中國散裂中子源(CSNS)將提供能量為1.6GeV、功率為100kW 的短脈沖質(zhì)子束，以25Hz 的重復頻率撞擊固體金屬靶，產(chǎn)生散裂中子。散裂中子源是一個多學科平臺，可以進行物理、化學、生物學和材料科學研究。本文描述了CSNS 真空系統(tǒng)各個部分的結(jié)構(gòu)特點、技術(shù)要求、設計方案和實驗結(jié)果。通過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的研制。經(jīng)過測試，陶瓷真空盒樣機的機械尺寸、抗拉強度和真空性能達到了設計指標。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，通過小樣品測試了氮化鈦膜的厚度、成分、二次電子發(fā)射系數(shù)和附著強度。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認為目前，CSNS 真空系統(tǒng)大部分設備和部件已投入批量生產(chǎn)，2014 年10 月中旬開始安裝，2018 年CSNS 達到國家驗收指標。

1、引言

　　中國散裂中子源(CSNS) 將提供能量為1.6GeV、功率為100kW 的短脈沖質(zhì)子束，以25Hz的重復頻率撞擊固體金屬靶，產(chǎn)生散裂中子。散裂中子源是一個多學科平臺，可以進行物理、化學、生物學和材料科學研究。CSNS 的建成，將成為發(fā)展中國家擁有的第一臺散裂中子源，并進入世界四大散裂中子源行列。CSNS 由產(chǎn)生能量為80MeV 的負氫離子直線加速器、直線到環(huán)(LRBT)和環(huán)到靶(RTBT)的束流輸運線、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)生的負氫離子(H-)束流，通過射頻四極加速器(RFQ)聚束和加速后，由漂移管直線加速器(DTL)把束流能量進一步提高，負氫離子經(jīng)剝離注入到一臺快循環(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)過輸運線打向鎢靶，在靶上產(chǎn)生的散裂中子經(jīng)慢化，再通過中子導管引向譜儀，供用戶開展實驗研究。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)段工作壓強為：

2、H-離子直線加速器

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

　　2.1、離子源和低能傳輸線(IS & LEBT)

　　離子源是加速器粒子的產(chǎn)生裝置，CSNS 選用加銫的負氫表面源- 潘寧離子源。為了保證負氫離子(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，在離子源電磁場作用下將產(chǎn)生20mA 的H- 離子流。負氫離子從小孔引出，為了減小H- 束流在真空中的剝離損失，動態(tài)真空度需要在2×10^-3 Pa 左右。為了達到需要的真空度，離子源用二臺2000L/s 的分子泵抽氣，每臺分子泵配備一臺8L/s 的渦旋泵，動態(tài)真空可達到2.5×10^-3 Pa，滿足工作要求。圖2 為離子源真空抽氣系統(tǒng)。

　　低能傳輸線將離子源引出的束流匹配到下游的RFQ 中，長度只有1.68m。LEBT 真空管道的材料為304 不銹鋼，經(jīng)過真空預處理后其表面放氣量很小，因此它的氣源主要來自離子源中的氫氣。LEBT 束流管道孔徑較小，配備一臺800L/s 的分子泵機組，可以通過差分方法來減小離子源氫氣對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(MEBT)

　　射頻四極加速器用來對束流進行聚焦、聚束和加速，有效控制束流發(fā)射度增長和提高束流能量。它的加工精度要求高，焊縫多，調(diào)場復雜。RFQ 腔體的材料為無氧銅，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 的每個面上都有CF150 法蘭抽氣孔，四個抽氣孔并聯(lián)在一起，用離子泵和分子泵同時抽氣。RFQ 腔總長3.62m， 采用3 臺1000L/s 的離子泵和2 臺500L/s 的分子泵機組同時抽氣，分子泵與RFQ 腔體通過氣動插板閥隔開，以便于聯(lián)鎖保護。通過上述抽氣結(jié)構(gòu)，工作壓強可小于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(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)束流的包絡和磁鐵的內(nèi)徑，采用變口徑的真空盒。該段上的兩個聚束腔由二臺200L/s 的離子排氣，在束流測量設備上加裝了二臺100L/s 的離子泵。

　　2.3、漂移管直線加速器(DTL)

　　漂移管直線加速器加速效率高，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。DTL 由四個獨立的物理腔組成，每個物理腔包含3 個工藝腔，全長約為34m，腔直徑為φ490mm。DTL 腔使用的基材為20# 鋼，為了有一個高的電導率，腔的內(nèi)表面電鑄銅，并進行機械拋光。DTL 腔軸上懸掛著162 個外徑為φ140mm，束流孔內(nèi)徑為φ13mm 的漂移管，圖5為DTL 內(nèi)部結(jié)構(gòu)。為了達到動態(tài)真空度小于1×10^-5 Pa的要求，每個工藝腔安裝二臺1000L/s 的離子泵，每套物理腔配置二套500L/s 的分子泵機組。

圖5 DTL 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3、結(jié)論

　　在CSNS 真空系統(tǒng)的研制中采用對氫氣抽速大的渦輪分子泵排除負氫離子源的高負載氫氣;由于RFQ 腔體流導非常受限，在RFQ 的每個面上都開抽氣孔，四個抽氣孔并聯(lián)在一起，用離子泵和分子泵同時抽氣。DTL 腔內(nèi)表面積大，放氣率高，通過機械拋光、表面清洗和烘烤等方式降低放氣率。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認為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，機械強度要求高，陶瓷管之間以及陶瓷管和金屬法蘭之間焊接工藝復雜。經(jīng)過不斷摸索，改進工藝，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的研制。經(jīng)過測試，陶瓷真空盒樣機的機械尺寸、抗拉強度和真空性能達到了設計指標。陶瓷真空盒樣機鍍膜采用了管道外壁構(gòu)建屏蔽筒的辦法形成均勻電場，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)過對陶瓷真空盒鍍膜樣品測試，氮化鈦膜的厚度、成分和附著力滿足設計要求。