中国散裂中子源快循环同步加速器工艺设备安装技术探讨*

郑乐见，李继红，冯 光

（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）

0 引言

中国散裂中子源（China Spallation NeutronSource，CSNS）是我国“十一五”期间重点建设的大科学装置，旨在建设成一个世界一流的大型多学科研究平台，使其为物理、化学、生物、能源、材料等领域的微观研究提供强有力的研究手段。CSNS是继英国、美国和日本散裂中子源之后，全世界第4台脉冲型散裂中子源[1-2]。

CSNS 由1 台能量80 MeV 的负氢直线加速器、1 台能量1.6 GeV 的快循环同步加速器（RCS）、2 条束流传输线、1 个中子靶站、多台谱仪、及相应的配套设施组成[3]。中国散裂中子源快循环同步加速器（CSNS/RCS）采用四折对称的拓扑结构，主要包括磁铁系统、励磁电源系统、射频系统、真空系统、束流诊断系统、束流准直系统、注人系统、引出系统等[4]。

快循环同步加速器在我国是首次设计，相关的设备都是首次安装，涉及成百上千台精密工艺设备的安装，存在很多安装难点，以及许多不确定因素。因此在安装前，需要根据不用工艺设备各自的特点制定详细的安装方案，设计制作专用的吊装吊具，并定制专用的电动搬运车。加速器设备在束流方向和垂直束流方向的粗就位安装精度须控制在±2 mm 以内，水平度误差控制在0.2 mm/m。粗就位完成后，对设备进行准直调整，部分设备就位精度须控制在±0.05 mm 以内[5]。本文将对几个关键设备的安装技术要点、难点进行剖析探讨。

1 二极磁铁的安装

CSNS/RCS 快循环同步加速器周长230.8 m，由4 个弧区和4 个直线段组成，总体布局为四折对称的磁聚焦结构。CSNS/RCS 磁铁系统主要由24 块二极磁铁、48 块四极磁铁、16 块六极磁铁和若干校正磁铁组成[6]。加速器隧道内设备安装高度有限，根据尺寸校核部分设备无法使用吊带直接进行吊装，设计了专用的吊具工装进行吊装。针对不同的设备特点，主要设计了5台专用吊具，包括160B 半铁吊装工装、272Q 整体吊装工装、253Q 整体吊装工装、272Q/253Q 共用上半磁铁吊装工装、222Q/206Q 共用上半磁铁吊装工装。另外，从吊装口到隧道并没有吊车用于设备运输，定制10 t、30 t电动搬运车各一台用于设备的转运工作。

二极磁铁RCS-160B 是加速器隧道内单体质量最大的工艺设备，达24 t，外形尺寸（长×宽×高）为2.5 m×1.6 m×1.2 m，结构为H 型，由上、下半磁铁组成。RCS隧道内吊车额定载荷16 t，受运输车辆、隧道吊车载重限制，二级磁铁必须分开上下半铁运输。设计了160B半铁吊装工装用于磁铁吊装并设置调平机构。吊装时，吊钩慢速起升使吊索慢慢拉紧，待上半磁铁离开下半磁铁时停止，目测检查上半磁铁是否水平；如有明显倾斜，放下磁铁，调节吊具上的花篮螺栓长度，实现磁铁的调平，直至符合要求位置。如图1所示。

图1 二级磁铁安装

二级磁铁RCS-160B 在测试楼进行磁测、准直标定等各项测试实验后，分开上下半铁运输、安装。在上下半铁拆装的过程中，二级磁铁拆装过程中有一个难点，二级磁铁线圈支撑结构通过螺纹机构调节支撑高度，在测试楼准直标定后运进隧道安装时高度不可改变，线圈支撑结构重复安装精度要求较高。因此对每个支撑件进行一对一编号定位并逐一打包，在隧道内安装时需小心谨慎不改变原有高度。由于磁铁在隧道安装有朝向要求，而隧道内的空间相对狭小，磁铁调整方向比较困难，所以磁铁在吊装口放置在30 t 的电动搬运车上时应考虑好搬运车的运输路线与磁铁的放置朝向。在隧道内用160B半铁专用吊装工装依次将下半磁铁、上半磁铁就位后，检查结合面应紧密、无间隙，所有定位销均入位，磁铁四周无错边，再使用专用的加长扭力扳手进行上下半磁铁连接螺杆的紧固。

2 陶瓷真空盒的安装

CSNS/RCS真空系统中一个关键的工艺设备是陶瓷真空盒。RCS陶瓷真空盒使用氧化铝材料，陶瓷管尺寸大，精度高，制造工艺复杂[7]。陶瓷真空盒从国外进口，订货周期长，安装中一旦损坏，经济损失巨大，并且影响整个工程的安装进度，因此需制定更为详细的安装方案。CSNS/RCS 共有各类陶瓷真空盒72 根，真空盒安装在磁铁内部，安装真空盒需先拆解磁铁。

四极磁铁安装真空盒前需拆除上半磁铁，根据不同的磁铁选择专用吊具将上半磁铁吊起5 mm，调节花篮螺栓，使两个半磁铁结合面的间隙均匀。上半磁铁移开，吊装陶瓷真空盒安装就位。调节真空盒支架高度，使陶瓷真空盒比设计高度低2 mm，防止上半磁铁复位时压到真空盒。上半磁铁复位后，将磁铁连接螺杆按要求的力矩拧紧。调整真空盒支架，用塞尺测量真空盒与4 个磁极的间隙，使陶瓷真空盒高度位于磁极中心设计高度，再将束流方向按设计位置调整到位。真空盒与真空盒之间采用快卸链条连接，从侧面拧紧螺栓节省了安装空间。真空密封连接的过程采用力矩扳手，先使用一个较小的力矩均匀拧紧，检漏过程中如果出现微漏再逐步加大力矩。连接过程中两个螺栓要交替拧紧，以保证受力均匀没有内应力。六极磁铁与四极磁铁共用一根陶瓷真空盒，要求在没有准直的情况下先安装陶瓷真空盒，因此磁铁安装就位后调整两磁铁中心重合，四六极磁铁粗就位的安装位置精度须控制在±1 mm以内。如图2所示。

图2 四六级磁铁共架陶瓷真空盒安装

二级磁铁陶瓷真空盒由8 节陶瓷管和2 个陶瓷法兰组成，易碎，总质量87 kg，长度2.8 m，弧形结构，弯转角度为15°，采用跑道环形界面[4]。二级磁铁真空盒与上下磁铁的理论间隙只有3 mm，设计了专用的真空盒吊具工装进行吊装。工装按磁铁陶瓷真空盒外形设计成弧形（防止翻转），设置3 个吊点，每个吊点处加入弹簧，设计成柔性吊点：吊起磁铁陶瓷真空盒后，弹簧被压缩；磁铁陶瓷真空盒落到下半磁铁上时，弹簧能起到缓冲作用，保护磁铁陶瓷真空盒不与磁铁硬接触，使真空盒落下时受力缓慢变大，减少瞬时冲击。如图3 所示。二级磁铁陶瓷真空盒粗就位的安装位置精度在±1 mm 以内，利用直角尺制作的专用工装调整真空盒定位至安装精度的要求范围。

图3 二级磁铁陶瓷真空盒安装

3 注入引出设备的安装

注入系统是连接直线加速器和快循环同步加速器的关键组成部分[8]。注入系统由4 块水平固定凸轨磁铁（BC）、4块水平涂抹脉冲凸轨磁铁（BH）、4块垂直涂抹脉冲凸轨磁铁（BV）、2 块直流切割磁铁（ISEP）和2 台剥离膜（STR）组成，所有这些元部件均需安装在长9 m的直线节上[9]。因此可以看出注入区布置十分紧凑，空间小且设备多。如图4 所示。部分空间狭小位置需要制作专用的扳手才能安装，并且必须严格按照安装顺序进行安装，主要安装顺序：固定凸轨磁铁安装→涂抹凸轨磁铁BH/BV 共架安装→真空盒安装→切割磁铁及真空盒安装→丝靶安装→主次剥离膜安装。

图4 注入区设备

涂抹凸轨磁铁BH 与BV 共用支架，共用一根陶瓷真空盒，磁铁安装就位后调整两磁铁中心重合，粗就位的安装位置精度须控制在±1 mm 以内。注入区的丝靶属于精密设备，内部钨丝直径0.03 mm，易断怕振动，运输及吊装过程中需注意，最终安装落位前需要检查钨丝有无断裂情况。

引出系统是连接快循环同步加速器和高能输运线的关键组成部分。引出系统由10 块垂直方向的快脉冲冲击磁铁（Kicker）和1 块水平方向的直流切割磁铁（Lambertson）组成[10]。引出切割磁铁总质量为19 t，超过吊车额定载荷16 t，因此该磁铁需要拆分运输及安装，根据磁铁结构拆分为8 个部件。运输时尤其需要注意上磁轭的保护工作，用大方木进行垫平垫实。在隧道内组装时，不能改变线圈支撑件原来的高度，注意线圈在支撑件上必须放稳，并用绝缘板固定牢靠。由于线圈与上磁轭间隙较小，安装上磁轭时应十分注意，在反复确定安全距离下进行安装。如图5所示。

图5 引出切割磁铁安装

4 准直器的安装

CSNS/RCS束流准直系统作为RCS控制束流损失的关键组成部分，CSNS/RCS 束流准直系统采用二级准直系统，主要由1个主准直器和4个次级准直器组成[11]。准直系统所在区域为高辐射区域，决定了准直器需要有较好的冷却性能、抗辐射能力、定位精度、稳定性，相应的安装过程不能有丝毫差错。准直器采用整体转运及安装，其中主准直器质量为9 t，次准直器质量为7 t。根据尺寸、载荷复核，可以用160B半铁吊具进行吊装，利用手拉葫芦进行调平。在吊装口至安装位置的运输使用10 t电动搬运车，准直器运输的朝向应按有利于安装的朝向放置。每一台准直器安装粗调后应进行准直精调，位置调整到位后再进行下一台准直器的安装。如图6 所示。为了减少后期检修工作时人工操作接触到的辐射剂量，每个准直器之间的真空连接采用远程快卸链条装置，检修时站在准直器靠走道外侧，通过操作连接快卸链条的长螺杆，就可以实现真空盒波纹管沿束流方向的前进与后退动作，以及法兰连接链条的锁紧与松开动作。

图6 准直器安装

准直器处于高辐射区域，为了避免准直器周围的加速器设备受到高辐射损伤和满足人工维护的要求，需要对准直器进行屏蔽。内部采用铁块，外部采用混凝土，对辐射剂量进行屏蔽[12]。准直器及其屏蔽块位置处的辐射剂量比较大，因此对安装要求更高，必须准确无误，以减少运行检修期间的辐射剂量。准直器外部混凝土屏蔽块包括外侧、内侧、上层屏蔽块。侧面屏蔽块分为分上中下3 层，上层屏蔽块分为分上下2 层，按照先里后外、先下后上、先束流上游后束流下游的顺序进行安装。安装下层屏蔽块之前要先在地上划好线，要严格按照划线安装并减少累积误差。此外由于走道侧、准直器上方有电机支架以及电机连接杆，安装时要时应注意对其保护。如图7 所示。另外由于准直器上层屏蔽块的安装空间很紧凑，设计专用吊具进行吊装，同一个吊具分几组吊点吊装不同的屏蔽块，吊装时注意偏心屏蔽块重心点的选取。

图7 准直器屏蔽块安装

5 结束语

CSNS/RCS快循环同步加速器工艺设备数量众多，安装空间紧凑，设备以及支架都必须按照安装方案制定好的顺序安装，安装精度要求高，安装难度大。通过制定详尽的安装方案，设计制作专用的吊装吊具，对关键施工环节提出多重保护措施，重点讨论了关键设备的安装技术要点、难点。主要解决了二级磁铁的拆装重复精度难题、陶瓷真空盒的缓冲防撞难题、注入系统紧凑空间的安装难题、引出切割磁铁的拆解难题，以及准直器高辐射区域的安装难题，为今后类似的大科学装置工艺设备的安装提供了参考。