看見10^-13cm的世界！一文了解大科學(xué)裝置散裂中子源中的真空系統(tǒng)

看見10^13cm的世界！一文了解大科學(xué)裝置散裂中子源中的真空系統(tǒng)

在廣東東莞郁郁蔥蔥的荔枝林里，坐落著一座世界級的“中子觀測站”。它就是我國迄今為止已建成單項投資規(guī)模最大的大科學(xué)裝置——中國散裂中子源（CSNS）。

大科學(xué)裝置是國家科技基礎(chǔ)條件平臺的重要組成部分，它是指通過較大規(guī)模投入和工程建設(shè)來完成，建成后通過長期的穩(wěn)定運行和持續(xù)的科學(xué)技術(shù)活動，實現(xiàn)重要科學(xué)技術(shù)目標(biāo)的大型設(shè)施。像我們所熟知的天眼（FAST）、上海光源、高能同步輻射光源（HEPS）都屬于大科學(xué)裝置。

有人會問，我們?yōu)槭裁匆ㄔO(shè)散裂中子源這樣的大科學(xué)裝置呢？這要從物理學(xué)的歷史進程說起。

過去的100年來，物理學(xué)經(jīng)過了三次大跨越。在物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究上，我們發(fā)現(xiàn)原子是由電子和原子核組成的，原子核是由質(zhì)子和中子組成的。上世紀(jì)六七十年代，科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和中子不是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最終單元，它們都是由更小的粒子——夸克所構(gòu)成的。

▲ 圖片來源：我是科學(xué)家

為了研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的三次大跨越，就需要建設(shè)非常大的加速器。因為被研究的物質(zhì)結(jié)構(gòu)越來越小時，需要越來越高的能量去分解物質(zhì)。大科學(xué)裝置夠獲得高能量粒子，去研究微觀世界，找到構(gòu)成物質(zhì)的最小單元，并研究它相互作用的規(guī)律。

▲ 大科學(xué)裝置散裂中子源（左）

和高能同步輻射光源（右）

有可能看到物質(zhì)更清晰的結(jié)構(gòu)

和X射線一樣，中子具有穿透性，但X射線的穿透深度有限，無法穿透大多數(shù)金屬。中子則不存在這一限制，它可以“看見”東西的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

但研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)，所需要的中子量非常龐大，此前，科學(xué)家利用反應(yīng)堆產(chǎn)生中子，但這種方法連續(xù)產(chǎn)生的中子強度受熱量移除限制接近極限。為此，科學(xué)家設(shè)計了新的產(chǎn)生中子的裝置——散裂中子源。

那么，散裂中子源的原理是什么呢？

散裂中子源是利用強流質(zhì)子加速器加速質(zhì)子轟擊重金屬靶產(chǎn)生中子的裝置。簡而言之，質(zhì)子經(jīng)過直線加速器和環(huán)形加速器的不斷加速，轟擊在重金屬靶上，激發(fā)出高速的中子束，然后經(jīng)過慢化處理，通過中子導(dǎo)管進入到不同的實驗區(qū)（譜儀），以此觀測物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

▲ 散裂的原理就是用質(zhì)子去打靶，

把重金屬的質(zhì)子和中子打出來，

再把中子收集起來

▲ 散裂中子源工作原理示意

中國散裂中子源（CSNS）將提供能量為1.6GeV、功率為100kW 的短脈沖質(zhì)子束，以25Hz的重復(fù)頻率撞擊固體金屬靶，產(chǎn)生散裂中子。具體如下：

CSNS由產(chǎn)生能量為80MeV的負氫離子直線加速器、直線到環(huán)（LRBT）和環(huán)到靶（RTBT）的束流輸運線、以及積累和加速質(zhì)子束到1.6GeV的快循環(huán)同步環(huán)（RCS）組成。離子源（IS）產(chǎn)生的負氫離子（H）束流，通過射頻四極加速器（RFQ）聚束和加速后，由漂移管直線加速器（DTL）把束流能量進一步提高，負氫離子經(jīng)剝離注入到一臺快循環(huán)同步加速器（RCS）中，把質(zhì)子束流加速到最后能量1.6GeV。從環(huán)引出的功率為100kW質(zhì)子束流經(jīng)過輸運線打向鎢靶，在靶上產(chǎn)生的散裂中子經(jīng)慢化，再通過中子導(dǎo)管引向譜儀，供用戶開展實驗研究。

▲ CSNS總體布局圖

中國散裂中子源的建成使得我國成為繼英國、美國、日本之后，世界上第四個擁有散裂中子源的國家。

CSNS與真空技術(shù)

CSNS大科學(xué)裝置的建造涉及眾多學(xué)科，其中真空技術(shù)成為最重要的基礎(chǔ)學(xué)科之一。下面我們根據(jù)CSNS各區(qū)段劃分，系統(tǒng)的說明真空系統(tǒng)在該裝置中發(fā)揮的重要作用。

根據(jù)CSNS物理需求，真空系統(tǒng)各區(qū)段工作壓強分別為：

◆ IS和LEBT：2.0×103 Pa

◆ RFQ和MEBT：1.0×105 Pa

◆ DTL：1.0×105 Pa

◆ LRBT & RTBT：1.0×105 Pa

◆ RCS：5.0×106 Pa

▲ CSNS部分區(qū)域：直線加速器（上）

快循環(huán)同步加速器（中）及譜儀（下）

? 離子源和低能傳輸線（IS & LEBT）

離子源是加速器粒子的產(chǎn)生裝置，CSNS選用加銫的負氫表面源潘寧離子源。為了保證負氫離子（H）束流的穩(wěn)定產(chǎn)生，采用壓電閥以25Hz的頻率向離子源腔內(nèi)注入10sccm（1.69×102Pa.m3/s）氫氣，在離子源電磁場作用下將產(chǎn)生20mA的H離子流。負氫離子從小孔引出，為了減小H束流在真空中的剝離損失，動態(tài)真空度需要在2×103Pa左右。為了達到需要的真空度，離子源用二臺2000L/s的分子泵抽氣，每臺分子泵配備一臺8L/s的渦旋泵，動態(tài)真空可達到2.5×103 Pa。

▲ 離子源真空抽氣系統(tǒng)

低能傳輸線將離子源引出的束流匹配到下游的RFQ中，長度只有1.68m。LEBT真空管道的材料為304不銹鋼，經(jīng)過真空預(yù)處理后其表面放氣量很小，因此它的氣源主要來自離子源中的氫氣。LEBT束流管道孔徑較小，配備一臺800L/s 的分子泵機組，可以通過差分方法來減小離子源氫氣對RFQ 真空系統(tǒng)的影響。

? 射頻四極加速器（RFQ）和中能束流傳輸線（MEBT）

射頻四極加速器用來對束流進行聚焦、聚束和加速，有效控制束流發(fā)射度增長和提高束流能量。它的加工精度要求高，焊縫多，調(diào)場復(fù)雜。RFQ腔體的材料為無氧銅，平均直徑約350mm，由于腔體內(nèi)特殊的四翼電極結(jié)構(gòu)，流導(dǎo)非常受限。為了獲得有效抽速，在RFQ的每個面上都有CF150法蘭抽氣孔，四個抽氣孔并聯(lián)在一起，用離子泵和分子泵同時抽氣。采用3臺1000L/s的離子泵和2臺500L/s 的分子泵機組同時抽氣，工作壓強可小于1×105Pa。

▲ RFQ腔體內(nèi)部結(jié)構(gòu)

▲ RFQ抽氣系統(tǒng)

中能束流傳輸線（MEBT）的功能是匹配束流到下一段加速器中，以減少束流損失。它由聚束腔、束流測量元件和真空部件等組成。MEBT真空管用不銹鋼加工而成，全長3.03m，真空室內(nèi)徑基本為50mm，在特殊部位可根據(jù)束流的包絡(luò)和磁鐵的內(nèi)徑，采用變口徑的真空盒。該段上的兩個聚束腔由二臺200L/s的離子排氣，在束流測量設(shè)備上加裝了二臺100L/s的離子泵。

? 漂移管直線加速器（DTL）

漂移管直線加速器加速效率高，漂移管中的四極透鏡可為束流提供很好的聚焦，有效控制束流發(fā)射度增長。DTL由四個獨立的物理腔組成，每個物理腔包含3個工藝腔，全長約為34m，腔直徑為φ490mm。為了達到動態(tài)真空度小于1×105 Pa的要求，每個工藝腔安裝二臺1000L/s的離子泵，每套物理腔配置二套500L/s的分子泵機組。

▲ DTL內(nèi)部結(jié)構(gòu)

? LRBT

LRBT輸運線主線長約197 m，其主要任務(wù)是傳輸經(jīng)過直線加速器（LINAC）預(yù)加速的束流到RCS注入剝離膜。另有通向三個廢束站的分支輸運線（LDBT），總長約42m。LRBT通過9個全金屬氣動插板閥分成9個區(qū)段，每個區(qū)段都配備相應(yīng)的粗抽閥門和放氣閥門，真空測量采用冷陰極真空規(guī)，同時部分區(qū)段還配有殘余氣體分析儀，以監(jiān)測系統(tǒng)的運行情況。各個區(qū)段相互獨立，當(dāng)某一區(qū)段暴露大氣或真空變差時可以手動或自動關(guān)閉這一區(qū)段閥門，以免其他區(qū)段受到影響。LRBT平均每6m 安裝1臺100L/s的離子泵，假定熱為出氣率1.33×1011Pa.m3/s.cm2，用歐洲核子中心（CERN）開發(fā)的一個程序進行計算，得到5個區(qū)段的壓強分布曲線，平均壓力為5×106Pa。

▲ LRBT壓強分布

? RTBT

RTBT輸運線主線（從RCS引出束流到散裂靶窗）長約145m，其主要任務(wù)是傳輸從RCS環(huán)引出的高功率質(zhì)子束流到靶站。另有一條通向廢束站的分支輸運線（RDBT），總長約37m。RTBT真空盒內(nèi)徑主要為168mm。RTBT共有6個全金屬氣動插板閥，把真空系統(tǒng)分成6個獨立的區(qū)段。在靠近散裂靶的前25m處安裝了DN200 快閥，一旦質(zhì)子束流窗或用于遠距離拆卸的充氣波紋管密封裝置漏氣，可在40ms內(nèi)關(guān)閉快閥，以免其他區(qū)段暴露大氣。由于接近束流窗的前25m屬于高放射區(qū)，工作人員無法接近，此區(qū)段在屏蔽墻內(nèi)不安裝真空獲得和測量設(shè)備，整個區(qū)段用一臺1000L/s的分子泵在屏蔽墻外排氣。其他區(qū)段平均每6m安裝1臺200L/s離子泵，平均壓強可達到8×106Pa。

? 快循環(huán)同步環(huán)（RCS）

快循環(huán)同步加速器接受來自直線加速器的負氫離子，通過剝離膜轉(zhuǎn)換為質(zhì)子。首先，質(zhì)子在RCS環(huán)中累積束流，以提高脈沖流強；然后質(zhì)子被加速，能量由80MeV逐步提升到1.6GeV；最后，從環(huán)中引出高能量質(zhì)子束流。

RCS全長約228m，通過8個全金屬插板閥分成8個區(qū)段。每個區(qū)段配有預(yù)抽閥門和放氣閥門，利用可移動分子泵機組預(yù)抽真空，對于長的區(qū)段用3臺分子泵機組同時抽氣。真空測量同樣采用冷陰極真空規(guī)，部分區(qū)段配有殘余氣體分析儀，以監(jiān)測系統(tǒng)的運行情況。RCS共安裝了41臺300～1000L/s離子泵，平均壓力優(yōu)于5×106Pa。

由于RCS中的二極、四極磁鐵磁場快速變化，在二極磁鐵和四極磁鐵中的真空盒必須能夠限制外界快速變化磁場在本身產(chǎn)生的渦旋電流，以免造成巨大的熱損耗和磁場干擾。這些真空盒不適合用不銹鋼、鋁合金和無氧銅等金屬材料制成，而由等靜壓成型的氧化鋁陶瓷真空盒有高的強度、好的抗輻射能力和真空性能，對RCS二極磁鐵和四極磁鐵的真空盒來說是一個好的選擇。

中國科學(xué)院高能物理研究所通過金屬化法和玻璃粘結(jié)法分別完成了四極陶瓷真空盒和二極陶瓷真空盒樣機的研制。經(jīng)過測試，陶瓷真空盒樣機的機械尺寸、抗拉強度和真空性能達到了設(shè)計指標(biāo)。

▲ 四極陶瓷真空盒樣機（上）

與二極陶瓷真空盒樣機（下）

作為國際上最先進的多學(xué)科交叉大型研究平臺，CSNS將成為粵港澳大灣區(qū)正在建設(shè)的國家科技產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心的核心單元，為基礎(chǔ)研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究和高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化提供強有力的研究工具，在新農(nóng)業(yè)、醫(yī)療健康、新能源、新材料、電子信息等領(lǐng)域為解決國家發(fā)展戰(zhàn)略中的若干瓶頸問題作出重要貢獻。

▲ 散裂中子源典型應(yīng)用領(lǐng)域

圖片來源：《東莞市散裂中子源關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)布局及發(fā)展戰(zhàn)略研究》

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