中国散裂中子源漂移管磁铁线圈研制.pdf

576Jun.2023Nuclear Science and)Engineering2023年6 月No.3Vol.43第3 期第43卷工程核科学与中国散裂中子源漂移管磁铁线圈研制李波1,2刘华昌1,2，吴小磊12，巩克云，李阿红1,2，陈强1,2，王云1,2（1.中国科学院高能物理研究所，北京10 0 0 49；2.散裂中子源科学中心，广东东莞52 38 0 3）摘要：中国散裂中子源（China SpallationNeutron Source，CSNS）漂移管直线加速器（Drift TubeLinac，D T L）负责把H-离子束从3MeV加速到8 0 MeV，其工作频率为32 4MHz，包含16 1台电四极磁铁漂移管，漂移管外径140 mm，体积小、结构复杂紧。受空间限制，漂移管内电四极磁铁线圈采用先进的SAKAE结构，在一整块无氧铜上初步加工并通过电铸、线切割等工艺完成研制，线圈外径8 2 mm，内径37 mm，每极3.5匝，该线圈具有体积小、易冷却、励磁电流大等优点，在国内首次研制使用。本文对SAKAE线圈的研制方法进行了研究，并给出了磁铁的测试结果及线圈在高电流下的发热测试与分析。关键词：漂移管；电四极磁铁；SAKAE；电铸；线切割中图分类号：TL503.8文章标志码：A文章编号：0 2 58-0 9 18（2 0 2 3）0 3-0 57 6-0 5Development of the Drift Tube Magnet Coil forChina Spallation Neutron SourceLI Bol2,LIU Huachangl2,WU Xiaoleil.2,GONG Keyun?,LI Ahongl2,CHEN Qiangl,2,WANG Yunl,2(1.Institute of High Energy Physics Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China;2.Spallation Neutron Source Science Center,Dongguan of Guangdong Prov.523803,China)Abstract:A 324 MHz Alvarez-type drift tube linac(DTL)is used to accelerate the H-ion beamfrom 3 to 80 MeV for China Spallation Neutron Source(CSNS),DTL contains 161 electricquadrupole magnet drift tubes with outer diameter of 140 mm,small volume,complex andcompact structure.Due to space constraints,the quadrupole magnet coil in the drift tube adoptsthe advanced SAKAE structure,it is preliminarily processed on a whole piece of oxygen freecopper and developed through electroforming,wire cutting and other processes.The outerdiameter of the coil is 82 mm,the inner diameter is 37 mm,and each pole has 3.5 turns.The收稿日期：2 0 2 2-0 5-2 6基金项目：广东省基础与应用基础研究基金（2 0 2 0 A1515110579）项目资助作者简介：李波（19 8 6 一），男，安徽蚌埠人，工程师，硕士研究生，现从事加速器高频加速结构方面研究577coil has the advantages of small volume,easy cooling and large excitation current,it isdeveloped and used for the first time in China.In this paper,the development method ofSAKAE coil is studied,the magnetic test and the heating test and analysis of the coil underhigh current are given.Key words:Drift tube;Electric quadrupole magnet;SAKAE;Electroform;Wire-electrodecutting中国散裂中子源（China Spallation NeutronSource，CSNS）漂移管直线加速器（Drift TubeLinac,DTL）全长约 36 m，工作频率 32 4 MHz,负责把射频四极子加速器（Radio FrequencyQuadrupole，R FQ）出来的 3 MeV 的 H-离子加速到 8 0 MeVl1,2。D T L 主要由 4 台腔、16 1 台漂移管及耦合、调谐结构构成，其中漂移管结构复杂紧凑，体积小，外径140 mm，漂移管内包含一台小尺寸电四极磁铁3。由于漂移管内部空间的限制，漂移管四极磁铁线圈无法采用常规的绕制工艺，而是采用先进的SAKAE结构，在国内首次研制使用。SAKAE线圈是通过在一整块无氧铜上初步加工成型，然后通过电铸、线切割等工艺完成制造，线圈内有冷却水道4。这种线圈体积小、易冷却，励磁电流高等优点。CSNS与高能锐新公司联合研制该线圈近两百台，目前在线运行良好。1DTL漂移管结构及磁铁线圈DTL直线加速器采用经典的Alvarez结构工作频率324MHz，深漂移管体积小，外径140mm，结构复杂紧凑，如图1所示。图1（a）是漂移管的三维结构图，外壳采用全无氧铜电子束焊接成型5，壳内有冷却外壳的水套环，四极磁铁安装在水冷套环内，要求磁铁体积小，梯度高，励磁电流大，具体参数如表1所示。表1磁铁线圈设计参数Table 1 Design parameters of the magnet coil磁铁参量值磁铁参量值电流/A570冷却流量/(Lm-1）1最大梯度/55压差/(kgcm-2)5(Tm-)有效长度/mm40流速/(ms-l)2.42好场区/mm14线圈阻值/m2.4高阶场3.010-3线圈温升/10.4如此小体积的磁铁，其磁铁线圈无法采用常规的绕线工艺，只能采用SAKAE结构，如图1（b）所示。线圈的尺寸如图1（c）所示，整体外径8 2.2 mm，内径37.4mm，每极3.5匝5mm5mm导线，导线内水道是2.5mm3 mm 和 2.5 mm 两种6-7 。455.88-02.5通孔28-R32.8R38.6角R41.1水槽槽深3mm(a）漂移管结构(b）磁铁线圈(c）线圈尺寸图1漂移管及磁铁线圈结构图Fig.1The structure of the drift tube and electric-magnet quadrupole5782磁铁线圈的加工SAKAE线圈体积小，加工精度要求高，工艺极其复杂，加工包括车、铣、钻、电铸、线切、焊接等步骤。首先在一整块无氧铜料上初步加工成型，如图2 所示，先铣出磁铁极头空间，然后钻出 2.5mm的线圈纵向水道，再在端面上铣出横向2.5mm3mm的水槽。图2 SAKAE线圈初步加工Fig.2Preliminary machining of the SAKAE coil线圈初步成型后，进入电铸环节。用蜡填满所有的水道，线圈除端面外其他表面用绝缘介质包裹，端面电铸厚度约1.3mm，采用周期反向电铸8，保证铸层的质量，电铸完成的线圈如图3所示。另外，考虑到电铸的复杂昂贵和用酸的污染，新工艺钎焊有可能取代电铸工艺，在端面水槽的两侧开出焊料槽，焊接1mm厚的端板，钎焊工艺简单环保，但强度还要进一步实验研究，目前清华大学和上海克林公司正在做相关工艺在实验研究。图3线圈电铸Fig.3Electroformofthecoil电铸端面完成后，进行修整和线切割9 ，如图4所示，（a）是电镀后的修整，加工掉多余的厚度及其他瑕疵；（b）是线切割出分离的导线，导线的尺寸为5mm5mm；（c）为完成切割的线圈，然后（d）进行水管的焊接，完成全部加工。(a）电铸后加工(b)线切割(c）线圈完成加工(d)焊接水管图4线圈线切割成形Fig.4Wire-electrode cutting of the coil线圈完成加工后，进行真空检漏，要求漏率小于1.0 10-10 mbarL/s，水压测试，0.5MPa压力，冷却水流量大于1L/min，匝间无短路，满足要求的线圈用于四极磁铁的装配。3磁铁励磁测量及热测试3.1霍尔测量四极磁铁在完成组装后，进行霍尔点测，如图5所示，霍尔测量内容包括磁场的纵向和横向分布，磁中心偏差，励磁曲线，计算磁铁的有效长度、磁场梯度和积分场10 。漂移管选择电四极磁铁的优势是磁场梯度可调，有利于调束11，磁铁的励磁情况十分重要。图6 是磁铁测量的励磁曲线，磁场在高电流时出现了一定的饱和状态，梯度跌落到9 5%对应7 8 0 A，跌落到9 0%对应900A。对于CSNS一期，漂移管直线加速器四极磁铁最大励磁电流52 0 A，完全工作在线性范围内，容易找到磁铁的工作点，对于二期，漂移管直线加速器四极磁铁最大励磁电流提高到了810A12，有四台磁铁工作在非线性区，需要精密的测量点协助确定磁铁工作点。另外，电流的提高带来了近2.5倍的线圈发热，线圈热分析十分重要。579图5磁铁霍尔点测Fig.5Hall measurement908070(_u L)/纤60201000100 2003004005006007008009001000磁铁励磁电流/A图6磁铁的励磁曲线Fig.6The excitation curve3.2线圈热测试分析在最高工作电流值8 10 A下对磁铁进行了烤机，冷却进水压力0.7 MPa，流量1.2 L/min。用红外成像仪检测线圈的温度，如图7 所示，入水口温度最低为32，出水口温度最高为48.8，线圈自身温升 16.8，与理论计算18.7基本一致。对于2 3的冷却水，线圈工作温度小于50，满足磁铁稳定运行要求。最大值-48 8平均值-45.7最小值-41.6最大值-38.6平均值33.3最小值-32.0图7 热热成像仪测量线圈温升Fig.7The temperature rise of the coil measured with thethermal imager线圈温度是沿着冷却水逐渐升高的，导致磁铁极头工作在不均匀非对称的温度环境下，产生不对称的形变，极头的形变会使磁铁磁中心相对机械中心发生偏移。通过ANSYS软件仿真模拟13（见图8），发现四个极头相对形变小于3m，由线圈温升引起的磁中心位置偏移量小于1.5m,这与实际测量磁中心偏移量2 m是相吻合的，线圈温升对磁铁几乎没有影响。C:StaticStructuralTetal DefermationANSYSType:Total DefermationR18.0Unit:mTime:12022-4-2514:252.184610Max1.94191051.699110-51.45641051.21371059.7093107.28210-64.854710-62.42731062.044010-5OMin1.9692101.689410-1.759610-3X0.0000.0150.0300.0450.060(m)图：磁极形变Fig.8Deformation of the magnet pole5804结论漂移管直线加速器是强流质子加速器低能段的主要选择，中国散裂中子源DTL工作频率低，漂移管采用电四极磁铁，工作梯度高，磁铁线圈要求尺寸小、冷却好。国内首次完成SAKAE四极磁铁线圈的研制，掌握了线圈的研制工艺，线圈满足使用要求，长期在线运行良好。致谢感谢北京高能锐新科技有限责任公司在线圈机加工上的工作。参考文献：1 Wang Sheng,Fang Shouxian,Fu Shinian,et al.Introductionto the over all physics design of CSNS accelerators J.ChinesePhysics C,2009,33（s 2):1-3.2Wei Jie,Fu Shinian,Tang Jingyu,et al.China SpallationNeutron Source-An over view of application prospects J.Chinese Physics C,2009,33（11):10 33-10 42.3刘华昌，彭军，巩克云，等.中国散裂中子源漂移管直线加速器研制进展J.原子能科学技术，2 0 15，49（增刊)：556-559.4 Yoshino K,Takasaki E,Naito F,et al.Development of a DTLquadrupole magnet with a new electroformed hollow coilfor the JAERI/KEK joint project CJ.Proceedings of XXInternational LinacConference,2000,TUD10:569-571.5Sexton I,Cherif A,Cuvet Y,et al,The Drift Tube WeldingAssembly for the Linac4 Drift Tube Linac at CERN C.Proceedings ofLINAC.2014:929-931.6Yin Xuejun,Gong Keyun,Peng Jun,et al.The R&D statusof DTL for CSNSJ.SCIENCE CHINA in Physics,Mechanics&Astronomy.2011,54（Su p p 1):s 2 55-s 2 59.7孙献静.DTL四极磁铁的初步设计R.北京：中国科学院高能物理研究所，2 0 11：5-6.8Tajiri，K.Co n t r o l l a b l e Co p p e r El e c t r o f o r m i n g f o rMechanical Properties from Acid Copper Sulfate Bath C.Abstracts of the 195th Meeting of the ElectrochemicalSociety,Seattle,WA,2-6May1999.9Ino,H.,Tajiri,K.,Kabeya,Z.，e t a l.（2 0 0 0)A d v a n c e dCopper Lining for Accelerator Components C.Proceedings ofthe 25th Linear Accelerator Meeting,Monterey,CA,21-25August2000:308-310.10张卓，陈沅，杨向臣，等中国加速器驱动次临界系统常规磁铁的磁场测量J.原子能科学技术，2 0 15，49(增）：48 8-49 1.11 Liu H C,Peng J,Gong K Y,et al.The design and constructionof CSNS drift tube linac J.Nuclear Instruments andMethodin Physics Research,2018,A911:131-137.12李阿红.CSNS-IIDTL漂移管线圈分析R.东莞：散裂中子源科学中心，2 0 2 2：4-6.13 浦广益.ANSYSWorkbench12基础教程与实例详解M北京：中国水利水电出版社，2 0 10：117-12.