CSNS/RCS陶瓷真空盒热特性及振动研究

余洁冰，王广源，康 玲，黄 涛，邓昌东，陈佳鑫，张俊嵩，刘仁洪，王安鑫，聂小军，刘 磊，宁常军

(1.中国科学院 高能物理研究所，北京 100049；2.散裂中子源科学中心，广东 东莞 523803)

中国散裂中子源(CSNS)快循环同步加速器(RCS)注入束流能量为80 MeV，引出束流能量为1.6 GeV，束流功率为100 kW[1-2]。RCS中的二极、四极磁铁采用带直流偏置的25 Hz交变电流激磁，通电状态下磁铁内部存在严重的涡流效应，要求真空盒的材料必须能限制磁场在其内部产生的涡旋电流，避免造成巨大的热损耗和磁场干扰，因此，不适合选用不锈钢、铝合金和无氧铜等金属材料。而氧化铝陶瓷因具有高的强度、好的抗辐射能力和真空性能，是CSNS/RCS真空盒的合适材料。CSNS二极陶瓷真空盒由8节陶瓷管道和2个陶瓷法兰组成，而四极陶瓷真空盒由2节陶瓷管道和2个钛金属管及钛法兰组成[3-12]。因陶瓷真空盒烧结过程中变形大，且多节连接时在保证超高真空的前提下满足强度要求，制造难度大，目前CSNS大部分陶瓷真空盒为德国进口。

陶瓷真空盒受安装空间限制无法设计独立支架，故将支架固定在磁铁两端的线圈处，磁铁交变电流激励使自身产生频率25 Hz的振动[13-15]，而振动通过真空盒支架进一步传递到真空盒上。在CSNS磁铁加电测试中，曾出现四极陶瓷真空盒断裂、真空破坏的情况。结合陶瓷真空盒的实际安装环境，分析造成陶瓷真空盒断裂的原因包括：磁铁发热引起陶瓷真空盒不均匀升温膨胀；磁铁振动传递到真空盒上；陶瓷真空盒的一端与波纹管连接，另一端与相邻的不锈钢真空盒通过法兰连接固定，同时还受固定在线圈上的两个支架约束，存在三点过约束的情况。

陶瓷真空盒断裂后，项目组将所有陶瓷真空盒的固定约束调整至2个以内。为排除其他导致真空盒断裂的因素，采用有限元分析软件对陶瓷真空盒进行了热-结构耦合分析，同时定期对所有陶瓷真空盒开展振动监测。本文针对个别振幅大的真空盒，分析问题产生的原因，并开展支架减振研究。

1 陶瓷真空盒热结构分析

断裂的陶瓷真空盒结构如图1所示，其长度大于1 m，由2节陶瓷管通过在空气高温炉中用玻璃胶粘连而成，两端焊接钛金属管和钛法兰，钛管与陶瓷管之间采用钎焊，钛法兰用氩弧焊或激光焊，真空盒的断裂处位于两节陶瓷管连接处。

图1 四极陶瓷真空盒Fig.1 Quadrupole ceramic vacuum chamber

为明确磁铁因拷机引起的温升对陶瓷真空盒温度分布及应力的影响，分析时不考虑其他因素，假设磁铁与陶瓷真空盒之间仅通过热辐射进行热量传递。选取磁铁的热辐射系数为0.8，陶瓷真空盒的热辐射系数为0.3，对磁铁温度进行理论分析[11]，结果示于图2。图2表明，经长时间拷机，实测极头处最高温度约为130 ℃，中间平均温度为70 ℃。根据理论分析温度分布及磁铁实测结果建立有限元热分析模型，图3为磁铁及真空盒温度分布云图。

图2 磁铁的理论温度分布Fig.2 Magnet temperature distributionby theory analysis

图3 陶瓷真空盒温度分布Fig.3 Ceramic vacuum chamber temperature distribution

该陶瓷真空盒断裂后，对更换后的陶瓷真空盒进行了长达17 h的磁铁升温监测，靠近磁铁极头处的陶瓷真空盒温度接近68 ℃。理论分析结果与实测温度接近，认为理论热分析有效。将温度分析结果作为陶瓷真空盒结构分析的载荷，另外附加重力、大气压力及固定约束，对其进行应力分析，结果示于图4。由图4可知，陶瓷真空盒上的最大应力位于固定约束处，为46.334 MPa，远小于陶瓷的抗弯强度，认为磁铁发热对陶瓷真空盒影响较小，不是陶瓷真空盒断裂的主要因素。

图4 陶瓷真空盒上的应力分布云图Fig.4 Stress distribution on ceramic vacuum chamber

2 陶瓷真空盒振动监测

基于陶瓷真空盒特殊的材料特性，传统的接触式振动传感器无法固定，且存在磁场干扰问题，非接触式测量技术是一种有效可行的陶瓷真空盒振动监测手段。在CSNS暑期检修期间，采用双目视觉振动测量仪对陶瓷真空盒的振动进行监测，其工作流程如下：1) 根据陶瓷真空盒的位置和大小，确定对应的相机镜头和角度；2) 对双目视觉系统进行内外参数标定，获取相机组的内外参数；3) 同步采集图像；4) 读取图像并提取特征点的图像坐标，进行匹配；5) 计算特征点的三维坐标并保存。

图5为CSNS/RCS陶瓷真空盒采用双目相机进行振动监测及其部分区域高程方向的振动测试结果。从图5可看出，2018年与2019年的监测数据相差不大，最大差异为6 μm，而双目视觉系统的标定本身会引起一定的测量误差，因此，认为测量结果有效，陶瓷真空盒高程方向振动最大为29 μm。

图5 RCS陶瓷真空盒的振动监测及部分高程测试结果Fig.5 Vibration monitoring and partial elevation test result of RCS ceramic vacuum chamber

测试中还发现，部分陶瓷真空盒水平方向振动异常，以RCS第4区域6号四极铁中间的陶瓷真空盒最显著，具体如图6所示，该真空盒左右两个测点水平方向的振动均超过50 μm，而其高程方向振动仅为11 μm。经核查，相较于2018年测试环境，因部分铝制快卸链条运行时断裂，曾将该陶瓷真空盒两端的快卸链条更换为不锈钢材料，通过磁导率测试，发现其磁导率超过1.5，将快卸链条因更换为磁导率小于1.05的不锈钢，该问题得以解决，对于其他区域类似水平方向振动异常的真空盒，均通过更换快卸链条予以解决。

图6 RCS第4区域陶瓷真空盒水平方向振动监测结果Fig.6 Horizontal vibration monitoring result of RCS fourth district ceramic vacuum chamber

3 陶瓷真空盒的减振研究

为避免后期出现陶瓷真空盒振动异常无法解决的情况，开展了陶瓷真空盒的减振支架研究。经实测，磁铁与陶瓷真空盒的振动频率均为单一频率25 Hz，针对固定频率的振动，采用弹簧阻尼机构能有效隔绝振动的传递，图7为其振动传递特性[16]。结合真空盒支架的安装空间，设计了隔振器结构，如图8所示。

图7 弹簧阻尼隔振曲线[16]Fig.7 Curve of spring damping vibration isolation[16]

图8 真空盒支架隔振器结构Fig.8 Vibration isolator structure of vacuum chamber support

基于二极铁陶瓷真空盒备件，搭建真空盒隔振支架测试平台，并进行隔振效果测试。整个实验装置由陶瓷真空盒、真空盒支架、隔振器、941B速度传感器和振动平台5部分组成，如图9所示。振动平台能提供的频率范围为10～30 Hz，可模拟25 Hz磁铁振动的实验环境。本文针对有无隔振器两种情况分别进行了测试。

图9 真空盒隔振支架测试平台Fig.9 Test platform of vibration isolation support

分别对比振动平台表面与陶瓷真空盒表面的振动速度，结果如图10所示，高程方向最大振动速度从4.2×10-4m/s降至0.8×10-4m/s，减振效果高达80%，水平方向最大振动速度从8.2×10-4m/s降至1×10-4m/s，减振效果高达85%。同时从振动频域图也可明显看出，25 Hz的速度振动贡献值显著降低，起到了较好的隔振效果。

图10 隔振器的隔振性能Fig.10 Vibration isolation performance of vibration isolator

4 结论

针对CSNS/RCS陶瓷真空盒断裂问题，本文开展了陶瓷真空盒的热特性研究及磁铁通电时的振动监测研究。结果表明：磁铁发热及磁铁通电不会直接导致陶瓷真空盒的破坏，本文中陶瓷真空盒的故障原因可归因于三点支撑引起过约束，同时结合振动及温度不均匀分布三者共同作用。后期在陶瓷真空盒的使用中，需合理设计支架结构，严格控制真空盒的振动，同时法兰及快卸链条等真空连接设备需满足磁导率要求。