鄭樂見，李繼紅，馮 光

（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

中國散裂中子源（China Spallation NeutronSource，CSNS）是我國“十一五”期間重點建設(shè)的大科學(xué)裝置，旨在建設(shè)成一個世界一流的大型多學(xué)科研究平臺，使其為物理、化學(xué)、生物、能源、材料等領(lǐng)域的微觀研究提供強有力的研究手段。CSNS是繼英國、美國和日本散裂中子源之后，全世界第4臺脈沖型散裂中子源[1-2]。

CSNS 由1 臺能量80 MeV 的負氫直線加速器、1 臺能量1.6 GeV 的快循環(huán)同步加速器（RCS）、2 條束流傳輸線、1 個中子靶站、多臺譜儀、及相應(yīng)的配套設(shè)施組成[3]。中國散裂中子源快循環(huán)同步加速器（CSNS/RCS）采用四折對稱的拓撲結(jié)構(gòu)，主要包括磁鐵系統(tǒng)、勵磁電源系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、束流診斷系統(tǒng)、束流準(zhǔn)直系統(tǒng)、注人系統(tǒng)、引出系統(tǒng)等[4]。

快循環(huán)同步加速器在我國是首次設(shè)計，相關(guān)的設(shè)備都是首次安裝，涉及成百上千臺精密工藝設(shè)備的安裝，存在很多安裝難點，以及許多不確定因素。因此在安裝前，需要根據(jù)不用工藝設(shè)備各自的特點制定詳細的安裝方案，設(shè)計制作專用的吊裝吊具，并定制專用的電動搬運車。加速器設(shè)備在束流方向和垂直束流方向的粗就位安裝精度須控制在±2 mm 以內(nèi)，水平度誤差控制在0.2 mm/m。粗就位完成后，對設(shè)備進行準(zhǔn)直調(diào)整，部分設(shè)備就位精度須控制在±0.05 mm 以內(nèi)[5]。本文將對幾個關(guān)鍵設(shè)備的安裝技術(shù)要點、難點進行剖析探討。

1 二極磁鐵的安裝

CSNS/RCS 快循環(huán)同步加速器周長230.8 m，由4 個弧區(qū)和4 個直線段組成，總體布局為四折對稱的磁聚焦結(jié)構(gòu)。CSNS/RCS 磁鐵系統(tǒng)主要由24 塊二極磁鐵、48 塊四極磁鐵、16 塊六極磁鐵和若干校正磁鐵組成[6]。加速器隧道內(nèi)設(shè)備安裝高度有限，根據(jù)尺寸校核部分設(shè)備無法使用吊帶直接進行吊裝，設(shè)計了專用的吊具工裝進行吊裝。針對不同的設(shè)備特點，主要設(shè)計了5臺專用吊具，包括160B 半鐵吊裝工裝、272Q 整體吊裝工裝、253Q 整體吊裝工裝、272Q/253Q 共用上半磁鐵吊裝工裝、222Q/206Q 共用上半磁鐵吊裝工裝。另外，從吊裝口到隧道并沒有吊車用于設(shè)備運輸，定制10 t、30 t電動搬運車各一臺用于設(shè)備的轉(zhuǎn)運工作。

二極磁鐵RCS-160B 是加速器隧道內(nèi)單體質(zhì)量最大的工藝設(shè)備，達24 t，外形尺寸（長×寬×高）為2.5 m×1.6 m×1.2 m，結(jié)構(gòu)為H 型，由上、下半磁鐵組成。RCS隧道內(nèi)吊車額定載荷16 t，受運輸車輛、隧道吊車載重限制，二級磁鐵必須分開上下半鐵運輸。設(shè)計了160B半鐵吊裝工裝用于磁鐵吊裝并設(shè)置調(diào)平機構(gòu)。吊裝時，吊鉤慢速起升使吊索慢慢拉緊，待上半磁鐵離開下半磁鐵時停止，目測檢查上半磁鐵是否水平；如有明顯傾斜，放下磁鐵，調(diào)節(jié)吊具上的花籃螺栓長度，實現(xiàn)磁鐵的調(diào)平，直至符合要求位置。如圖1所示。

圖1 二級磁鐵安裝

二級磁鐵RCS-160B 在測試樓進行磁測、準(zhǔn)直標(biāo)定等各項測試實驗后，分開上下半鐵運輸、安裝。在上下半鐵拆裝的過程中，二級磁鐵拆裝過程中有一個難點，二級磁鐵線圈支撐結(jié)構(gòu)通過螺紋機構(gòu)調(diào)節(jié)支撐高度，在測試樓準(zhǔn)直標(biāo)定后運進隧道安裝時高度不可改變，線圈支撐結(jié)構(gòu)重復(fù)安裝精度要求較高。因此對每個支撐件進行一對一編號定位并逐一打包，在隧道內(nèi)安裝時需小心謹(jǐn)慎不改變原有高度。由于磁鐵在隧道安裝有朝向要求，而隧道內(nèi)的空間相對狹小，磁鐵調(diào)整方向比較困難，所以磁鐵在吊裝口放置在30 t 的電動搬運車上時應(yīng)考慮好搬運車的運輸路線與磁鐵的放置朝向。在隧道內(nèi)用160B半鐵專用吊裝工裝依次將下半磁鐵、上半磁鐵就位后，檢查結(jié)合面應(yīng)緊密、無間隙，所有定位銷均入位，磁鐵四周無錯邊，再使用專用的加長扭力扳手進行上下半磁鐵連接螺桿的緊固。

2 陶瓷真空盒的安裝

CSNS/RCS真空系統(tǒng)中一個關(guān)鍵的工藝設(shè)備是陶瓷真空盒。RCS陶瓷真空盒使用氧化鋁材料，陶瓷管尺寸大，精度高，制造工藝復(fù)雜[7]。陶瓷真空盒從國外進口，訂貨周期長，安裝中一旦損壞，經(jīng)濟損失巨大，并且影響整個工程的安裝進度，因此需制定更為詳細的安裝方案。CSNS/RCS 共有各類陶瓷真空盒72 根，真空盒安裝在磁鐵內(nèi)部，安裝真空盒需先拆解磁鐵。

四極磁鐵安裝真空盒前需拆除上半磁鐵，根據(jù)不同的磁鐵選擇專用吊具將上半磁鐵吊起5 mm，調(diào)節(jié)花籃螺栓，使兩個半磁鐵結(jié)合面的間隙均勻。上半磁鐵移開，吊裝陶瓷真空盒安裝就位。調(diào)節(jié)真空盒支架高度，使陶瓷真空盒比設(shè)計高度低2 mm，防止上半磁鐵復(fù)位時壓到真空盒。上半磁鐵復(fù)位后，將磁鐵連接螺桿按要求的力矩擰緊。調(diào)整真空盒支架，用塞尺測量真空盒與4 個磁極的間隙，使陶瓷真空盒高度位于磁極中心設(shè)計高度，再將束流方向按設(shè)計位置調(diào)整到位。真空盒與真空盒之間采用快卸鏈條連接，從側(cè)面擰緊螺栓節(jié)省了安裝空間。真空密封連接的過程采用力矩扳手，先使用一個較小的力矩均勻擰緊，檢漏過程中如果出現(xiàn)微漏再逐步加大力矩。連接過程中兩個螺栓要交替擰緊，以保證受力均勻沒有內(nèi)應(yīng)力。六極磁鐵與四極磁鐵共用一根陶瓷真空盒，要求在沒有準(zhǔn)直的情況下先安裝陶瓷真空盒，因此磁鐵安裝就位后調(diào)整兩磁鐵中心重合，四六極磁鐵粗就位的安裝位置精度須控制在±1 mm以內(nèi)。如圖2所示。

圖2 四六級磁鐵共架陶瓷真空盒安裝

二級磁鐵陶瓷真空盒由8 節(jié)陶瓷管和2 個陶瓷法蘭組成，易碎，總質(zhì)量87 kg，長度2.8 m，弧形結(jié)構(gòu)，彎轉(zhuǎn)角度為15°，采用跑道環(huán)形界面[4]。二級磁鐵真空盒與上下磁鐵的理論間隙只有3 mm，設(shè)計了專用的真空盒吊具工裝進行吊裝。工裝按磁鐵陶瓷真空盒外形設(shè)計成弧形（防止翻轉(zhuǎn)），設(shè)置3 個吊點，每個吊點處加入彈簧，設(shè)計成柔性吊點：吊起磁鐵陶瓷真空盒后，彈簧被壓縮；磁鐵陶瓷真空盒落到下半磁鐵上時，彈簧能起到緩沖作用，保護磁鐵陶瓷真空盒不與磁鐵硬接觸，使真空盒落下時受力緩慢變大，減少瞬時沖擊。如圖3 所示。二級磁鐵陶瓷真空盒粗就位的安裝位置精度在±1 mm 以內(nèi)，利用直角尺制作的專用工裝調(diào)整真空盒定位至安裝精度的要求范圍。

圖3 二級磁鐵陶瓷真空盒安裝

3 注入引出設(shè)備的安裝

注入系統(tǒng)是連接直線加速器和快循環(huán)同步加速器的關(guān)鍵組成部分[8]。注入系統(tǒng)由4 塊水平固定凸軌磁鐵（BC）、4塊水平涂抹脈沖凸軌磁鐵（BH）、4塊垂直涂抹脈沖凸軌磁鐵（BV）、2 塊直流切割磁鐵（ISEP）和2 臺剝離膜（STR）組成，所有這些元部件均需安裝在長9 m的直線節(jié)上[9]。因此可以看出注入?yún)^(qū)布置十分緊湊，空間小且設(shè)備多。如圖4 所示。部分空間狹小位置需要制作專用的扳手才能安裝，并且必須嚴(yán)格按照安裝順序進行安裝，主要安裝順序：固定凸軌磁鐵安裝→涂抹凸軌磁鐵BH/BV 共架安裝→真空盒安裝→切割磁鐵及真空盒安裝→絲靶安裝→主次剝離膜安裝。

圖4 注入?yún)^(qū)設(shè)備

涂抹凸軌磁鐵BH 與BV 共用支架，共用一根陶瓷真空盒，磁鐵安裝就位后調(diào)整兩磁鐵中心重合，粗就位的安裝位置精度須控制在±1 mm 以內(nèi)。注入?yún)^(qū)的絲靶屬于精密設(shè)備，內(nèi)部鎢絲直徑0.03 mm，易斷怕振動，運輸及吊裝過程中需注意，最終安裝落位前需要檢查鎢絲有無斷裂情況。

引出系統(tǒng)是連接快循環(huán)同步加速器和高能輸運線的關(guān)鍵組成部分。引出系統(tǒng)由10 塊垂直方向的快脈沖沖擊磁鐵（Kicker）和1 塊水平方向的直流切割磁鐵（Lambertson）組成[10]。引出切割磁鐵總質(zhì)量為19 t，超過吊車額定載荷16 t，因此該磁鐵需要拆分運輸及安裝，根據(jù)磁鐵結(jié)構(gòu)拆分為8 個部件。運輸時尤其需要注意上磁軛的保護工作，用大方木進行墊平墊實。在隧道內(nèi)組裝時，不能改變線圈支撐件原來的高度，注意線圈在支撐件上必須放穩(wěn)，并用絕緣板固定牢靠。由于線圈與上磁軛間隙較小，安裝上磁軛時應(yīng)十分注意，在反復(fù)確定安全距離下進行安裝。如圖5所示。

圖5 引出切割磁鐵安裝

4 準(zhǔn)直器的安裝

CSNS/RCS束流準(zhǔn)直系統(tǒng)作為RCS控制束流損失的關(guān)鍵組成部分，CSNS/RCS 束流準(zhǔn)直系統(tǒng)采用二級準(zhǔn)直系統(tǒng)，主要由1個主準(zhǔn)直器和4個次級準(zhǔn)直器組成[11]。準(zhǔn)直系統(tǒng)所在區(qū)域為高輻射區(qū)域，決定了準(zhǔn)直器需要有較好的冷卻性能、抗輻射能力、定位精度、穩(wěn)定性，相應(yīng)的安裝過程不能有絲毫差錯。準(zhǔn)直器采用整體轉(zhuǎn)運及安裝，其中主準(zhǔn)直器質(zhì)量為9 t，次準(zhǔn)直器質(zhì)量為7 t。根據(jù)尺寸、載荷復(fù)核，可以用160B半鐵吊具進行吊裝，利用手拉葫蘆進行調(diào)平。在吊裝口至安裝位置的運輸使用10 t電動搬運車，準(zhǔn)直器運輸?shù)某驊?yīng)按有利于安裝的朝向放置。每一臺準(zhǔn)直器安裝粗調(diào)后應(yīng)進行準(zhǔn)直精調(diào)，位置調(diào)整到位后再進行下一臺準(zhǔn)直器的安裝。如圖6 所示。為了減少后期檢修工作時人工操作接觸到的輻射劑量，每個準(zhǔn)直器之間的真空連接采用遠程快卸鏈條裝置，檢修時站在準(zhǔn)直器靠走道外側(cè)，通過操作連接快卸鏈條的長螺桿，就可以實現(xiàn)真空盒波紋管沿束流方向的前進與后退動作，以及法蘭連接鏈條的鎖緊與松開動作。

圖6 準(zhǔn)直器安裝

準(zhǔn)直器處于高輻射區(qū)域，為了避免準(zhǔn)直器周圍的加速器設(shè)備受到高輻射損傷和滿足人工維護的要求，需要對準(zhǔn)直器進行屏蔽。內(nèi)部采用鐵塊，外部采用混凝土，對輻射劑量進行屏蔽[12]。準(zhǔn)直器及其屏蔽塊位置處的輻射劑量比較大，因此對安裝要求更高，必須準(zhǔn)確無誤，以減少運行檢修期間的輻射劑量。準(zhǔn)直器外部混凝土屏蔽塊包括外側(cè)、內(nèi)側(cè)、上層屏蔽塊。側(cè)面屏蔽塊分為分上中下3 層，上層屏蔽塊分為分上下2 層，按照先里后外、先下后上、先束流上游后束流下游的順序進行安裝。安裝下層屏蔽塊之前要先在地上劃好線，要嚴(yán)格按照劃線安裝并減少累積誤差。此外由于走道側(cè)、準(zhǔn)直器上方有電機支架以及電機連接桿，安裝時要時應(yīng)注意對其保護。如圖7 所示。另外由于準(zhǔn)直器上層屏蔽塊的安裝空間很緊湊，設(shè)計專用吊具進行吊裝，同一個吊具分幾組吊點吊裝不同的屏蔽塊，吊裝時注意偏心屏蔽塊重心點的選取。

圖7 準(zhǔn)直器屏蔽塊安裝

5 結(jié)束語

CSNS/RCS快循環(huán)同步加速器工藝設(shè)備數(shù)量眾多，安裝空間緊湊，設(shè)備以及支架都必須按照安裝方案制定好的順序安裝，安裝精度要求高，安裝難度大。通過制定詳盡的安裝方案，設(shè)計制作專用的吊裝吊具，對關(guān)鍵施工環(huán)節(jié)提出多重保護措施，重點討論了關(guān)鍵設(shè)備的安裝技術(shù)要點、難點。主要解決了二級磁鐵的拆裝重復(fù)精度難題、陶瓷真空盒的緩沖防撞難題、注入系統(tǒng)緊湊空間的安裝難題、引出切割磁鐵的拆解難題，以及準(zhǔn)直器高輻射區(qū)域的安裝難題，為今后類似的大科學(xué)裝置工藝設(shè)備的安裝提供了參考。