李康寧 闞朝新 王曉飛 胡躍明 楊丙凡 秦久昌 關(guān)遐令 蘇勝勇包軼文 游曲波 王 華 周建明 樊啟文 劉德忠 楊 濤 胡任威 楊保君
(中國原子能科學(xué)研究院 北京 102413)
北京串列加速器核物理國家實驗室HI-13 串列加速器是我國20 世紀(jì)80 年代初從美國高壓工程公司引進的,于1987 年8 月通過國家驗收正式投入運行,迄今已安全穩(wěn)定運行了35年之久。該加速器按照對國內(nèi)外開放的模式來運行與管理,主要開展了核數(shù)據(jù)測量、核物理基礎(chǔ)研究、核技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)研究和交叉學(xué)科研究。
在過去的35年里,串列加速器運維團隊守正創(chuàng)新,擔(dān)當(dāng)作為,不僅采取了一系列措施保持了這臺加速器的性能,而且根據(jù)實際實驗需要提升了加速器的部分性能指標(biāo)。在新的形勢下,串列加速器運維團隊面臨著設(shè)備日益老化以及嚴(yán)峻的國際發(fā)展環(huán)境,更加需要發(fā)揚嚴(yán)謹(jǐn)求實、創(chuàng)新奉獻精神,不斷總結(jié)運維經(jīng)驗,加強國內(nèi)國際間交流合作,繼續(xù)運維好、管理好、使用好這臺串列加速器。在35 年的運維過程中,所采取的措施以及當(dāng)前面臨的困難將在文中進行詳細闡述。
串列加速器自1988年投入運行至今,保持了良好的運行狀態(tài),年開機時數(shù)和供束時數(shù)統(tǒng)計如圖1所示。從1988 年開始至1994 年開機時數(shù)和供束時數(shù)均穩(wěn)步增長,加速器運行逐步進入穩(wěn)定狀態(tài)。在圖1 中需要解釋的是:在2002 年開機時數(shù)和供束時數(shù)劇減是由于開展了加速管技改所致;2006年開機時數(shù)和供束時數(shù)減少是由于串列加速器注入器升級改造的影響;2017年開機時數(shù)和供束時數(shù)減少是由于配合核物理所專項超導(dǎo)直線調(diào)試所致,即使在疫情期間,實驗室積極協(xié)調(diào)用戶,提高開機效率,開機時數(shù)和供束時數(shù)均未受到明顯影響。自加速器投入運行35 年以來,年平均開機時數(shù)為3 850 h,平均供束時數(shù)為3 350 h。目前,加速器運行狀態(tài)良好,每年穩(wěn)定開機4 000 h 左右,具有銫濺射源、雙等離子體源、鋰電荷交換源三種離子源,能提供H、D、He、Li、O、F、S、Ge、Au等60多種束流。截至2023年3月份,串列加速器完成開機運行14 萬小時,供束11.7萬小時。
圖1 HI-13串列加速器開機及供束機時數(shù)統(tǒng)計圖Fig.1 Statistics of running time and beam time of HI-13 tandem accelerator
第二剝離器的研制于1992年完成,增加了被加速離子能量,位置位于第5和第6段加速管之間。第二剝離器主要包括:控制裝置、驅(qū)動裝置、換向裝置、傳動裝置、變速裝置、剝離膜傳動、間歇機構(gòu)以及支撐和固定機構(gòu)等。
研制完成的第二剝離器系統(tǒng)具有如下性能:1)箔膜的重復(fù)位置誤差小于0.4 mm;2)剝離器可承受外壓1.04 MPa;3)剝離器內(nèi)部真空度達到1.2×10-4Pa;4)在加速器高能區(qū),離子束流相同時,能量可提高10~30 MeV,能量相同時,束流強度可提高約10倍。經(jīng)過實際測試,第二剝離器性能達到或優(yōu)于國際同類裝置水平[1]。
串列加速器建成之初,總共安裝了6 條束流管道。隨著加速器運行趨于穩(wěn)定,科研課題及用戶數(shù)量的增加,原有的6條管道已遠滿足不了實驗需要。為此,于1989年決定擴建4條新的束流管道,分別安裝在開關(guān)磁鐵后左60°、左50°、左30°和左20°位置上。
新增束流管道的物理設(shè)計是以串列加速器的像點為起始點。取束流的初始條件為:粒子種類:O16;電荷態(tài):+7;粒子能量:80 MeV;發(fā)射度:40 mm·mrad·MeV1/2;初始束半寬:x=y=1.5 rnm;初始半散角:x=y=3 mrad;理論計算的靶點直徑均在2 mm之內(nèi)。
管道的真空、電氣、測量、控制等系統(tǒng)的設(shè)計均考慮了與原6 條管道相應(yīng)系統(tǒng)的一致性,以減少設(shè)備,簡化操作,增大可靠性。管道的磁導(dǎo)向器及磁四極透鏡的主要性能參數(shù)均與美國HVEC公司的同類產(chǎn)品相似,其供電電源與原6 條管道上的相應(yīng)設(shè)備共用,通過一組選擇開關(guān)及相應(yīng)的栓鎖繼電器來進行切換。各條管道的真空設(shè)備主要有:一臺JB-200型抽速為200 L·s-1二極濺射離子泵、一個用于保護加速器主真空系統(tǒng)的氣動閥及一個與管道靶室隔離的手動閘板閥。正常的情況下,管道真空能維持在1×10-5Pa之內(nèi),當(dāng)管道真空變?yōu)?×10-4Pa時,氣動閥將會自動關(guān)閉或無法開啟。管道的束流監(jiān)測系統(tǒng)包括靶前的縫隙儀和法拉第筒。靶前的x,y縫隙儀通過一組共用前置放大器與控制室的表頭相連,既可用于調(diào)束時的束流位置顯示,又可用于控制靶上束斑位置和大小[2-3]。
上述4 條束流管道成功投入使用之后,串列加速器又相繼增加了右30°、右40°、右70°支、右20°支和左70°等用于加速器超靈敏質(zhì)譜(Accelerator Mass Spectrometer,AMS)、微束、輻照、天體物理、原子分子、核化學(xué)等研究的5條束流管道。目前,串列加速器由原先的6 條束流線增加到15 條,大大拓展了應(yīng)用領(lǐng)域,方便了用戶實驗,提高了機時的利用效率。
2.3.1 輸電梯國產(chǎn)化
由于串列加速器上的輸電梯是長期連續(xù)運行的設(shè)備,其主要部件為尼龍絕緣子、無油軸承、銷軸等,是易損部件,一條輸電梯的平均壽命只有6 000 h左右。若無備品,就只能將舊梯從加速器上撤下解體,清洗主要金屬部件后與新購置的尼龍絕緣子、無油軸承等重新組裝后再裝入加速器,這一過程一般要一個月的時間,在這期間實驗人員只能等待,大大影響了加速器的開機效率;若有備品,則只是個撤換過程,可以大大減少檢修時間。然而,進口輸電梯價格昂貴,當(dāng)時一條梯子的價格需要近百萬元人民幣。綜合以上因素,串列實驗室科技人員在20世紀(jì)80年代末就開始了輸電梯的國產(chǎn)化研制。
串列加速器輸電梯總長22.3 m,環(huán)繞在兩直徑各為51 cm、中心距為10.3 m 的主從動輪上。其靜態(tài)張力約為5 338 N。輸電梯運行時由主動輪驅(qū)動,以線速度12.3 m·s-1高速轉(zhuǎn)動。加速器正常工作時,輸電梯處于高電壓梯度區(qū),最大電壓梯度達1.84 MV·m-1。這就要求輸電梯必須運行平穩(wěn),其橫向擺度須在1.5 mm 以下。組成輸電梯的主要部件之一——尼龍絕緣子必須具有很好的機械強度、耐磨損、耐高電壓、抗擊穿等。其轉(zhuǎn)動軸承必須是特殊的無油軸承。
無油軸承采用了內(nèi)表面壓著一層細銅網(wǎng)以增加潤滑劑(聚四氟乙烯加鉛粉)的附著強度的鋼板卷制軸承。多年使用表明,此種無油軸承優(yōu)于美國產(chǎn)品,價格不及美國產(chǎn)品的1/20。
尼龍絕緣子是輸電梯的關(guān)鍵部件之一,其研制難點在于,尼龍絕緣子必須同時滿足能耐高電壓和有良好的機械強度。尼龍絕緣子兩孔間距離只有13.3 mm,必須承受52 kV 以上的電壓,即:硬度大、不易磨損、抗拉伸、耐擊穿,而又韌性好、抗沖擊、不易斷裂,經(jīng)過與國內(nèi)有關(guān)單位合作,對不同配方、不同工藝生產(chǎn)的多種尼龍材料進行了多次力學(xué)性能與電氣性能的測定。終于找到了一種較為理想的材料,由于尼龍材料的溫度系數(shù)較大,為充分保證加工精度,尼龍絕緣子的加工要求在恒溫車間進行;使用前需先進行真空干燥除濕除氣。用此材料做出成品與國外產(chǎn)品進行了性能對比試驗,關(guān)鍵指標(biāo)均優(yōu)于國外產(chǎn)品[4-5]。
1996 年完成絕緣子國產(chǎn)化研制之后,在總結(jié)多年的使用經(jīng)驗后,在2022 年又優(yōu)化了配方,使得硬度和抗拉能力進一步提升。
2.3.2 輸電梯檢修改進
輸電梯的檢修時間在加速器總的檢修時間所占比重最大,因此,縮短輸電梯的檢修時間是提高檢修效率的關(guān)鍵。在不考慮2002 年加速管技改以及2022年輸電梯異常故障的特殊因素之外,通過圖2、3 HI-13 串列加速器開鋼筒次數(shù)和檢修天數(shù)統(tǒng)計圖可以看到,加速器開鋼筒的次數(shù)和檢修天數(shù)從2016年開始有了較大的減少,這得益于對于輸電梯無油軸承的改進。之前,安裝輸電梯采用新舊無油軸承混用的方式,導(dǎo)致不同磨損程度的無油軸承混合使用,容易發(fā)生故障。另外,在分析多年輸電梯檢修經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,無油軸承的硬度和耐磨性是影響性能的關(guān)鍵因素,用60Si2Mn 的彈簧鋼代替了原先的45#鋼或40Cr鋼,新改進的無油軸承可重復(fù)使用,使用時間明顯延長。另外,每次更新輸電梯光無油軸承就可節(jié)約萬元成本。
圖2 HI-13串列加速器開鋼筒次數(shù)統(tǒng)計圖Fig.2 Plot showing the frequency of opening the HI-13 tandem accelerator tank over the years
圖3 HI-13串列加速器開鋼筒檢修天數(shù)統(tǒng)計圖Fig.3 Statistics of time taken for maintenance work after opening the HI-13 tandem accelerator tank over the years
串列加速器高壓電極兩側(cè)即低能端和高能端各有4段加速管及相應(yīng)的4段絕緣支柱,每段加速管和相應(yīng)的絕緣支柱有72個加速間隙,間距25.4 mm,每間隙之間跨接一個1 200 MΩ 電阻。由于束流傳輸要求,在第一號加速管和相應(yīng)的絕緣支柱的前18個間隙上跨接600 MΩ電阻。加速管和絕緣支柱的分壓電阻鏈分別由588個1 200 MΩ和18個600 MΩ電阻串聯(lián)組成,兩個電阻鏈共有1 152個分壓電阻。
串列加速器使用的是美國HVEC公司研制的電阻,每個小電阻間有放電間隙保護,是由20 個60 MΩ的小電阻串聯(lián)而成,并被封在環(huán)氧樹脂中,整個電阻又有一個放電間隙保護。串列加速器在13 MV 下運行時,貯能35 kJ。當(dāng)高壓打火時,會嚴(yán)重?fù)p壞加速器部件。為了防止加速器高壓打火時分壓電阻被擊穿損壞,除了分壓電阻自身氣隙保護外,在電阻間安裝了鋁屏蔽板,即采用平板電容式屏蔽來保護電阻。HVEC公司蘭電阻在加速器高壓打火時,易被損壞(電阻完全被擊穿或阻值超過允許范圍),加速器不能穩(wěn)定運行在額定高壓下,迫使開鋼筒檢修。此外,HVEC 公司研制的蘭電阻還存在較嚴(yán)重的老化問題,且價格昂貴(當(dāng)時每個電阻450美元),因此,分壓電阻的國產(chǎn)化研制迫在眉睫。
在測試了同軸管式電阻和框架式電阻分壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,選用了框架式電阻分壓系統(tǒng)。與國內(nèi)科研單位聯(lián)合研制完成的RHY-35 型高壓電阻,阻值600(1%±10%) MΩ,耐壓35 kV,尺寸?10 mm×140 mm,費用僅為進口的1.6%。國產(chǎn)化后的分壓電阻阻值穩(wěn)定,耐高壓性能良好,采用框架式電阻分壓系統(tǒng)保護電阻,安全可靠,電阻故障率大為降低。不僅減少了檢修時間,也節(jié)約了大量經(jīng)費[6]。
串列加速器加速管技術(shù)改造是在串列加速器運行了15年、提供束流時間累計5萬多小時后進行的,于2002 年9 月底完成,歷時1 年10 個月。用1 根243.8 cm和7根223.5 cm的加速管替代了已使用16年之久的8根182.9 cm加速管。為配合新加速管的安裝對加速器的主體布局進行了調(diào)整。對加速器的死區(qū)結(jié)構(gòu)、充電系統(tǒng)、電阻分壓系統(tǒng)進行了改造,重新設(shè)計制作了加速管入口柵網(wǎng)透鏡及供電和控制系統(tǒng)。研制了新的輸電梯死區(qū)惰輪。改造后的加速管提升了頭部電壓,頭部電壓達到15.07 MV[7]。
加速管改造完成當(dāng)年,先后為核數(shù)據(jù)測量、材料輻照、微束研究和天體物理實驗等8個課題提供了9種粒子754 h 的束流。運行時加速器最高頭部運行電壓達14.21 MV,最低頭部電壓為4.26 MV。加速器運行平穩(wěn),其中有的實驗是加速器加速管技術(shù)改造前無法完成的。
為了新的實驗需要,2007 年完成的串列加速器注入器的升級改造主要有以下考慮:1)加速器分析磁鐵后將建一超導(dǎo)增能器,但原有單漂移聚束器不能滿足相應(yīng)的相位匹配要求,注入器后面須建一臺雙漂移聚束器,不同種類離子的能量范圍為100~290 kV,則注入器臺架電壓要由原先的150 kV升至300 kV;2)重核素的AMS 實驗時,為把重同位素分開,注入器質(zhì)量分辨率應(yīng)在核素質(zhì)量數(shù)以上,但有些核素是以分子離子形式引出,因此分辨率應(yīng)好于380,而原有注入器質(zhì)量分辨率只有80;3)原有注入器系統(tǒng)只有一臺離子源,換源、檢修等影響開機效率,新的注入器系統(tǒng)可同時安裝兩臺離子源,以提高開機效率。研制完成的注入器系統(tǒng)建立了兩條注入線:一條為高分辨AMS注入線,另一條為300 kV高能量注入線,可以安裝銫濺射源、雙等離子體源或交換源,可滿足不同實驗需要。
注入器改造完成后,各項指標(biāo)均已達到預(yù)定指標(biāo),高壓臺架的電位提高使整個加速器傳輸效率提高了一倍。注入器系統(tǒng)故障率明顯降低,束流穩(wěn)定性也有了很大提高[8-9]。
在注入器使用的三種離子源中,銫濺射源的使用頻次和機時最多,而進口的濺射源存在價格昂貴、換靶裝置存在驅(qū)動氣路容易堵塞的弊端。運維人員在2018年與國內(nèi)科研機構(gòu)完成了國產(chǎn)化的研究,自研的離子源采用伺服電機驅(qū)動換靶,靶位精準(zhǔn)且具有微調(diào)功能,能同時安裝40 個靶錐,束流指標(biāo)達到國際水平,且價格為進口的50%[10]。
針對使用交直流碳弧法制備的碳剝離膜用于大流強低能重離子的剝離時壽命太短的弊端,采用磁過濾陰極真空弧(Filtered Cathod Vacuum Arc,F(xiàn)CVA)技術(shù)制備了質(zhì)量厚度為5~7 μg·cm-2的類金剛石碳(Diamond-like Carbon,DLC)剝離膜。用XP2U 型精密電子天平測試分析了100 mm 范圍內(nèi)的DLC 剝離膜均勻性,結(jié)果顯示,其最大不均勻性小于10%。通過掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)、原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope,AFM)、萬能摩擦磨損試驗機和X 光電子譜(X ray Photoelectron Spectroscopy,XPS)測試分析了DLC 剝離膜的表面形貌、耐磨損特性和結(jié)構(gòu),結(jié)果顯示,采用雙90° FCVA 技術(shù)沉積的DLC 剝離膜表面光滑致密、耐磨,幾乎沒有大顆粒的污染,表征金剛石特性的sp3 鍵含量超過70%。在串列加速器上使用107Ag-、70Ge-、48Ti-、28Si-、197Au-和127I-6 種典型質(zhì)量的離子束對質(zhì)量厚度為5~7 μg·cm-2的DLC剝離膜和碳剝離膜壽命進行測試比較,結(jié)果顯示DLC剝離膜壽命比碳剝離膜的高2.6~10倍,縮短了檢修時間,有效提升了開機效率[11]。
串列加速器原有的控制系統(tǒng)采用的是傳統(tǒng)的開關(guān)、繼電器的控制方式,隨著運行時間的增長,元器件老化日益嚴(yán)重。另一方面,近些年來信息技術(shù)的飛速發(fā)展,為串列控制系統(tǒng)改造提供了技術(shù)保證。改造后的控制系統(tǒng)大大提升了加速器控制系統(tǒng)的自動化水平。目前,串列加速器注入器系統(tǒng)[12]、真空監(jiān)測系統(tǒng)、輔機系統(tǒng)以及輻射安全連鎖系統(tǒng)均已實現(xiàn)了改造。通過這些改造,不僅克服了元器件老化問題,也減少了運行人員的工作量,提高了加速器運行的保障水平。
串列實驗室建成之初就成立了串列國家實驗室學(xué)術(shù)委員會,根據(jù)串列加速器的目標(biāo)、任務(wù)和研究方向,審議實驗室的重大學(xué)術(shù)活動、年度工作,審批開放研究課題,審議和批準(zhǔn)實驗室的束流分配方案。把有限的束流機時向重點任務(wù)、國家急需的方向傾斜。
運維人員的水平也直接影響到檢修效率,因此實驗室非常注重對運維人員的培養(yǎng)。首先,實驗室建立了包括《HI-13 串列加速器運行質(zhì)量保證大綱》等近10項規(guī)章制度,分專業(yè)編制了培訓(xùn)教材和操作規(guī)程,并根據(jù)加速器改造情況及時修訂。建立了上崗前培訓(xùn),上崗時以老帶新,不定期考核,經(jīng)過多種培訓(xùn)方式之后,進行綜合評估,練就了一支技術(shù)過硬的運行人員隊伍。
另外,充分挖掘大量既往運行參數(shù)數(shù)據(jù),針對不同種類離子的特點,結(jié)合加速器運行狀態(tài),進行分析總結(jié),并貫穿于日常運行中。運維團隊設(shè)計開發(fā)了束流調(diào)試數(shù)據(jù)庫程序,根據(jù)物理實驗人員提出的離子能量或頭部高壓及所要求的束流強度后,自動計算出所需的參數(shù),大大提高了調(diào)束效率。
自串列加速器投入運行,取得了一批具有國際、國內(nèi)重要影響的科研成果,其中獲國家自然科學(xué)獎兩項、國家科學(xué)技術(shù)進步獎8項,國防科學(xué)技術(shù)獎30項,在國內(nèi)外核心期刊發(fā)表論文1 967 篇,其中SCI收錄1 151 篇。串列加速器實驗室已成為我國重要的核科學(xué)研究中心和高級核科學(xué)研究人員的培養(yǎng)基地,為國家培養(yǎng)了一批核科技高級人才,并與來自國內(nèi)50 多家研究單位和美、英、韓、日、俄、德、意等國的科學(xué)家開展了合作研究,建立了良好的國內(nèi)國際合作關(guān)系。
串列加速器也十分重視新技術(shù)新方法新實驗的研究。例如,在2019年首次完成了在北京放射性核束 裝 置(Beijing Radioactive Ion Beam Facility,BRIF)上進行了后加速在線同位素分離(Isotope Separator On-Line,ISOL)束實驗,驗證了北京放射性核束裝置后加速ISOL 束開展物理實驗的方法與技術(shù),為后續(xù)開展奇異原子核物理實驗奠定重要基礎(chǔ),對國際同類裝置開展相關(guān)實驗研究有重要借鑒意義。科研人員研究了在高于庫侖勢壘能量下穩(wěn)定核Na 與雙幻核Ca 的彈性散射角分布。實驗證明,用北京放射性核束裝置的ISOL 束在靶室中用硅探測器陣列測量的角分布,與用非ISOL束在幾乎相同能量下用高精度Q3D 磁譜儀測量的角分布一致。該研究結(jié)果發(fā)表于我國SCI 期刊Nuclear Science and Techniques,并被選為該期刊2021 年推薦論文[13]。
雖然通過運維團隊的不懈努力,建立健全了成熟有效的管理模式,保持了串列加速器良好的運行狀態(tài),但是對于這樣已經(jīng)運行了35年的大型加速器來講,設(shè)備老化是不可回避的問題。在過去的時間里,對于一些關(guān)鍵部件的研制雖取得了較好的效果,但是還有一些關(guān)鍵器件缺乏技術(shù)儲備和研制經(jīng)驗。特別是近年來,嚴(yán)峻的國際發(fā)展環(huán)境,發(fā)達國家對我國國防工業(yè)實施禁售政策,導(dǎo)致了一些器件無法從國外采購,給未來的運行帶來了不可預(yù)料的影響。
對于未來的展望有以下兩點:
第一,繼續(xù)運維好串列加速器:以現(xiàn)有技術(shù)儲備為基礎(chǔ),深入開展關(guān)鍵部件的自主化研制,更好地運行好串列加速器。爭取將30 多年的運維經(jīng)驗運用到物理所專項超導(dǎo)直線加速器、重離子回旋加速器的運維中,更好地服務(wù)好加速器集群的運維。
第二,開展MV級串列加速器的研制任務(wù):通過對串列加速器35年的運維,積累了大量的理論實踐和運維經(jīng)驗,具備了研制MV級以上加速器的能力。目前,依托串列加速器實驗室科技人員,正在研制6 MV、3 MV及1.7 MV串列加速器。相信通過不懈努力,不僅能打破國外對于高壓加速器的壟斷局面,而且能提升我國高壓型加速器的研制能力。另外,由于關(guān)鍵部件研制和整機安裝調(diào)試能力的提升,必將進一步提高HI-13和國內(nèi)其他高壓型加速器的運維水平。
串列加速器已經(jīng)安全穩(wěn)定運行了35年,在這期間運維團隊一直在實踐與創(chuàng)新,根據(jù)實際工作對串列加速器進行改進。在新的形勢下,對于這臺已經(jīng)運行了35年的加速器,運維過程中會更加需要不斷創(chuàng)新,對于關(guān)鍵部件進行自主研制。同時,對于取得的運維經(jīng)驗要充分挖掘,做好新設(shè)備的研發(fā)工作,更好地服務(wù)于科研,推動我國核物理事業(yè)發(fā)展。
致謝感謝自串列加速器建成以來,關(guān)心或從事于串列加速器運維的科技工作者。
作者貢獻聲明本文由李康寧編寫,闞朝新、王曉飛、胡躍明、楊丙凡、關(guān)遐令、周建明、胡任威等完成了電氣電子學(xué)的運維和技改;李康寧、秦久昌、包軼文、游曲波等負(fù)責(zé)了注入器的運維和升級改造;蘇勝勇、王華、劉德忠、楊濤、楊保君等負(fù)責(zé)了主機及真空等的檢修及技改;李康寧、周建明等負(fù)責(zé)了控制系統(tǒng)的升級改造任務(wù);樊啟文等負(fù)責(zé)了剝離膜的制備及研究工作。需要說明的是串列加速器重要的升級改造,都是不同專業(yè)人員共同參與,協(xié)作完成的。