王安鑫，孟 鳴，楊 濤，孫紀(jì)磊，聶小軍，朱東輝，余潔冰，陳佳鑫，王廣源，康 玲

(1.中國(guó)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)

法拉第筒如同束流接收器，在低能段能直接截止束流，在高能段能使束流能量衰減從而被外圍防護(hù)體吸收[1]。在中國(guó)散裂中子源(CSNS)前端(FE)系統(tǒng)和漂移管加速器(DTL)臨時(shí)線兩個(gè)調(diào)束階段，法拉第筒是整個(gè)調(diào)束線的最后一個(gè)設(shè)備，其機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下原則：1) 空間長(zhǎng)度沒有限制，但需考慮經(jīng)濟(jì)效益；2) 水冷焊接縫在真空外；3) 簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，便于機(jī)械加工；4) 減少活化，劑量滿足輻射防護(hù)要求。

本文根據(jù)加速器的調(diào)試需要，研制單斜板靶結(jié)構(gòu)的法拉第筒，并對(duì)法拉第筒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 法拉第筒結(jié)構(gòu)方案

1.1 材料

常用的束流截止材料有銅、鋁、鎳和石墨等，束流低能段可選用銅或鋁，高能段選用鎳或石墨。

根據(jù)Doll等[2]對(duì)4種束流吸收材料在單個(gè)質(zhì)子轟擊下產(chǎn)生的中子數(shù)與質(zhì)子能量間的關(guān)系，石墨材料在整個(gè)能量區(qū)間內(nèi)，單個(gè)質(zhì)子產(chǎn)生的中子數(shù)均低于其他材料。根據(jù)Acharya等[3]列舉的不同吸收材料的活化產(chǎn)物半衰期和伴隨的γ射線能量，石墨同樣優(yōu)于其他材料。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)加工和后續(xù)處理，盡量減少設(shè)備的輻射活化，選擇高純致密石墨(密度>2.0 g/cm3)作為束流的吸收材料，且表面鍍碳化硅膜減少放氣率，同時(shí)布置分子泵機(jī)組和離子泵保證設(shè)備的真空度(10-6Pa)要求。

選擇銅作為冷卻和真空密封材料。銅的導(dǎo)熱性和延展性好，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工和真空釬焊等，但銅的質(zhì)子活化能量閾值較低，僅為2.7 MeV。通過石墨吸收束流，可降低入射到銅板的粒子能量到其閾值以下，降低銅的活化，且石墨吸收束流產(chǎn)生的熱量也可通過銅板快速導(dǎo)出。

1.2 靶型

常用的法拉第筒靶型結(jié)構(gòu)有等錐靶、卵型靶、反卵型靶和板靶等[4]。卵型靶和反卵型靶均對(duì)束流對(duì)中有嚴(yán)格的要求，在束團(tuán)橫向均方根尺寸較小的情況下，不宜選用。且這種靶型結(jié)構(gòu)不規(guī)則，機(jī)械加工較為困難。等錐靶的錐形加工相對(duì)比板靶難，其錐尖無(wú)法真正加工至頂點(diǎn)半徑為0。

在長(zhǎng)度可接受的情況下，本文選擇制造成本較低的單斜板靶結(jié)構(gòu)，如圖1所示。為保證石墨的機(jī)械強(qiáng)度，石墨厚度定為2 mm，根據(jù)SRIM[5]計(jì)算結(jié)果(圖2)，20 MeV質(zhì)子束掠射(傾角10°)入石墨板，粒子全部沉積在石墨層內(nèi)。在脈沖質(zhì)子束持續(xù)轟擊下，石墨板溫度升到一定程度，熱源供給的熱量與散熱達(dá)到平衡后，溫度將達(dá)到一穩(wěn)定的震蕩平衡狀態(tài)。

圖1 法拉第筒縱切面視圖Fig.1 Longitudinal section view of Faraday cup

1.3 冷卻結(jié)構(gòu)

法拉第筒在吸收束流后會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，因此需有效的冷卻結(jié)構(gòu)。本文考慮了兩種水冷結(jié)構(gòu)，一種是參考ADS-RFQ靶型設(shè)計(jì)的微渠道水冷結(jié)構(gòu)[6]，如圖3a所示，其尺寸為a=0.5 mm、b=2 mm、l=6 mm、d=3 mm，每5個(gè)渠道為1組，組間為1 mm金屬形成的“樁”，加強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度。另一種是并聯(lián)圓孔水冷結(jié)構(gòu)，如圖3b所示，板厚為20 mm，圓孔直徑為10 mm，間距為20 mm。

圖2 20 MeV質(zhì)子束10°掠射入石墨板內(nèi)的徑跡Fig.2 Trajectory of 20 MeV proton beam grazing incidence to graphite plate at angle of 10°

圖3 水冷結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of water-cooled structure

兩個(gè)調(diào)束階段的束流物理參數(shù)列于表1。根據(jù)表1給定的物理參數(shù)，束流與靶面夾角設(shè)為20°，在相同的束流邊界條件下對(duì)兩種水冷結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4可見：在3 MeV和20 MeV兩種束流能量下，隨束團(tuán)均方根尺寸σ的增加，最高溫度下降速度均逐漸變緩；微渠道水冷結(jié)構(gòu)的最高溫度略低于并聯(lián)圓孔水冷結(jié)構(gòu)，冷卻效率相比高約7%～10%，但結(jié)果較接近，并隨σ的增加，最高溫度逐漸趨近，冷卻效果差別并不明顯。

表1 兩個(gè)調(diào)束階段的束流物理參數(shù)Table 1 Beam physical parameter in two phases of commissioning

圖4 水冷結(jié)構(gòu)冷卻效果比較Fig.4 Efficiency comparison of water-cooled structure

鑒于微渠道水冷結(jié)構(gòu)的機(jī)械加工相對(duì)復(fù)雜得多，經(jīng)綜合考慮選擇工藝更為簡(jiǎn)單的并聯(lián)圓孔水冷結(jié)構(gòu)。同時(shí)為減小水阻，采用上下兩個(gè)通水槽替代彎管工藝，實(shí)現(xiàn)更大水流量和更好的冷卻效果。

1.4 束流靶面夾角

根據(jù)表1的束流物理參數(shù)，在模擬時(shí)考慮設(shè)計(jì)余量(100%)，取束流平均功率為1.5 kW，σ=2 mm。束流最大功率密度Jo為：

(1)

其中，Pt為束流總功率。

石墨與無(wú)氧銅焊接處必須保證在釬焊溫度(780 ℃)以下，且冷卻水溫度保證在水沸點(diǎn)100 ℃以下，設(shè)計(jì)時(shí)控制垂直靶面的功率密度為最大允許功率密度Jperm=25 W/mm2。那么束流與靶面的臨界傾角β0為：

β0=sin-1(Jperm/Jo)=24.76°

(2)

此時(shí)束團(tuán)沿截束板方向展成(3σ，3σarcsinβ0)的橢圓。圖5示出最高溫度與束流靶面夾角的關(guān)系。由圖5可見，β0=20°、σ=2 mm時(shí)最高溫度為2 134 K，小于石墨熔點(diǎn)(3 850 ℃)。因本文設(shè)計(jì)對(duì)長(zhǎng)度沒有限制，同時(shí)考慮冗余(留足1倍安全系數(shù))，最終確定束流靶面傾角為10°，在此傾角下，靶入口處的給定孔徑r0=70 mm時(shí)，單斜板靶的長(zhǎng)度為403 mm，在可接受范圍內(nèi)。

圖5 最高溫度與束流靶面夾角的關(guān)系Fig.5 Maximum temperature vs. inclination angle of target surface to beam

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 水冷管孔徑

以水冷板厚20 mm、孔間距20 mm為基礎(chǔ)模型，在20 MeV束流轟擊下，最高溫度與水冷管孔徑的關(guān)系如圖6所示。由圖6可見，最高溫度隨水冷管孔徑的增加而逐漸降低，水冷管孔徑為12 mm時(shí)，最高溫度降至最小值1 924.64 K。

圖6 最高溫度與水冷管孔徑的關(guān)系Fig.6 Maximum temperature vs. diameter of water-cooled tunnel

可見水冷管孔徑變化對(duì)最高溫度冷卻效果并不明顯，同時(shí)考慮水冷板厚度限制，故確定水冷管孔徑為12 mm。

2.2 水冷管間距

以水冷板厚20 mm、孔徑12 mm為基礎(chǔ)模型，20 MeV束流轟擊下，最高溫度與水冷管間距的關(guān)系如圖7所示。由圖7可見，最高溫度隨水冷管間距的增加而緩慢升高，水冷管間距為13 mm時(shí)，最高溫度為1 920.77 K。

圖7 最高溫度與水冷管間距的關(guān)系Fig.7 Maximum temperature vs. spacing of water-cooled tunnel

水冷管間距變化對(duì)最高溫度冷卻效果并不明顯，考慮到水冷板機(jī)械強(qiáng)度，水冷管壁至少應(yīng)保證2 mm，確定水冷管間距為14 mm。

束流轟擊面的溫度分布如圖8所示，最高溫度為1 921.69 K，靶受熱最嚴(yán)重的區(qū)域是靠近中心點(diǎn)位置，與理論相符。釬焊面最高溫度的變化如圖9所示。由圖9可見，石墨與水冷板焊接面最高溫度為395.26 K，小于釬焊溫度，同時(shí)水冷管溫度小于水的沸點(diǎn)(100 ℃)，該設(shè)計(jì)滿足要求。

圖8 束流轟擊面的溫度分布Fig.8 Temperature distribution on beam impacting surface

圖9 釬焊面最高溫度的變化Fig.9 Evolution of maximum temperature on brazing surface

2.3 工藝

石墨材料由于純度和工藝差別，導(dǎo)熱系數(shù)λ各不相同，其范圍為129～2 000 W/(m·K)，即使同種石墨材料，其導(dǎo)熱系數(shù)也呈明顯的各向異性，隨溫度發(fā)生變化。根據(jù)模擬分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)熱系數(shù)好的石墨相應(yīng)的冷卻效果也更好，因此在材料選擇時(shí)盡量選擇純度高、致密、導(dǎo)熱系數(shù)高的石墨。

為保證石墨與冷卻板之間熱傳導(dǎo)的有效進(jìn)行，真空釬焊應(yīng)采取滿焊工藝。同時(shí)為達(dá)到較好的冷卻效果，應(yīng)適當(dāng)提高水壓和流速。

2.4 輻射防護(hù)

根據(jù)輻射防護(hù)的計(jì)算結(jié)果，在法拉第筒結(jié)構(gòu)四周增加了50 mm厚的鉛屏蔽層，同時(shí)在真空管道四周設(shè)置2.5 mm厚石墨層，以減小法拉第筒活化。

3 結(jié)構(gòu)分析

單斜板靶的冷卻結(jié)構(gòu)如圖10所示，靶內(nèi)有上下兩個(gè)水槽，水槽之間則有34個(gè)間距為14 mm、直徑為12 mm的圓孔貫通，冷卻水從下側(cè)居中的入水口進(jìn)入下水槽，從上側(cè)水槽兩邊的出水口引出，如此設(shè)計(jì)是為保證靶中間束流中心位置處具有更好的冷卻效果。水壓設(shè)置為0.6 MPa。

圖10 水冷結(jié)構(gòu)剖面視圖Fig.10 Section view of water-cooled structure

銅的線性膨脹系數(shù)約為17.5×10-6/℃，石墨的線性膨脹系數(shù)約為2.0×10-6/℃，差別較大。釬焊時(shí)(780～840 ℃)，石墨與銅420 mm長(zhǎng)的釬焊范圍內(nèi)，兩者線膨脹相差約4 mm，會(huì)引起石墨脹裂。為解決該問題，將石墨分割成42個(gè)10 mm寬的窄條，使線膨脹差值降至約0.6 mm，同時(shí)采用焊接工裝限制銅的變形，分析結(jié)果如圖11所示，石墨焊接變形最大值僅為約0.15 mm，并在實(shí)際焊接中成功避免石墨開裂。

圖11 截束板真空釬焊時(shí)變形模擬Fig.11 Deformation simulation of beam stop plate during vacuum brazing

同時(shí)對(duì)靶體工作時(shí)的應(yīng)力進(jìn)行校核，其最大等效應(yīng)力為12.40 MPa，遠(yuǎn)小于釬焊面的拉伸強(qiáng)度(銅與銅/不銹鋼的釬焊抗拉強(qiáng)度>60 MPa)，且最大變形量?jī)H為0.007 mm，均滿足強(qiáng)度和變形要求。為保護(hù)釬焊位置，防止安裝或搬運(yùn)過程中的沖撞，在釬焊面外側(cè)增加保護(hù)結(jié)構(gòu)，最終加工完成的法拉第筒如圖12所示。

圖12 加工完成的法拉第筒Fig.12 Processed Faraday cup

4 結(jié)論

本文針對(duì)CSNS FE系統(tǒng)和DTL臨時(shí)線兩個(gè)階段的調(diào)束需要，研制了一種新型法拉第筒。經(jīng)過對(duì)材料和靶型的分析比較，采用制造工藝簡(jiǎn)單、成本較低的單斜板靶結(jié)構(gòu)，角度定為10°，選擇石墨作為束流吸收材料，銅作為冷卻和真空密封材料。同時(shí)提出瀑布型并聯(lián)圓孔水冷結(jié)構(gòu)，對(duì)不同孔徑和孔間距進(jìn)行模擬優(yōu)化，確定孔徑為12 mm、孔間距為14 mm。在工藝上采取石墨切塊工藝成功避免石墨應(yīng)力開裂，實(shí)現(xiàn)無(wú)氧銅和石墨真空釬焊。通過結(jié)構(gòu)應(yīng)力校核，最大等效應(yīng)力遠(yuǎn)小于釬焊面的拉伸強(qiáng)度，且最大變形量?jī)H為0.007 mm，滿足強(qiáng)度和變形要求。