看见10^-13cm的世界！一文了解大科学装置散裂中子源中的真空系统-家维网「半小时极速上门」

看见10^-13cm的世界！一文了解大科学装置散裂中子源中的真空系统

在广东东莞郁郁葱葱的荔枝林里，坐落着一座世界级的“中子观测站”。它就是我国迄今为止已建成单项投资规模最大的大科学装置——中国散裂中子源（CSNS）。

大科学装置是国家科技基础条件平台的重要组成部分，它是指通过较大规模投入和工程建设来完成，建成后通过长期的稳定运行和持续的科学技术活动，实现重要科学技术目标的大型设施。像我们所熟知的天眼（FAST）、上海光源、高能同步辐射光源（HEPS）都属于大科学装置。

有人会问，我们为什么要建设散裂中子源这样的大科学装置呢？这要从物理学的历史进程说起。

过去的100年来，物理学经过了三次大跨越。在物质结构研究上，我们发现原子是由电子和原子核组成的，原子核是由质子和中子组成的。上世纪六七十年代，科学家又发现质子和中子不是物质结构的最终单元，它们都是由更小的粒子——夸克所构成的。

▲ 图片来源：我是科学家

为了研究物质结构的三次大跨越，就需要建设非常大的加速器。因为被研究的物质结构越来越小时，需要越来越高的能量去分解物质。大科学装置够获得高能量粒子，去研究微观世界，找到构成物质的最小单元，并研究它相互作用的规律。

▲ 大科学装置散裂中子源（左）

和高能同步辐射光源（右）

有可能看到物质更清晰的结构

和X射线一样，中子具有穿透性，但X射线的穿透深度有限，无法穿透大多数金属。中子则不存在这一限制，它可以“看见”东西的内部结构。

但研究物质微观结构，所需要的中子量非常庞大，此前，科学家利用反应堆产生中子，但这种方法连续产生的中子强度受热量移除限制接近极限。为此，科学家设计了新的产生中子的装置——散裂中子源。

那么，散裂中子源的原理是什么呢？

散裂中子源是利用强流质子加速器加速质子轰击重金属靶产生中子的装置。简而言之，质子经过直线加速器和环形加速器的不断加速，轰击在重金属靶上，激发出高速的中子束，然后经过慢化处理，通过中子导管进入到不同的实验区（谱仪），以此观测物质内部结构。

▲ 散裂的原理就是用质子去打靶，

把重金属的质子和中子打出来，

再把中子收集起来

▲ 散裂中子源工作原理示意

中国散裂中子源（CSNS）将提供能量为1.6GeV、功率为100kW 的短脉冲质子束，以25Hz的重复频率撞击固体金属靶，产生散裂中子。具体如下：

CSNS由产生能量为80MeV的负氢离子直线加速器、直线到环（LRBT）和环到靶（RTBT）的束流输运线、以及积累和加速质子束到1.6GeV的快循环同步环（RCS）组成。离子源（IS）产生的负氢离子（H-）束流，通过射频四极加速器（RFQ）聚束和加速后，由漂移管直线加速器（DTL）把束流能量进一步提高，负氢离子经剥离注入到一台快循环同步加速器（RCS）中，把质子束流加速到最后能量1.6GeV。从环引出的功率为100kW质子束流经过输运线打向钨靶，在靶上产生的散裂中子经慢化，再通过中子导管引向谱仪，供用户开展实验研究。

▲ CSNS总体布局图

中国散裂中子源的建成使得我国成为继英国、美国、日本之后，世界上第四个拥有散裂中子源的国家。

CSNS与真空技术

CSNS大科学装置的建造涉及众多学科，其中真空技术成为最重要的基础学科之一。下面我们根据CSNS各区段划分，系统的说明真空系统在该装置中发挥的重要作用。

根据CSNS物理需求，真空系统各区段工作压强分别为：

◆ IS和LEBT：2.0×10-3 Pa

◆ RFQ和MEBT：1.0×10-5 Pa

◆ DTL：1.0×10-5 Pa

◆ LRBT & RTBT：1.0×10-5 Pa

◆ RCS：5.0×10-6 Pa

▲ CSNS部分区域：直线加速器（上）

快循环同步加速器（中）及谱仪（下）

❶ 离子源和低能传输线（IS & LEBT）

离子源是加速器粒子的产生装置，CSNS选用加铯的负氢表面源-潘宁离子源。为了保证负氢离子（H-）束流的稳定产生，采用压电阀以25Hz的频率向离子源腔内注入10sccm（1.69×10-2Pa.m3/s）氢气，在离子源电磁场作用下将产生20mA的H-离子流。负氢离子从小孔引出，为了减小H-束流在真空中的剥离损失，动态真空度需要在2×10-3Pa左右。为了达到需要的真空度，离子源用二台2000L/s的分子泵抽气，每台分子泵配备一台8L/s的涡旋泵，动态真空可达到2.5×10-3 Pa。

▲ 离子源真空抽气系统

低能传输线将离子源引出的束流匹配到下游的RFQ中，长度只有1.68m。LEBT真空管道的材料为304不锈钢，经过真空预处理后其表面放气量很小，因此它的气源主要来自离子源中的氢气。LEBT束流管道孔径较小，配备一台800L/s 的分子泵机组，可以通过差分方法来减小离子源氢气对RFQ 真空系统的影响。

❷ 射频四极加速器（RFQ）和中能束流传输线（MEBT）

射频四极加速器用来对束流进行聚焦、聚束和加速，有效控制束流发射度增长和提高束流能量。它的加工精度要求高，焊缝多，调场复杂。RFQ腔体的材料为无氧铜，平均直径约350mm，由于腔体内特殊的四翼电极结构，流导非常受限。为了获得有效抽速，在RFQ的每个面上都有CF150法兰抽气孔，四个抽气孔并联在一起，用离子泵和分子泵同时抽气。采用3台1000L/s的离子泵和2台500L/s 的分子泵机组同时抽气，工作压强可小于1×10-5Pa。

▲ RFQ腔体内部结构

▲ RFQ抽气系统

中能束流传输线（MEBT）的功能是匹配束流到下一段加速器中，以减少束流损失。它由聚束腔、束流测量元件和真空部件等组成。MEBT真空管用不锈钢加工而成，全长3.03m，真空室内径基本为50mm，在特殊部位可根据束流的包络和磁铁的内径，采用变口径的真空盒。该段上的两个聚束腔由二台200L/s的离子排气，在束流测量设备上加装了二台100L/s的离子泵。

❸ 漂移管直线加速器（DTL）

漂移管直线加速器加速效率高，漂移管中的四极透镜可为束流提供很好的聚焦，有效控制束流发射度增长。DTL由四个独立的物理腔组成，每个物理腔包含3个工艺腔，全长约为34m，腔直径为φ490mm。为了达到动态真空度小于1×10-5 Pa的要求，每个工艺腔安装二台1000L/s的离子泵，每套物理腔配置二套500L/s的分子泵机组。

▲ DTL内部结构

❹ LRBT

LRBT输运线主线长约197 m，其主要任务是传输经过直线加速器（LINAC）预加速的束流到RCS注入剥离膜。另有通向三个废束站的分支输运线（LDBT），总长约42m。LRBT通过9个全金属气动插板阀分成9个区段，每个区段都配备相应的粗抽阀门和放气阀门，真空测量采用冷阴极真空规，同时部分区段还配有残余气体分析仪，以监测系统的运行情况。各个区段相互独立，当某一区段暴露大气或真空变差时可以手动或自动关闭这一区段阀门，以免其他区段受到影响。LRBT平均每6m 安装1台100L/s的离子泵，假定热为出气率1.33×10-11Pa.m3/s.cm2，用欧洲核子中心（CERN）开发的一个程序进行计算，得到5个区段的压强分布曲线，平均压力为5×10-6Pa。

▲ LRBT压强分布

❺ RTBT

RTBT输运线主线（从RCS引出束流到散裂靶窗）长约145m，其主要任务是传输从RCS环引出的高功率质子束流到靶站。另有一条通向废束站的分支输运线（RDBT），总长约37m。RTBT真空盒内径主要为168mm。RTBT共有6个全金属气动插板阀，把真空系统分成6个独立的区段。在靠近散裂靶的前25m处安装了DN200 快阀，一旦质子束流窗或用于远距离拆卸的充气波纹管密封装置漏气，可在40ms内关闭快阀，以免其他区段暴露大气。由于接近束流窗的前25m属于高放射区，工作人员无法接近，此区段在屏蔽墙内不安装真空获得和测量设备，整个区段用一台1000L/s的分子泵在屏蔽墙外排气。其他区段平均每6m安装1台200L/s离子泵，平均压强可达到8×10-6Pa。

❻ 快循环同步环（RCS）

快循环同步加速器接受来自直线加速器的负氢离子，通过剥离膜转换为质子。首先，质子在RCS环中累积束流，以提高脉冲流强；然后质子被加速，能量由80MeV逐步提升到1.6GeV；最后，从环中引出高能量质子束流。

RCS全长约228m，通过8个全金属插板阀分成8个区段。每个区段配有预抽阀门和放气阀门，利用可移动分子泵机组预抽真空，对于长的区段用3台分子泵机组同时抽气。真空测量同样采用冷阴极真空规，部分区段配有残余气体分析仪，以监测系统的运行情况。RCS共安装了41台300～1000L/s离子泵，平均压力优于5×10-6Pa。

由于RCS中的二极、四极磁铁磁场快速变化，在二极磁铁和四极磁铁中的真空盒必须能够限制外界快速变化磁场在本身产生的涡旋电流，以免造成巨大的热损耗和磁场干扰。这些真空盒不适合用不锈钢、铝合金和无氧铜等金属材料制成，而由等静压成型的氧化铝陶瓷真空盒有高的强度、好的抗辐射能力和真空性能，对RCS二极磁铁和四极磁铁的真空盒来说是一个好的选择。

中国科学院高能物理研究所通过金属化法和玻璃粘结法分别完成了四极陶瓷真空盒和二极陶瓷真空盒样机的研制。经过测试，陶瓷真空盒样机的机械尺寸、抗拉强度和真空性能达到了设计指标。