)量級，所以腔內(nèi)實際真空度是好于測量值的，可按照相差1個數(shù)量級來估算。根據(jù)直連進口規(guī)工作狀態(tài)來看，實際真空度已經(jīng)超過它的量程10-6Pa，只是它不再顯示示數(shù)，所以只記錄了轉(zhuǎn)接規(guī)的數(shù)值。

2020年對真空系統(tǒng)進行為期一年的監(jiān)測，包含實驗室停電和束流持續(xù)加載等多方面因素影響，經(jīng)歷過多次真空恢復(fù)，但整體上MEBT段真空仍在逐步改善，同步環(huán)及HEBT已經(jīng)達到接近平衡態(tài)，目前各段真空均維持在較佳水平。圖12為2020年XiPAF真空監(jiān)測情況。由圖12可見，趨于穩(wěn)態(tài)的MEBT、HEBT沿管道的真空分布特征與VAKTRAK模擬結(jié)果基本相符，均呈入口真空相對較高、出口真空相對較低的趨勢。同步環(huán)沿管道分布考慮RG01與RG03 較實際值偏高的情況，實際真空分布也比較平衡。圖13為不同日期MEBT、HEBT和同步環(huán)管道真空狀態(tài)。

由于XiPAF束流傳輸效率與磁鐵和射頻相位等多種因素有關(guān)，裝置運行時各段束流傳輸效率與物理設(shè)計基本相符，達到了使用要求，但尚未對不同真空條件下的質(zhì)子束流壽命測試開展針對性實驗。XiPAF仍在進一步調(diào)試中，下一步我們將繼續(xù)深入研究真空條件對質(zhì)子束流壽命的影響。

圖12 2020年XiPAF真空監(jiān)測情況Fig.12 Vacuum status of XiPAF in 2020

(a) Pressure of MEBT

6 小結(jié)

XiPAF分布式真空系統(tǒng)上線運行近兩年的實踐證明，系統(tǒng)總體布局設(shè)計合理，真空管道的設(shè)計、選材、加工及處理措施完善，上線安裝調(diào)試過程順利，真空狀態(tài)滿足束流運行要求，試運行中未發(fā)生大的故障。環(huán)二極鐵薄壁真空管道、輸運線二極鐵扁平矩形真空管道、凸軌磁鐵陶瓷真空管及大口徑KF法蘭密封等重點部位也沒有新增漏點產(chǎn)生，為XiPAF的長期穩(wěn)定運行提供了重要的基礎(chǔ)保障。

致謝

感謝中國科學(xué)院高能物理研究所王鵬程老師在真空部件出廠檢測方面給予的指導(dǎo)與無私幫助，感謝上海三井光中真空設(shè)備股份有限公司在KF法蘭密封實驗方面給予的協(xié)助，感謝中國科學(xué)院近代物理研究所高彥民老師在真空密封方面給予的指導(dǎo)，感謝西北核技術(shù)研究所李銳副研究員在真空清洗方面給予的幫助。