中国散裂中子源漂移管磁铁线圈研制

李　波　刘华昌，吴小磊，巩克云，李阿红，陈　强，王　云

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1,2，巩克云2，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 100049；2. 散裂中子源科学中心，广东 东莞 523803）

中国散裂中子源（China Spallation Neutron Source，CSNS）漂移管直线加速器（Drift Tube Linac，DTL）负责把H-离子束从3 MeV加速到80 MeV，其工作频率为324 MHz，包含161台电四极磁铁漂移管，漂移管外径140 mm，体积小、结构复杂紧凑。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82 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。

漂移管；电四极磁铁；SAKAE；电铸；线切割

中国散裂中子源（China Spallation Neutron Source，CSNS）漂移管直线加速器（Drift Tube Linac，DTL）全长约36 m，工作频率324 MHz，负责把射频四极子加速器（Radio Frequency Quadrupole，RFQ）出来的3 MeV的H-离子加速到80 MeV[1,2]。DTL主要由4台腔、161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。

1　DTL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324 MHz，漂移管体积小，外径140 mm，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

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82.2 mm，内径37.4 mm，每极3.5匝5 mm×5 mm导线，导线内水道是2.5 mm×3 mm和2.5 mm两种[6-7]。

图1　漂移管及磁铁线圈结构图

2　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2.5 mm的线圈纵向水道，再在端面上铣出横向2.5 mm×3 mm的水槽。

图2　SAKAE线圈初步加工

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1.3 mm，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1 mm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

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5 mm×5 mm；（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。

图4　线圈线切割成形

线圈完成加工后，进行真空检漏，要求漏率小于1.0×10-10mbar·L/s，水压测试，0.5 MPa压力，冷却水流量大于1 L/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95%对应780 A，跌落到90%对应900 A。对于CSNS一期，漂移管直线加速器四极磁铁最大励磁电流520 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810 A[12]，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。

图5　磁铁霍尔点测

图6　磁铁的励磁曲线

3.2　线圈热测试分析

在最高工作电流值810 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23 ℃的冷却水，线圈工作温度小于50 ℃，满足磁铁稳定运行要求。

图7　热成像仪测量线圈温升

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3mm，由线圈温升引起的磁中心位置偏移量小于1.5mm，这与实际测量磁中心偏移量2mm是相吻合的，线圈温升对磁铁几乎没有影响。

4　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。

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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

广东省基础与应用基础研究基金（2020A1515110579）项目资助

李波（1986—），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