李繼紅，馮 光，倪曉曄，鄭樂見

（1.散裂中子源科學(xué)中心，廣東東莞 523808；2.中國科學(xué)院高能物理研究所東莞分部，廣東東莞 523803）

0 引言

中國散裂中子源是“十一五”期間國家重點建設(shè)的12個重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項目之一。中國散裂中子源的建成，使我國在強(qiáng)流質(zhì)子加速器和中子散射領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了一次重大跨越，技術(shù)和綜合性能達(dá)到國際同類裝置先進(jìn)水平，與我國已經(jīng)建成的同步輻射光源優(yōu)勢互補(bǔ)，為材料科學(xué)技術(shù)、生命科學(xué)、資源環(huán)境、新能源等方面的基礎(chǔ)研究和高新技術(shù)開發(fā)提供強(qiáng)有力的研究手段，為解決許多“卡脖子”問題提供關(guān)鍵技術(shù)平臺，對滿足國家重大戰(zhàn)略需求具有重要意義。該裝置由1臺80MeV負(fù)氫離子直線加速器、1臺1.6GeV快循環(huán)質(zhì)子同步加速器、2條束流輸運(yùn)線、1個靶站，以及一期3臺譜儀組成，是各種高、精、尖設(shè)備組成的整體[1]。

1 設(shè)備安裝的技術(shù)要求

加速器和靶站譜儀設(shè)備基本都是精密設(shè)備，造價高且加工周期較長，在安裝過程中要特別注意安全。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)。粗就位完成后，對設(shè)備進(jìn)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)。

2 關(guān)鍵設(shè)備安裝技術(shù)

在加速器設(shè)備安裝隧道底板混凝土澆注前，進(jìn)行設(shè)備基礎(chǔ)預(yù)埋件安裝，通過調(diào)整機(jī)構(gòu)保證預(yù)埋件高程和俯仰角正確。設(shè)備安裝前，由準(zhǔn)直系統(tǒng)在隧道地面放線，設(shè)備的支架在制造廠加工過程中也會進(jìn)行對應(yīng)的刻線。設(shè)備安裝時，將支架上的刻線與準(zhǔn)直在地面的刻線對齊，以確定設(shè)備的安裝位置。

圖1 RFQ整體吊裝圖

2.1 射頻四極加速器（RFQ）安裝技術(shù)

RFQ主要用于加速由離子源產(chǎn)生的能量為50KeV的負(fù)氫離子束流至能量3.0MeV[2]。RFQ在隧道正式安裝前在實驗大廳進(jìn)行預(yù)組裝，并進(jìn)行老煉。為了保留RFQ老煉成果，避免將設(shè)備拆散后運(yùn)入隧道安裝，需要將設(shè)備從實驗大廳整體運(yùn)輸?shù)剿淼腊惭b。如圖1所示，組裝完成后設(shè)備總長3.7 m，總質(zhì)量5 t，而隧道的吊車額定載荷為3 t，因此無法使用吊車進(jìn)行安裝。采用了在支架的支腿上安裝小坦克加千斤頂配合操作的安裝方案，即通過小坦克運(yùn)輸設(shè)備，當(dāng)需要轉(zhuǎn)向時，用千斤頂將支架頂起，轉(zhuǎn)動小坦克的方向。該方案實現(xiàn)了RFQ整體在無吊車情況下的隧道內(nèi)運(yùn)輸。在安裝位置，通過使用螺旋千斤頂將RFQ整體最終精確就位[3]，如圖2所示。

圖2 RFQ安裝就位

2.2 漂移管直線加速器（DTL）安裝技術(shù)

DTL是CSNS直線加速器的主要組成部分，負(fù)責(zé)將負(fù)氫離子從3MeV加速到80MeV。其由4節(jié)長度8～9 m內(nèi)徑為0.566 m的圓柱形物理腔組成，每節(jié)物理腔又分為3段，長度約3 m的機(jī)械腔體，以便于安裝和加工，腔體內(nèi)含有153個全無氧銅漂移管[4]。DTL腔的組裝主要包括筒體的標(biāo)定，漂移管的標(biāo)定、裝入和調(diào)整以及端板的標(biāo)定和安裝調(diào)整等。DTL腔準(zhǔn)直組裝工作量大，精度要求高，在日本同類設(shè)備的準(zhǔn)直組裝過程中使用了準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡、電子水平儀、水準(zhǔn)儀以及激光跟蹤儀等多種設(shè)備。而CSNS/DTL從標(biāo)定到組裝主要采用激光跟蹤儀，并利用激光干涉儀校準(zhǔn)平臺對激光跟蹤儀進(jìn)行校準(zhǔn)，從而最大程度發(fā)揮了激光跟蹤儀的性能，提高了工作效率[5]。在腔體內(nèi)部組裝完成后，進(jìn)行整腔安裝就位，由于DTL腔體在40 m范圍內(nèi)要求安裝誤差控制在±0.1 mm的極高精度，且3 m單腔內(nèi)漂移管均為懸臂結(jié)構(gòu)，其每個漂移管位置、尺寸和重量的多樣性導(dǎo)致DTL腔的整體高平穩(wěn)運(yùn)輸和吊裝變得十分困難。設(shè)計了可調(diào)節(jié)重心的DTL腔通用吊具，該吊具可以調(diào)節(jié)吊點位置，實現(xiàn)了DTL腔體在測試廳和隧道內(nèi)的高平穩(wěn)安裝，如圖3所示。在運(yùn)輸前后嚴(yán)格進(jìn)行調(diào)平，保證了DTL腔整體運(yùn)輸微米量級形變要求。

圖3 DTL隧道吊裝就位

2.3 真空盒安裝技術(shù)

真空系統(tǒng)主要功能是提供滿足束流壽命和高壓設(shè)備的真空度，以保證束流高效穩(wěn)定運(yùn)行，該系統(tǒng)安裝關(guān)鍵在于真空盒法蘭密封連接。真空系統(tǒng)要求真空度達(dá)到10-6Pa，每段真空盒的總漏率小于1×10-10Pa·m-3/s，因此對安裝要求極高。直線加速器和輸運(yùn)線真空盒材料均為316不銹鋼。如圖4所示，真空盒之間采用快卸鏈條法蘭進(jìn)行連接，在真空法蘭連接密封過程中采用扭力扳手，將力矩調(diào)至25 N·m，均勻上緊。真空檢漏過程中如出現(xiàn)微漏，則將力矩調(diào)整至30 N·m，如果再次失效，則需要更換密封圈重新進(jìn)行真空密封。

快循環(huán)同步加速器真空盒采用靜壓方法制備的氧化鋁為材料，分別通過玻璃化和金屬化工藝對分段的陶瓷真空盒及法蘭進(jìn)行焊接。陶瓷真空盒在安裝過程中要防止被擠壓，特別是在空間狹窄、間隙小的情況下施工。首先根據(jù)圖紙中的尺寸將磁鐵與支架的相對位置調(diào)整到位，特別是共架支架，要將多臺磁鐵的水平垂直位置調(diào)至一致。然后將真空盒支架調(diào)至低位，通過專用真空盒吊裝工裝將真空盒吊至支架上。磁鐵合蓋后，通過調(diào)節(jié)真空盒支架使真空盒安裝就位。真空法蘭連接采用力矩扳手將力矩調(diào)至25 N·m，如出現(xiàn)漏點，則逐漸加大力矩。如圖5所示。

圖4 磁鐵單元真空盒安裝

圖5 二極磁鐵真空盒安裝

3 靶站內(nèi)環(huán)至靶站輸運(yùn)線（RTBT）設(shè)備

3.1 安裝技術(shù)

靶站內(nèi)RTBT（即24 m段）總共包括7個設(shè)備單元，每個單元結(jié)構(gòu)基本類似，主要分為支架、共架、吊裝框架、導(dǎo)向架4部分。底層支架通過地腳螺栓固定在隧道內(nèi)，上層支架與磁鐵等設(shè)備組裝為1個整體成為1個設(shè)備單元。上層共架設(shè)置的3～4個錐形球窩與支架上固定的定位球進(jìn)行接觸與定位，從而實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程安裝和定位。由于RTBT隧道狹窄，設(shè)備單元重大，最重的一個單元重達(dá)40 t，且需遠(yuǎn)程安裝就位，難度大且工期緊張。主要解決了較高精度下的單元遠(yuǎn)程安裝問題。采用了重心偏心調(diào)平的方案，即設(shè)計了可用于工件調(diào)平和可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程鋼絲繩掛鉤脫的吊具，先期調(diào)整吊具的吊點高度，使用鉗工水平儀將設(shè)備單元進(jìn)行調(diào)平，達(dá)到安裝要求后通過預(yù)先安裝在墻體的導(dǎo)向架進(jìn)入預(yù)定安裝位置，如圖6所示。經(jīng)計算和現(xiàn)場實驗獲得最優(yōu)方案，實現(xiàn)7個單元遠(yuǎn)程安裝。在不影響準(zhǔn)直等工作前提下，24 m段設(shè)備單元預(yù)安裝和隧道安裝交錯施工，大大加快了進(jìn)度。在進(jìn)行真空法蘭密封過程中，使用長桿工具，螺桿擰緊約40圈實現(xiàn)真空密封。

圖6 設(shè)備單元吊裝

3.2 氦容器安裝技術(shù)

氦容器是為散裂反應(yīng)核心區(qū)提供氦氣氣氛保護(hù)，以減少放射性氣體的產(chǎn)生，同時防止放射性氣體及活化介質(zhì)的泄露，并為其他系統(tǒng)提供安裝接口，給質(zhì)子束流和中子束提供輸運(yùn)通道，是靶站關(guān)鍵設(shè)備之一，其安裝質(zhì)量好壞將直接影響到散裂中子源的整體性能，如圖7所示。氦容器是1臺立式圓筒形密封容器，高7.8 m，最大直徑φ4.8 m，總質(zhì)量68 t。其內(nèi)部將安裝靶體、慢化器、反射體及屏蔽體等組件，包含20條中子孔道、質(zhì)子入射孔道和靶體插件孔道。氦容器安裝基礎(chǔ)為裙座，已安裝在靶站基板上，標(biāo)高為1.3 m。周圍的重混凝土屏蔽墻、鋼柱及熱室已澆筑完成，最高處距地面9.7 m，須要將設(shè)備整體吊越9.7 m的現(xiàn)有構(gòu)筑物。安裝的難點是將氦容器由臥式姿態(tài)轉(zhuǎn)為立式姿態(tài)。項目采用1臺500 t和1臺300 t的汽車吊進(jìn)行抬吊的方案。氦容器翻身后，通過主吊車吊入直徑9.6 m的密封筒內(nèi)[6-8]。如圖8所示。

圖7 雙吊車抬吊氦容器

圖8 氦容器安裝就位

圖9 慢化器反射體安裝

3.2 慢化器反射體安裝技術(shù)

慢化器內(nèi)充滿含氫慢化工質(zhì)，CSNS靶的散裂反應(yīng)產(chǎn)生的高能快中子通過與其發(fā)生多次彈性和非彈性碰撞，高能快中子就會將能量轉(zhuǎn)移給慢化工質(zhì)而轉(zhuǎn)化成可以用于實驗的熱中子[9]。如圖9所示，該設(shè)備與屏蔽體組裝成1個整體，總高度達(dá)到6.4 m，總質(zhì)量44 t。慢化器與反射體插件下端（鋁容器）與周邊設(shè)備的安裝間隙單邊只有5 mm，無法直接觀察鋁容器安裝過程，要保證鋁容器不與氦容器內(nèi)部相撞，難度較大，現(xiàn)場采用遠(yuǎn)程攝像頭監(jiān)視安裝。在起吊過程中，3點起吊，采用2個手拉葫蘆進(jìn)行調(diào)平，并用鉗工水平儀校準(zhǔn)。在安裝過程中為了查看定位塊的接觸情況，在定位塊處噴涂朱丹粉、紅丹油，安裝后察看定位塊被蹭掉顏色區(qū)域，以此判斷定位塊的接觸情況，通過修改定位塊的尺寸，調(diào)節(jié)設(shè)備的安裝精度。最終實現(xiàn)了安裝位置與理論設(shè)計值在水平面上最大偏差0.18 mm，在高程方向上偏差0.2 mm。

4 結(jié)束語

中國散裂中子源，設(shè)備眾多、工藝復(fù)雜、安裝難度大，本文通過制定詳細(xì)的施工方案，以及對關(guān)鍵技術(shù)的控制，解決了精密設(shè)備的運(yùn)輸及安裝和陶瓷真空盒的精確安裝等難題，為今后同類項目的實施提供了參考。