劉順明，關(guān)玉慧，黃 濤 ，王鵬程，劉佳明 ，譚 彪，歐陽華甫

（1.中國科學(xué)院高能物理研究所，北京 100049；2.散裂中子源科學(xué)中心，廣東 東莞 523803）

0 引言

氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)起源于20世紀(jì)40年代，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)得到不斷的發(fā)展與完善，已經(jīng)成為一種成熟的檢漏方法，被廣泛應(yīng)用在航空航天、加速器、制冷、冶金、壓力容器等多個行業(yè)[1]。真空檢漏是獲得高真空的重要技術(shù)，氦質(zhì)譜檢漏儀作為專業(yè)的檢漏儀器，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、使用方便、靈敏度高等一系列的優(yōu)點。四極質(zhì)譜計是不用磁場的氣體分析器中性能最佳的一種[2]，具有良好的殘余氣體分析能力和泄漏檢測能力，被廣泛應(yīng)用于托卡馬克裝置和加速器裝置中，成為一種重要的真空檢測手段[3]。

文獻(xiàn)[4]報道了真空檢漏的一些方法，主要有噴氦法、吸氦法、充氦法、鐘罩法，這四種方法都是真空檢漏中常用的方法。本文結(jié)合四極質(zhì)譜計和氦質(zhì)譜檢漏儀兩種手段進(jìn)行檢漏，確定了RFQ入口法蘭橡膠密封圈的泄漏問題，更換密封圈后，壓力跳動頻率和幅值明顯減小；通過分析壓力變化曲線，發(fā)現(xiàn)RFQ腔后部某處仍然有漏，對有漏焊縫涂膠，壓力跳動頻率和幅值再次減小，真空度也明顯提高，基本滿足直線加速器對真空度的要求。

1CSNS裝置

中國散裂中子源（China Spallation Neutron Source，CSNS）是我國“十一五”期間重點建設(shè)的大科學(xué)裝置，是一個質(zhì)子束功率達(dá)100 kW、有效脈沖中子通量居世界前列的散裂中子源裝置。裝置建設(shè)的主要內(nèi)容包括：一臺80 MeV H-直線加速器、一臺1.6 GeV快循環(huán)同步加速器、一個靶站和3臺譜儀，如圖1所示。直線加速器包括：一臺50 keV潘寧負(fù)氫離子源（IS），一條低能傳輸線（LEBT），一臺3.0 MeV射頻四極加速器（RFQ），一條中能傳輸線（MEBT）和一臺80 MeV漂移管直線加速器（DTL）[5]，如圖2所示。

圖1 CSNS系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig.1 Schematic diagram of CSNS system

圖2 CSNS直線加速器框圖Fig.2 The block diagram of CSNS linac

2 CSNS直線加速器真空系統(tǒng)

2.1 真空度技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)CSNS直線加速器的物理需求，真空系統(tǒng)各區(qū)段工作壓力為：

IS區(qū)段：2.0×10-3Pa；

LEBT區(qū)段：1.3×10-3Pa；

RFQ區(qū)段：1.0×10-5Pa；

MEBT區(qū)段：1.0×10-5Pa；

DTL區(qū)段：1.0×10-5Pa。

2.2 真空抽氣系統(tǒng)組成

CSNS直線加速器由前端系統(tǒng)和漂移管直線加速器系統(tǒng)組成。前端系統(tǒng)的作用是為加速器系統(tǒng)提供滿足后續(xù)設(shè)備加速所需的負(fù)氫離子束流。前端真空系統(tǒng)組成如圖3所示，為了減小負(fù)氫離子束流的損失，直線加速器對真空度有較高的要求。

圖3 CSNS前端真空系統(tǒng)組成圖Fig.3 The constitution diagram of CSNS front-end vacuum system

IS區(qū)段：由于運行時離子源需要10 mL/min的氫氣進(jìn)氣量，因此泵組對氫氣的抽速是限制離子源極限真空的主要因素。經(jīng)過理論計算和實驗測試，在離子源區(qū)段共配置了2臺MAGW2200的磁懸浮無油分子泵機組，每臺分子泵對氫氣的標(biāo)稱抽速為1 930 L/s，可以獲得2.0×10-3Pa的真空度。

LEBT區(qū)段：以10 mL/min充入離子源的氫氣多數(shù)已經(jīng)被2臺大抽速的磁懸浮分子泵機組抽走，到達(dá)LEBT的氣載已經(jīng)很少，所以只在位于LEBT出口位置的第三腔配置了一臺MAGW830磁懸浮無油分子泵機組，對氫氣的標(biāo)稱抽速為740 L/s，可以獲得2×10-4Pa的真空度。

RFQ區(qū)段：RFQ是位于離子源與漂移管直線加速器間重要的低能加速結(jié)構(gòu)，用于加速由離子源產(chǎn)生的H-離子，并在縱向形成可繼續(xù)加速的微束團[6]。為了減小LEBT的氣體負(fù)載對RFQ真空系統(tǒng)產(chǎn)生影響，利用差分法，將RFQ端板的束流孔徑設(shè)計為10 mm的小孔。RFQ配置了3臺1 000 L/s離子泵做主抽泵，2臺MAW1300的磁懸浮分子泵為預(yù)抽泵，可以獲得3×10-6Pa的真空度。另外，RFQ還安裝了一臺四極質(zhì)譜計，用于分析腔體內(nèi)的殘余氣體成分，同時也可以作為一種檢漏手段。

MEBT區(qū)段：MEBT與真空相關(guān)的主要部件包括兩臺無氧銅聚束腔和一些不銹鋼束測元件，聚束腔經(jīng)過老煉后，放氣量已經(jīng)很小，因此在這個區(qū)段只配備了2臺200 L/s離子泵和2臺100 L/s的離子泵為主抽泵，1臺300 L/s的可移動分子泵機組為預(yù)抽泵，真空部件采用鏈條式快卸法蘭密封，密封圈為菱形鋁密封圈[7]。

DTL區(qū)段：DTL由4段長度約9 m的物理腔組成，為便于加工和安裝，每段物理腔又分為3節(jié)機械腔，每節(jié)機械腔長約3 m，內(nèi)徑為560 mm，DTL真空系統(tǒng)組成如圖4所示。通過理論計算，為每段DTL物理腔配備了7～8臺1 000 L/s的離子泵為主抽泵，1～2臺1 000 L/s的分子泵做預(yù)抽泵，考慮到DTL1物理腔漂移管數(shù)量比較多，老煉期間出氣量比較大等問題，為DTL1物理腔配備了2臺1 000 L/s的分子泵，其余3節(jié)物理腔則只各配備了1臺1 000 L/s的分子泵。另外，DTL1物理腔上還安裝了四極質(zhì)譜計，方便對腔體內(nèi)的殘余氣體成分進(jìn)行分析。

圖4 CSNS DTL真空系統(tǒng)組成圖Fig.4 The constitution diagram of CSNS DTLvacuum system

3 分析譜圖精準(zhǔn)檢漏

CSNS出束運行一段時間后，RFQ腔壓力出現(xiàn)了跳動，剛開始時跳動不規(guī)律也不頻繁，基本不影響直線加速器系統(tǒng)的正常運行，因此沒有停機檢漏。直至壓力跳動頻率增加、跳動幅值增大，并且呈現(xiàn)有規(guī)律的跳動（約150 s跳動4次），已經(jīng)影響到了直線加速器的正常運行，停機檢漏成為唯一的解決途徑。RFQ腔共配備2套真空規(guī)用于測量真空度，位置如圖3所示，分別為CCG01和CCG02。CCG01跳動幅值明顯高于CCG02，但是兩個真空規(guī)跳動頻率基本一致。圖5是RFQ腔真空度變差后的壓力變化曲線，CCG01跳動最大值為2.5×10-5Pa左右，最小值為3.8×10-6Pa左右。

圖5所示的壓力跳動是真空系統(tǒng)中比較罕見的一種現(xiàn)象，加速器停止束流后，壓力仍然有規(guī)律地跳動，所以可以排除束流的影響，初步判斷壓力跳動是由真空泄漏引起的。由于加速器上很多零部件都需要水冷，水冷焊縫直接面向真空，因此焊縫漏水也可能引起真空性能變差，并且很難從外部檢測到。四極質(zhì)譜計已在先前漂移管直線加速器檢漏中得到了很好的應(yīng)用[8]，通過對DTL1物理腔內(nèi)殘余氣體成分分析，發(fā)現(xiàn)腔內(nèi)的18峰（H2O）遠(yuǎn)高于28峰，成功判斷出12#漂移管漏水，進(jìn)而為解決問題指明了方向。因此，首先對RFQ腔內(nèi)的殘余氣體成分進(jìn)行分析是很有必要的，通過對比18峰和28峰的大小，可以判斷出腔體是漏氣還是漏水。

3.1 RFQ腔內(nèi)的殘余氣體成分分析

圖6是RFQ腔體內(nèi)的殘余氣體成分變化趨勢圖，可以看出，腔體內(nèi)的殘余氣體成分與壓力變化趨勢基本一致，也呈現(xiàn)規(guī)律的跳動。圖6中選取的三條曲線從上到下依次是28峰、32峰、40峰的跳動曲線。選取圖6中兩個時間點的殘余氣體譜圖進(jìn)行分析，圖7是跳動最低點（時刻1）和跳動最高點 （時刻2）對應(yīng)的殘余氣體成分譜圖。

圖5 RFQ腔真空度變差后的壓力變化曲線Fig.5 The pressure change curve of RFQ cavity after the pressure becomes worse

圖6 RFQ腔內(nèi)的殘余氣體成分變化趨勢圖Fig.6 Trend chart of residual gas composition in RFQ cavity

圖7 不同時刻RFQ腔內(nèi)殘余氣體成分譜圖Fig.7 Theresidualgas spectruminRFQ cavityatdifferent times

對比圖7時刻1和時刻2的殘余氣體譜圖可以看出，真空跳動后增加的氣體成分主要是28（N2+CO）、32（O2）、40（Ar），都是空氣成分，所以初步確認(rèn)RFQ腔體某處漏氣，而18峰（H2O）幾乎不變，基本排除漏水的可能。由于RFQ腔上面使用了大量的氟橡膠密封圈，并且CCG01跳動明顯高于CCG02，所以懷疑壓力跳動是由RFQ前面兩節(jié)腔氟橡膠密封圈處的泄漏引起的。

3.2 RFQ入口法蘭密封圈檢漏和確認(rèn)

3.2.1 RFQ入口法蘭密封圈檢漏

從上述分析結(jié)果得知，RFQ前面兩節(jié)腔的橡膠密封圈是重點懷疑對象，因此對橡膠圈密封口進(jìn)行了重點檢漏。首先，關(guān)閉閥門LEBTGV01、RFQGV02PR、LEBT GV04PR和3臺1 000 L/s的離子泵，穩(wěn)定一段時間后開始檢漏。這時CCG01壓力跳動最大值為3.0×10-5Pa左右，最小值為8.1×10-6Pa左右，檢漏發(fā)現(xiàn)RFQ入口法蘭橡膠密封圈里側(cè)有至少4.4×10-7Pa·m3/s的漏率，檢漏結(jié)果如圖8所示。

圖8 RFQ入口法蘭密封圈處檢漏結(jié)果圖Fig.8 Leakage detection results at the sealing ring for the inlet flange

3.2.2 漏點酒精噴注確認(rèn)

由于更換橡膠圈費時費力，而且存在一定的風(fēng)險，因此需要對上述檢漏結(jié)果進(jìn)一步確認(rèn)。采取的方法是對有漏的橡膠密封圈噴注酒精。如圖9所示，10：34噴注酒精后，CCG01、CCG02壓力都暫時不再跳動，CCG01穩(wěn)定在8.1×10-6Pa左右。壓力大概維持了13 min左右，之后再次跳動。11：10打開RFQGV02PR閥門后，CCG01真空度逐漸提高，12：10達(dá)到6.7×10-6Pa，但是仍有跳動。對應(yīng)時間段內(nèi)的殘余氣體成分的變化曲線如圖10所示。

圖9 噴酒精前后RFQ腔體內(nèi)的壓力變化曲線Fig.9 The pressure change curve of RFQ chamber before and after alcohol injection

圖10 噴酒精前后RFQ腔體內(nèi)殘余氣體成分的變化曲線Fig.10 Changes of residual gas composition in RFQ chamber before and after alcohol injection

圖10中31、45、46三條曲線為酒精的特征峰曲線，其中酒精的主峰為31峰，黑色曲線為28峰曲線。從圖9、圖10可以看出，噴注酒精后，酒精峰的變化趨勢與壓力的變化趨勢基本一致。時刻3所指的那一段時間，所有譜峰都基本不跳動，說明酒精暫時堵住了漏孔，一段時間后酒精特征峰跳動明顯高于28峰，說明此時進(jìn)入RFQ真空系統(tǒng)的主要是酒精分子，并夾雜了少量的空氣。

圖11是時刻3和時刻4對應(yīng)的RFQ腔殘余氣體成分譜圖，對比時刻3和時刻4可以發(fā)現(xiàn)，酒精進(jìn)入真空系統(tǒng)后，增加比較明顯的譜峰為31、29、45、27、46，這與《真空設(shè)計手冊》中主要的酒精碎片峰[9]基本吻合。

圖11 橡膠圈噴酒精后RFQ腔內(nèi)殘余氣體成分譜圖Fig.11 Residual gas spectrum in RFQ chamber after alcohol injection with rubber ring

通過對有漏的橡膠密封圈噴注酒精前后的殘余氣體成分進(jìn)行分析，確定了RFQ入口法蘭橡膠密封圈有漏，擇機更換橡膠密封圈。

3.3 橡膠密封圈更換后的壓力變化曲線

圖12是更換RFQ入口法蘭密封圈后，RFQ腔內(nèi)壓力變化曲線?？梢钥闯?，RFQ腔更換入口法蘭密封圈后，雖然腔內(nèi)壓力仍有跳動，但是跳動頻率明顯減小且沒有周期性，說明引起RFQ壓力規(guī)律跳動的主要原因為入口法蘭橡膠密封圈的泄漏；更換橡膠密封圈后，CCG02的跳動幅值明顯高于CCG01，說明主要的漏點已經(jīng)不在前兩節(jié)腔上，而在RFQ后面兩節(jié)腔上，所以決定對RFQ腔進(jìn)行全面檢漏。

圖12 更換入口法蘭密封圈后，RFQ腔內(nèi)壓力變化曲線Fig.12 The pressure change curve of RFQ cavity after the inlet flange sealing ring is replaced

3.4 RFQ第四腔調(diào)諧器焊縫漏點涂膠處理

全面檢漏發(fā)現(xiàn)RFQ一腔、二腔各有一個調(diào)諧器的刀口密封都有1.0×10-8Pa·m3/s左右的泄漏，RFQ四腔的一個可動調(diào)諧器有至少7.2×10-7Pa·m3/s的泄漏，一腔、二腔的泄漏與四腔相比，差了一個半量級，所以目前導(dǎo)致壓力跳動的主要原因應(yīng)該是四腔調(diào)諧器的泄漏，這與CCG02的跳動幅值明顯高于CCG01相互印證。精準(zhǔn)檢漏發(fā)現(xiàn)，RFQ四腔可動調(diào)諧器的漏點為焊縫某處，對焊縫漏處涂膠，真空度明顯提高?？蓜诱{(diào)諧器涂膠后復(fù)檢不漏，開分子泵和離子泵一段時間后，CCG02穩(wěn)定在1.6×10-6Pa左右，RFQ腔24 h壓力變化曲線如圖13所示。

圖13 可動調(diào)諧器涂膠后，RFQ腔內(nèi)壓力變化曲線Fig.13 Pressure change curve of RFQ cavity after the movable tuner gluing

從圖13可以看出，RFQ腔內(nèi)壓力偶爾還有小的跳動，但是與圖12相比，跳動頻率和幅值明顯減小，說明RFQ四腔可動調(diào)諧器膠堵漏效果比較明顯，但是RFQ壓力仍然有小幅度的跳動，這可能與RFQ一腔、二腔調(diào)諧器刀口的泄漏有關(guān)。但是由于安裝時這個調(diào)諧器的密封刀口就有缺陷，所以即使更換銅墊圈也可能密封不住，后續(xù)考慮定制比較軟的鉛密封圈，然后利用暑期檢修時間完成更換。

綜合分析，壓力跳動可能的來源有以下幾個方面：（1）漏孔幾何尺寸保持不變，漏孔兩端的壓力差有變化；（2）漏孔幾何尺寸發(fā)生變化，壓力差保持不變；（3）真空獲得系統(tǒng)真空泵抽速不穩(wěn)，特別是離子泵對Ar氣的抽速不穩(wěn)定；（4）真空系統(tǒng)內(nèi)存在不規(guī)則的放氣；（5）真空計存在測量問題等。從分析過程可以得出結(jié)論：RFQ腔的壓力跳動是外漏造成的，基本排除了（3）、（4）、（5）的可能，主要是（1）、（2）兩種因素綜合作用的結(jié)果。

4 結(jié)論

本文首先對CSNS直線加速器真空系統(tǒng)的組成和抽氣系統(tǒng)的構(gòu)成進(jìn)行了介紹；在運行過程中，由于RFQ腔體內(nèi)的壓力出現(xiàn)了規(guī)律性的跳動，因此利用四極質(zhì)譜計對腔體進(jìn)行精準(zhǔn)檢漏。通過對腔體內(nèi)的殘余氣體成分進(jìn)行分析，初步判斷RFQ腔某處有泄漏。檢漏發(fā)現(xiàn)，RFQ入口法蘭橡膠密封圈有4.4×10-7Pa·m3/s左右的漏率，對有泄漏的橡膠圈噴酒精，對比壓力變化曲線和RGA變化曲線都確認(rèn)了橡膠圈有泄漏。更換密封圈后，壓力跳動頻率和幅值明顯減小，說明引起RFQ壓力規(guī)律性跳動的主要原因在于入口法蘭橡膠密封圈的泄漏。通過分析壓力變化曲線，發(fā)現(xiàn)RFQ腔后部某處仍然有泄漏，檢漏發(fā)現(xiàn)RFQ四腔的一個可動調(diào)諧器的焊縫有至少7.2×10-7Pa·m3/s的漏率，對有泄漏焊縫涂膠，壓力跳動頻率和幅值再次減小，真空度也略有提高，基本滿足直線加速器對真空度的要求。