劉順明 ,王鵬程 *,宋 洪 ,劉佳明 ,關(guān)玉慧 ,譚 彪 ,孫曉陽 ,李 波 ,吳小磊
(1.散裂中子源科學(xué)中心,廣東 東莞 523808;2.中國科學(xué)院高能物理研究所,北京 100049)
CSNS是我國“十一五”期間重點(diǎn)建設(shè)的大科學(xué)裝置,質(zhì)子束功率達(dá)100 kW、有效脈沖中子通量居世界前列,與英國散裂中子源ISIS、美國散裂中子源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建設(shè)的主要內(nèi)容包括:1臺(tái)80 MeV負(fù)氫離子直線加速器、1臺(tái)1.6 GeV快循環(huán)質(zhì)子同步加速器、2條束流輸運(yùn)線、1個(gè)靶站、3臺(tái)譜儀(通用粉末衍射儀、小角散射儀和多功能反射儀)及相應(yīng)的配套設(shè)施。負(fù)氫離子直線加速器包括:1臺(tái)50 keV潘寧負(fù)氫離子源(IS)、1條低能傳輸線(LEBT)、1臺(tái)3.0 MeV射頻四極加速器(RFQ)、1條中能傳輸線(MEBT)和1臺(tái)80 MeV漂移管直線加速器(DTL)[1-3]。
DTL由4節(jié)長度約9m的RF腔體組成,每節(jié)RF腔體又分為3段長約3m的機(jī)械腔體,以便于加工和安裝。漂移管是DTL的核心部件,其加工精度要求高,難度大。為了克服RF電場(chǎng)徑向散焦力,同時(shí)克服粒子的空間電荷效應(yīng),每個(gè)漂移管內(nèi)部均安裝磁鐵對(duì)被加速粒子進(jìn)行聚焦[4]??紤]到整個(gè)裝置的靈活可調(diào)性,CSNS DTL選擇了電四極磁鐵。電四極磁鐵的最高工作電流達(dá)580 A,產(chǎn)生較大的歐姆熱[5],因此,線圈需要通水冷卻。2017年,12#漂移管線圈出現(xiàn)漏水,DTL1#腔壓力由7.2×10-6Pa升至2.4×10-5Pa,并且伴隨腔體打火,影響加速器的正常運(yùn)行。為了降低DTL1#腔的壓力,采取了以下措施[6]:(1)排空12#漂移管線圈冷卻水;(2)多次氮?dú)獯祾?2#漂移管線圈,去除殘余水分;(3)通電烘烤12#漂移管線圈,并對(duì)線圈長時(shí)間抽真空。經(jīng)過處理后,DTL1#腔逐步恢復(fù)了超高真空,滿足CSNS直線加速器的真空需求。
CSNS II束流功率將升級(jí)至500 kW,需要12#漂移管正常工作,因此,2021年完成了12#漂移管的替換。確認(rèn)12#舊漂移管的具體泄漏原因以及泄漏位置,對(duì)后續(xù)漂移管備件的加工至關(guān)重要,因此,需要對(duì)12#舊漂移管的泄漏作進(jìn)一步的剖析。
由于12#舊漂移管出現(xiàn)了漏水,漂移管外殼某處肯定存在漏點(diǎn),圖1標(biāo)示出了漂移管外殼存在的5處電子束焊焊縫,為了判斷漏點(diǎn)位置,需要對(duì)每條焊縫逐一排查。真空檢漏示意圖如圖2所示。
圖1 漂移管外殼焊縫位置及環(huán)氧樹脂狀況Fig.1 The position of the welding seam of the drift tube and the epoxy condition
圖2 漂移管檢漏示意圖Fig.2 Schematic diagram of drift tube leak detection
從漂移管桿抽氣,可以檢到每條焊縫。為了起到絕緣固定作用,漂移管殼內(nèi)(圖1右上角)及漂移管桿跑道管內(nèi)(圖1右下角)都澆筑有環(huán)氧樹脂。漂移管外殼剖開后如圖1右上角所示,由于是抽氣后再澆注環(huán)氧樹脂,所以線圈與電四極磁鐵之間已完全被環(huán)氧樹脂包裹,即使某處存在泄漏,也需要經(jīng)過一段時(shí)間才能被檢測(cè)到(示漏氣體沿焊縫泄漏至漂移管內(nèi)部,沿圖中藍(lán)色箭頭擴(kuò)散,最終在真空負(fù)壓作用下進(jìn)入跑道管,被檢漏儀檢測(cè)到)。跑道管內(nèi)的環(huán)氧樹脂為重力自然澆灌,環(huán)氧樹脂與跑道管之間存在夾縫,可以通過漂移管桿進(jìn)行抽氣檢漏。
如圖2所示,檢漏時(shí),啟動(dòng)渦旋干泵1,打開電磁閥2,對(duì)漂移管跑道管抽氣,由于漂移管桿內(nèi)部有環(huán)氧樹脂且氣路比較狹窄,需渦旋干泵長時(shí)間抽氣(約67 h),才能獲得比較穩(wěn)定的檢漏本底(1.8×10-11Pa·m3/s)。打開手動(dòng)角閥3,關(guān)電磁閥2,開始檢漏。由于懷疑漂移管束流中心孔兩側(cè)的電子束焊焊縫4、5(如圖1)存在泄漏,重點(diǎn)噴檢這兩處焊縫。多次噴檢都沒有檢到明顯的泄漏,原因可能是漏孔通道狹窄、路徑復(fù)雜,因此決定對(duì)漂移管焊縫進(jìn)行罩檢。由于12#舊漂移管低能端打火比較嚴(yán)重,表面已經(jīng)黑化,如圖3,懷疑電子束焊焊縫4存在泄漏。因此,首先用真空泥封堵電子束焊焊縫5,罩檢電子束焊焊縫4。20 min罩檢漏率為9.5×10-11Pa·m3/s,漏率較小,不足以引起DTL1#腔壓力的較大變化[7](DTL1#腔真空泵有效抽速約為3.0 m3/s),進(jìn)而懷疑電子束焊焊縫5泄漏。封堵電子束焊焊縫4,罩檢電子束焊焊縫5,15 min罩檢漏率為1.8×10-8Pa·m3/s,因此判斷電子束焊焊縫5為主要漏點(diǎn)。另外,低能端芯管圓弧處有一圈比較明顯的凸起,可能是造成低能端打火的主要原因[8]。
圖3 漂移管電子束焊焊縫Fig.3 Electron beam welding seam of the drift tube
用真空密封膠封堵電子束焊焊縫5,罩檢其余4條電子束焊焊縫,罩檢20 min漏率為1.0×10-10Pa·m3/s,漏率較小,確認(rèn)電子束焊焊縫5為唯一漏點(diǎn)。
2017年12#漂移管線圈出現(xiàn)漏水后,為了減小線圈泄漏對(duì)DTL1#腔真空度的影響,一直用機(jī)械泵對(duì)12#舊漂移管線圈抽真空,至今已經(jīng)過去4年多,泄漏狀態(tài)存在發(fā)生變化的可能。因此,確認(rèn)線圈具體泄漏位置前,需要對(duì)目前的線圈泄漏狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)。漂移管真空檢漏示意圖如圖4所示。將漂移管置于真空室內(nèi),安裝四極質(zhì)譜計(jì),分析真空室內(nèi)殘余氣體成分,同時(shí)連接氦質(zhì)譜檢漏儀檢漏。本底壓力4.8×10-3Pa,檢漏儀本底4.0×10-10Pa·m3/s,清零后小于4.2×10-12Pa·m3/s。漂移管線圈一端連接手動(dòng)角閥10,另一端通過手動(dòng)角閥11連接氦氣瓶。試驗(yàn)時(shí)先打開手動(dòng)角閥10,通過手動(dòng)角閥11進(jìn)氦氣約10 s,將線圈內(nèi)的空氣排空,然后關(guān)閉手動(dòng)角閥10,再進(jìn)氣約1 min,確保線圈內(nèi)充滿氦氣,并且有一定的正壓。約20 min后,氦質(zhì)譜檢漏儀顯示漏率1.8×10-7Pa·m3/s。同時(shí),RGA(殘余氣體分析儀)檢測(cè)到明顯的He峰,確認(rèn)線圈泄漏。
圖4 漂移管真空檢漏示意圖Fig.4 Schematic diagram of vacuum leak detection of drift tube
為了試驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性,需要對(duì)線圈再次通水,確認(rèn)是否漏水。線圈通水并保持0.8 MPa水壓近16 d,真空室壓力緩慢下降(由4.8×10-3Pa下降到4.1×10-4Pa),RGA也沒有檢測(cè)到H2O峰。原因可能是在線圈不通電的情況下,H2O分子很難通過環(huán)氧樹脂滲透到真空室內(nèi)。因此,加水壓檢漏時(shí)需對(duì)線圈通電。連接電源后真空室重新抽氣,加電前真空室的本底壓力為1.2×10-3Pa。RGA本底如圖5所示:本底壓力較高,18 amu∶28 amu≈1∶1,說明殘余水氣較多;28 amu∶32 amu≈4∶1,14 amu也比較明顯,說明系統(tǒng)漏氣[9],這可能與漂移管外殼電子束焊焊縫5泄漏有關(guān)。
圖5 線圈加電前真空室RGA本底Fig.5 The RGA background of the vacuum chamber before the coil is energized
線圈保持0.8 MPa的水壓,線圈電流從10 A逐漸增大到100 A,真空室壓力和RGA本底基本不變。當(dāng)線圈電流增大到150 A時(shí),線圈水溫在30~40℃之間,因此,氣體脫附對(duì)本底真空度影響不大。線圈保持電流150 A加熱10 min后,真空室壓力迅速變大,最大為1.7×10-2Pa,RGA變化曲線如圖6所示。
圖6 線圈通電后真空室RGA變化曲線Fig.6 The RGA curve during coil energized
從圖6可以看出,真空室壓力升高期間,18 amu為H2O的分子離子峰,17 amu是H2O的碎片峰,都出現(xiàn)明顯的上升,說明H2O分子已經(jīng)進(jìn)入真空室,由此可確定12#舊漂移管線圈漏水。28 amu(N2分子離子峰)、14 amu(N2碎片峰)、32 amu(O2分子離子峰)都出現(xiàn)下降,可能是H2O分子暫時(shí)起到密封作用,隔絕了空氣;12 amu(C+)、44 amu(CO2)明顯上升,32 amu(O2)明顯下降,可能是漂移管外殼打火導(dǎo)致表面碳化,殘留的C與O2發(fā)生反應(yīng),生成CO2的緣故;16 amu、15 amu可能是C與H2反應(yīng)生成CH4的緣故[10]。
為了進(jìn)一步確認(rèn)線圈的具體泄漏位置,去掉12#舊漂移管外殼,同時(shí)去掉線圈外表面的環(huán)氧樹脂,并酒精擦拭、氮?dú)獯祾咄獗砻?,結(jié)果如圖7所示。但是在拆除漂移管外殼及環(huán)氧樹脂的過程中,線圈短管焊接處焊縫破裂,同時(shí)發(fā)現(xiàn)有比較明顯的焊接缺陷,懷疑去除環(huán)氧樹脂的過程中焊縫缺陷惡化,進(jìn)而破裂,這可能是泄漏的主要原因。此外,去除環(huán)氧樹脂的過程中,線圈末端出現(xiàn)損傷,傷痕較新,是外力所致,不是泄漏的原因,重新火焰焊后,經(jīng)檢漏沒有發(fā)現(xiàn)泄漏。
圖7 12#漂移管線圈現(xiàn)狀Fig.7 Current status of the 12#drifts tube coil
由于線圈表面已經(jīng)完全去除環(huán)氧,檢漏響應(yīng)時(shí)間較快,因此將漂移管置于真空室內(nèi)檢漏。本底壓力1.34×10-4Pa,檢漏儀本底5.0×10-13Pa·m3/s。線圈通氦氣罩檢,RGA和氦質(zhì)譜檢漏儀都沒有檢測(cè)到氦氣成分增加。對(duì)線圈進(jìn)行加電試驗(yàn),線圈加電50 A,15 min內(nèi)檢漏儀漏率一直維持不變,真空室壓力緩慢增大到1.93×10-4Pa,RGA沒有發(fā)現(xiàn)He峰增加。電流加大到70 A,檢漏儀漏率緩慢增大,30 min后漏率達(dá)到 3.1×10-11Pa·m3/s,真空室壓力達(dá)到 6.35×10-4Pa,但RGA仍然未發(fā)現(xiàn)He峰增加。由此判斷漏水是線圈短管焊接處焊縫缺陷導(dǎo)致(位置如圖7箭頭所示)。
線圈加電期間,腔體內(nèi)RGA變化如圖8所示。從圖8可以看出,18 amu、17 amu最高,18 amu∶28 amu≈40,原因可能是線圈表面有殘留水分(外殼剖開后,有明顯的水漬殘留,雖然經(jīng)過氮?dú)獯祾撸强p隙中可能還有部分殘留),溫度升高導(dǎo)致材料表面的水氣脫附也是可能的原因之一;16 amu(CH4)高于28 amu(主要為CO),主要是漂移管線圈末端火焰焊接過程中產(chǎn)生了大量的C,C與H2在高溫作用下反應(yīng)生成CH4的緣故。線圈加電期間,所有質(zhì)譜峰都隨著真空室壓力增大而急劇升高,其中44 amu變化最明顯,升高近13倍,可能是線圈表面殘留的碳?xì)浠衔镌诟邷刈饔孟箩尫懦鰜淼木壒?,同時(shí),殘留的C會(huì)與O2反應(yīng)生成的CO2,也可能是導(dǎo)致44 amu升高的原因。
圖8 12#漂移管線圈加電期間RGA變化Fig.8 The RGA curve during coil energized
為確保后續(xù)漂移管備件線圈不再出現(xiàn)漏水、漏氣現(xiàn)象,需要對(duì)漂移管加工以及焊接過程中線圈、外殼的檢漏重要節(jié)點(diǎn)嚴(yán)格把關(guān)(圖9所示)。同時(shí)檢漏方法也需要升級(jí),傳統(tǒng)的噴檢、罩檢已經(jīng)不能滿足需求,需要對(duì)線圈通高壓氦氣,采用真空壓力法檢漏,同時(shí)配合RGA分析。
漂移管加工過程中,需要保證3點(diǎn):
(1)線圈焊上水管后(圖9(a)),通高壓氦氣檢漏,確保線圈澆注環(huán)氧樹脂之前不發(fā)生泄漏;
(2)盡量采用整根水管,減少非必要的焊接;
(3)漂移管外殼焊接完畢2次澆注環(huán)氧樹脂之前(圖9(b)),對(duì)外殼通高壓氦氣檢漏,確保外殼在澆筑環(huán)氧樹脂之前不發(fā)生泄漏。
圖9 漂移管檢漏重要節(jié)點(diǎn)Fig.9 Important nodes for drift tube leak detection
通過以上步驟,可以確保漂移管線圈、外殼澆注環(huán)氧樹脂前不發(fā)生泄漏,避免澆筑環(huán)氧樹脂后漂移管檢漏難的問題,同時(shí)也可以減少運(yùn)行期間漂移管出現(xiàn)漏水、漏氣的現(xiàn)象,保證加速器的正常運(yùn)行。
利用氦質(zhì)譜檢漏儀和四極質(zhì)譜計(jì)對(duì)12#舊漂移管進(jìn)行檢漏和質(zhì)譜分析,首先確定了漂移管外殼的漏點(diǎn)位置;通過線圈加電同時(shí)打水壓的方法確認(rèn)線圈漏水;剖開漂移管外殼后檢漏,確定了線圈的漏點(diǎn)位置為水管火焰焊接處;最后,根據(jù)漂移管的檢漏結(jié)果,對(duì)后續(xù)漂移管備件的加工、焊接和檢漏提出了建議,以避免再次出現(xiàn)漂移管泄漏問題。