中國散裂中子源漂移管磁鐵線圈研制

李　波　劉華昌，吳小磊，鞏克云，李阿紅，陳　強，王　云

中國散裂中子源漂移管磁鐵線圈研制

李波1,2劉華昌1,2，吳小磊1,2，鞏克云2，李阿紅1,2，陳強1,2，王云1,2

（1. 中國科學院高能物理研究所，北京 100049；2. 散裂中子源科學中心，廣東 東莞 523803）

中國散裂中子源（China Spallation Neutron Source，CSNS）漂移管直線加速器（Drift Tube Linac，DTL）負責把H-離子束從3 MeV加速到80 MeV，其工作頻率為324 MHz，包含161臺電四極磁鐵漂移管，漂移管外徑140 mm，體積小、結構復雜緊湊。受空間限制，漂移管內電四極磁鐵線圈采用先進的SAKAE結構，在一整塊無氧銅上初步加工并通過電鑄、線切割等工藝完成研制，線圈外徑82 mm，內徑37 mm，每極3.5匝，該線圈具有體積小、易冷卻、勵磁電流大等優點，在國內首次研制使用。本文對SAKAE線圈的研制方法進行了研究，并給出了磁鐵的測試結果及線圈在高電流下的發熱測試與分析。

漂移管；電四極磁鐵；SAKAE；電鑄；線切割

中國散裂中子源（China Spallation Neutron Source，CSNS）漂移管直線加速器（Drift Tube Linac，DTL）全長約36 m，工作頻率324 MHz，負責把射頻四極子加速器（Radio Frequency Quadrupole，RFQ）出來的3 MeV的H-離子加速到80 MeV[1,2]。DTL主要由4臺腔、161臺漂移管及耦合、調諧結構構成，其中漂移管結構復雜緊湊，體積小，外徑140 mm，漂移管內包含一臺小尺寸電四極磁鐵[3]。由于漂移管內部空間的限制，漂移管四極磁鐵線圈無法采用常規的繞制工藝，而是采用先進的SAKAE結構，在國內首次研制使用。SAKAE線圈是通過在一整塊無氧銅上初步加工成型，然后通過電鑄、線切割等工藝完成制造，線圈內有冷卻水道[4]。這種線圈體積小、易冷卻，勵磁電流高等優點。CSNS與高能銳新公司聯合研制該線圈近兩百臺，目前在線運行良好。

1　DTL漂移管結構及磁鐵線圈

DTL直線加速器采用經典的Alvarez結構工作頻率324 MHz，漂移管體積小，外徑140 mm，結構復雜緊湊，如圖1所示。圖1（a）是漂移管的三維結構圖，外殼采用全無氧銅電子束焊接成型[5]，殼內有冷卻外殼的水套環，四極磁鐵安裝在水冷套環內，要求磁鐵體積小，梯度高，勵磁電流大，具體參數如表1所示。

表1　磁鐵線圈設計參數

如此小體積的磁鐵，其磁鐵線圈無法采用常規的繞線工藝，只能采用SAKAE結構，如圖1（b）所示。線圈的尺寸如圖1（c）所示，整體外徑82.2 mm，內徑37.4 mm，每極3.5匝5 mm×5 mm導線，導線內水道是2.5 mm×3 mm和2.5 mm兩種[6-7]。

圖1　漂移管及磁鐵線圈結構圖

2　磁鐵線圈的加工

SAKAE線圈體積小，加工精度要求高，工藝極其復雜，加工包括車、銑、鉆、電鑄、線切、焊接等步驟。首先在一整塊無氧銅料上初步加工成型，如圖2所示，先銑出磁鐵極頭空間，然后鉆出2.5 mm的線圈縱向水道，再在端面上銑出橫向2.5 mm×3 mm的水槽。

圖2　SAKAE線圈初步加工

線圈初步成型后，進入電鑄環節。用蠟填滿所有的水道，線圈除端面外其他表面用絕緣介質包裹，端面電鑄厚度約1.3 mm，采用周期反向電鑄[8]，保證鑄層的質量，電鑄完成的線圈如圖3所示。另外，考慮到電鑄的復雜昂貴和用酸的污染，新工藝釬焊有可能取代電鑄工藝，在端面水槽的兩側開出焊料槽，焊接1 mm厚的端板，釬焊工藝簡單環保，但強度還要進一步實驗研究，目前清華大學和上海克林公司正在做相關工藝在實驗研究。

圖3　線圈電鑄

電鑄端面完成后，進行修整和線切割[9]，如圖4所示，（a）是電鍍后的修整，加工掉多余的厚度及其他瑕疵；（b）是線切割出分離的導線，導線的尺寸為5 mm×5 mm；（c）為完成切割的線圈，然后（d）進行水管的焊接，完成全部加工。

圖4　線圈線切割成形

線圈完成加工后，進行真空檢漏，要求漏率小于1.0×10-10mbar·L/s，水壓測試，0.5 MPa壓力，冷卻水流量大于1 L/min，匝間無短路，滿足要求的線圈用于四極磁鐵的裝配。

3　磁鐵勵磁測量及熱測試

3.1　霍爾測量

四極磁鐵在完成組裝后，進行霍爾點測，如圖5所示，霍爾測量內容包括磁場的縱向和橫向分布，磁中心偏差，勵磁曲線，計算磁鐵的有效長度、磁場梯度和積分場[10]。漂移管選擇電四極磁鐵的優勢是磁場梯度可調，有利于調束[11]，磁鐵的勵磁情況十分重要。圖6是磁鐵測量的勵磁曲線，磁場在高電流時出現了一定的飽和狀態，梯度跌落到95%對應780 A，跌落到90%對應900 A。對于CSNS一期，漂移管直線加速器四極磁鐵最大勵磁電流520 A，完全工作在線性范圍內，容易找到磁鐵的工作點，對于二期，漂移管直線加速器四極磁鐵最大勵磁電流提高到了810 A[12]，有四臺磁鐵工作在非線性區，需要精密的測量點協助確定磁鐵工作點。另外，電流的提高帶來了近2.5倍的線圈發熱，線圈熱分析十分重要。

圖5　磁鐵霍爾點測

圖6　磁鐵的勵磁曲線

3.2　線圈熱測試分析

在最高工作電流值810 A下對磁鐵進行了烤機，冷卻進水壓力0.7 MPa，流量1.2 L/min。用紅外成像儀檢測線圈的溫度，如圖7所示，入水口溫度最低為32 ℃，出水口溫度最高為 48.8 ℃，線圈自身溫升16.8 ℃，與理論計算18.7 ℃基本一致。對于23 ℃的冷卻水，線圈工作溫度小于50 ℃，滿足磁鐵穩定運行要求。

圖7　熱成像儀測量線圈溫升

線圈溫度是沿著冷卻水逐漸升高的，導致磁鐵極頭工作在不均勻非對稱的溫度環境下，產生不對稱的形變，極頭的形變會使磁鐵磁中心相對機械中心發生偏移。通過ANSYS軟件仿真模擬[13]（見圖8），發現四個極頭相對形變小于3mm，由線圈溫升引起的磁中心位置偏移量小于1.5mm，這與實際測量磁中心偏移量2mm是相吻合的，線圈溫升對磁鐵幾乎沒有影響。

4　結論

漂移管直線加速器是強流質子加速器低能段的主要選擇，中國散裂中子源DTL工作頻率低，漂移管采用電四極磁鐵，工作梯度高，磁鐵線圈要求尺寸小、冷卻好。國內首次完成SAKAE四極磁鐵線圈的研制，掌握了線圈的研制工藝，線圈滿足使用要求，長期在線運行良好。

致謝

感謝北京高能銳新科技有限責任公司在線圈機加工上的工作。

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Development of the Drift Tube Magnet Coil for China Spallation Neutron Source

LI Bo1,2，LIU Huachang1,2，WU Xiaolei1,2，GONG Keyun2，LI Ahong1,2，CHEN Qiang1,2，WANG Yun1,2

（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）

A 324 MHz Alvarez-type drift tube linac (DTL) is used to accelerate the H-ion beam from 3 to 80 MeV for China Spallation Neutron Source (CSNS), DTL contains 161 electric quadrupole magnet drift tubes with outer diameter of 140 mm, small volume, complex and compact structure. Due to space constraints, the quadrupole magnet coil in the drift tube adopts the advanced SAKAE structure, it is preliminarily processed on a whole piece of oxygen free copper and developed through electroforming, wire cutting and other processes. The outer diameter of the coil is 82 mm, the inner diameter is 37 mm, and each pole has 3.5 turns. The coil has the advantages of small volume, easy cooling and large excitation current, it is developed and used for the first time in China. In this paper, the development method of SAKAE coil is studied, the magnetic test and the heating test and analysis of the coil under high current are given.

Drift tube; Electric quadrupole magnet; SAKAE; Electroform; Wire-electrode cutting

TL503.8

A

0258-0918（2023）03-0576-05

2022-05-26

廣東省基礎與應用基礎研究基金（2020A1515110579）項目資助

李波（1986—），男，安徽蚌埠人，工程師，碩士研究生，現從事加速器高頻加速結構方面研究