CSNS漂移管泄漏檢測

劉順明 ，王鵬程 *，宋 洪 ，劉佳明 ，關玉慧 ，譚 彪 ，孫曉陽 ，李 波 ，吳小磊

（1.散裂中子源科學中心，廣東 東莞 523808；2.中國科學院高能物理研究所，北京 100049）

0 引言

CSNS是我國“十一五”期間重點建設的大科學裝置，質子束功率達100 kW、有效脈沖中子通量居世界前列，與英國散裂中子源ISIS、美國散裂中子源SNS和日本散裂中子源J-PARC一起被列入世界四大散裂中子源。CSNS建設的主要內容包括：1臺80 MeV負氫離子直線加速器、1臺1.6 GeV快循環質子同步加速器、2條束流輸運線、1個靶站、3臺譜儀（通用粉末衍射儀、小角散射儀和多功能反射儀）及相應的配套設施。負氫離子直線加速器包括：1臺50 keV潘寧負氫離子源（IS）、1條低能傳輸線（LEBT）、1臺3.0 MeV射頻四極加速器（RFQ）、1條中能傳輸線（MEBT）和1臺80 MeV漂移管直線加速器（DTL）[1-3]。

DTL由4節長度約9m的RF腔體組成，每節RF腔體又分為3段長約3m的機械腔體，以便于加工和安裝。漂移管是DTL的核心部件，其加工精度要求高，難度大。為了克服RF電場徑向散焦力，同時克服粒子的空間電荷效應，每個漂移管內部均安裝磁鐵對被加速粒子進行聚焦[4]?？紤]到整個裝置的靈活可調性，CSNS DTL選擇了電四極磁鐵。電四極磁鐵的最高工作電流達580 A，產生較大的歐姆熱[5]，因此，線圈需要通水冷卻。2017年，12#漂移管線圈出現漏水，DTL1#腔壓力由7.2×10-6Pa升至2.4×10-5Pa，并且伴隨腔體打火，影響加速器的正常運行。為了降低DTL1#腔的壓力，采取了以下措施[6]：（1）排空12#漂移管線圈冷卻水；（2）多次氮氣吹掃12#漂移管線圈，去除殘余水分；（3）通電烘烤12#漂移管線圈，并對線圈長時間抽真空。經過處理后，DTL1#腔逐步恢復了超高真空，滿足CSNS直線加速器的真空需求。

CSNS II束流功率將升級至500 kW，需要12#漂移管正常工作，因此，2021年完成了12#漂移管的替換。確認12#舊漂移管的具體泄漏原因以及泄漏位置，對后續漂移管備件的加工至關重要，因此，需要對12#舊漂移管的泄漏作進一步的剖析。

1 漂移管外殼泄漏位置確認

由于12#舊漂移管出現了漏水，漂移管外殼某處肯定存在漏點，圖1標示出了漂移管外殼存在的5處電子束焊焊縫，為了判斷漏點位置，需要對每條焊縫逐一排查。真空檢漏示意圖如圖2所示。

圖1 漂移管外殼焊縫位置及環氧樹脂狀況Fig.1 The position of the welding seam of the drift tube and the epoxy condition

圖2 漂移管檢漏示意圖Fig.2 Schematic diagram of drift tube leak detection

從漂移管桿抽氣，可以檢到每條焊縫。為了起到絕緣固定作用，漂移管殼內（圖1右上角）及漂移管桿跑道管內（圖1右下角）都澆筑有環氧樹脂。漂移管外殼剖開后如圖1右上角所示，由于是抽氣后再澆注環氧樹脂，所以線圈與電四極磁鐵之間已完全被環氧樹脂包裹，即使某處存在泄漏，也需要經過一段時間才能被檢測到（示漏氣體沿焊縫泄漏至漂移管內部，沿圖中藍色箭頭擴散，最終在真空負壓作用下進入跑道管，被檢漏儀檢測到）。跑道管內的環氧樹脂為重力自然澆灌，環氧樹脂與跑道管之間存在夾縫，可以通過漂移管桿進行抽氣檢漏。

如圖2所示，檢漏時，啟動渦旋干泵1，打開電磁閥2，對漂移管跑道管抽氣，由于漂移管桿內部有環氧樹脂且氣路比較狹窄，需渦旋干泵長時間抽氣（約67 h），才能獲得比較穩定的檢漏本底（1.8×10-11Pa·m3/s）。打開手動角閥3，關電磁閥2，開始檢漏。由于懷疑漂移管束流中心孔兩側的電子束焊焊縫4、5（如圖1）存在泄漏，重點噴檢這兩處焊縫。多次噴檢都沒有檢到明顯的泄漏，原因可能是漏孔通道狹窄、路徑復雜，因此決定對漂移管焊縫進行罩檢。由于12#舊漂移管低能端打火比較嚴重，表面已經黑化，如圖3，懷疑電子束焊焊縫4存在泄漏。因此，首先用真空泥封堵電子束焊焊縫5，罩檢電子束焊焊縫4。20 min罩檢漏率為9.5×10-11Pa·m3/s，漏率較小，不足以引起DTL1#腔壓力的較大變化[7]（DTL1#腔真空泵有效抽速約為3.0 m3/s），進而懷疑電子束焊焊縫5泄漏。封堵電子束焊焊縫4，罩檢電子束焊焊縫5，15 min罩檢漏率為1.8×10-8Pa·m3/s，因此判斷電子束焊焊縫5為主要漏點。另外，低能端芯管圓弧處有一圈比較明顯的凸起，可能是造成低能端打火的主要原因[8]。

圖3 漂移管電子束焊焊縫Fig.3 Electron beam welding seam of the drift tube

用真空密封膠封堵電子束焊焊縫5，罩檢其余4條電子束焊焊縫，罩檢20 min漏率為1.0×10-10Pa·m3/s，漏率較小，確認電子束焊焊縫5為唯一漏點。

2 漂移管線圈泄漏位置確認

2017年12#漂移管線圈出現漏水后，為了減小線圈泄漏對DTL1#腔真空度的影響，一直用機械泵對12#舊漂移管線圈抽真空，至今已經過去4年多，泄漏狀態存在發生變化的可能。因此，確認線圈具體泄漏位置前，需要對目前的線圈泄漏狀態進行確認。漂移管真空檢漏示意圖如圖4所示。將漂移管置于真空室內，安裝四極質譜計，分析真空室內殘余氣體成分，同時連接氦質譜檢漏儀檢漏。本底壓力4.8×10-3Pa，檢漏儀本底4.0×10-10Pa·m3/s，清零后小于4.2×10-12Pa·m3/s。漂移管線圈一端連接手動角閥10，另一端通過手動角閥11連接氦氣瓶。試驗時先打開手動角閥10，通過手動角閥11進氦氣約10 s，將線圈內的空氣排空，然后關閉手動角閥10，再進氣約1 min，確保線圈內充滿氦氣，并且有一定的正壓。約20 min后，氦質譜檢漏儀顯示漏率1.8×10-7Pa·m3/s。同時，RGA（殘余氣體分析儀）檢測到明顯的He峰，確認線圈泄漏。

圖4 漂移管真空檢漏示意圖Fig.4 Schematic diagram of vacuum leak detection of drift tube

為了試驗的嚴謹性，需要對線圈再次通水，確認是否漏水。線圈通水并保持0.8 MPa水壓近16 d，真空室壓力緩慢下降（由4.8×10-3Pa下降到4.1×10-4Pa），RGA也沒有檢測到H2O峰。原因可能是在線圈不通電的情況下，H2O分子很難通過環氧樹脂滲透到真空室內。因此，加水壓檢漏時需對線圈通電。連接電源后真空室重新抽氣，加電前真空室的本底壓力為1.2×10-3Pa。RGA本底如圖5所示：本底壓力較高，18 amu∶28 amu≈1∶1，說明殘余水氣較多；28 amu∶32 amu≈4∶1，14 amu也比較明顯，說明系統漏氣[9]，這可能與漂移管外殼電子束焊焊縫5泄漏有關。

圖5 線圈加電前真空室RGA本底Fig.5 The RGA background of the vacuum chamber before the coil is energized

線圈保持0.8 MPa的水壓，線圈電流從10 A逐漸增大到100 A，真空室壓力和RGA本底基本不變。當線圈電流增大到150 A時，線圈水溫在30～40℃之間，因此，氣體脫附對本底真空度影響不大。線圈保持電流150 A加熱10 min后，真空室壓力迅速變大，最大為1.7×10-2Pa，RGA變化曲線如圖6所示。

圖6 線圈通電后真空室RGA變化曲線Fig.6 The RGA curve during coil energized

從圖6可以看出，真空室壓力升高期間，18 amu為H2O的分子離子峰，17 amu是H2O的碎片峰，都出現明顯的上升，說明H2O分子已經進入真空室，由此可確定12#舊漂移管線圈漏水。28 amu（N2分子離子峰）、14 amu（N2碎片峰）、32 amu（O2分子離子峰）都出現下降，可能是H2O分子暫時起到密封作用，隔絕了空氣；12 amu（C+）、44 amu（CO2）明顯上升，32 amu（O2）明顯下降，可能是漂移管外殼打火導致表面碳化，殘留的C與O2發生反應，生成CO2的緣故；16 amu、15 amu可能是C與H2反應生成CH4的緣故[10]。

為了進一步確認線圈的具體泄漏位置，去掉12#舊漂移管外殼，同時去掉線圈外表面的環氧樹脂，并酒精擦拭、氮氣吹掃外表面，結果如圖7所示。但是在拆除漂移管外殼及環氧樹脂的過程中，線圈短管焊接處焊縫破裂，同時發現有比較明顯的焊接缺陷，懷疑去除環氧樹脂的過程中焊縫缺陷惡化，進而破裂，這可能是泄漏的主要原因。此外，去除環氧樹脂的過程中，線圈末端出現損傷，傷痕較新，是外力所致，不是泄漏的原因，重新火焰焊后，經檢漏沒有發現泄漏。

圖7 12#漂移管線圈現狀Fig.7 Current status of the 12#drifts tube coil

由于線圈表面已經完全去除環氧，檢漏響應時間較快，因此將漂移管置于真空室內檢漏。本底壓力1.34×10-4Pa，檢漏儀本底5.0×10-13Pa·m3/s。線圈通氦氣罩檢，RGA和氦質譜檢漏儀都沒有檢測到氦氣成分增加。對線圈進行加電試驗，線圈加電50 A，15 min內檢漏儀漏率一直維持不變，真空室壓力緩慢增大到1.93×10-4Pa，RGA沒有發現He峰增加。電流加大到70 A，檢漏儀漏率緩慢增大，30 min后漏率達到 3.1×10-11Pa·m3/s，真空室壓力達到 6.35×10-4Pa，但RGA仍然未發現He峰增加。由此判斷漏水是線圈短管焊接處焊縫缺陷導致（位置如圖7箭頭所示）。

線圈加電期間，腔體內RGA變化如圖8所示。從圖8可以看出，18 amu、17 amu最高，18 amu∶28 amu≈40，原因可能是線圈表面有殘留水分（外殼剖開后，有明顯的水漬殘留，雖然經過氮氣吹掃，但是縫隙中可能還有部分殘留），溫度升高導致材料表面的水氣脫附也是可能的原因之一；16 amu（CH4）高于28 amu（主要為CO），主要是漂移管線圈末端火焰焊接過程中產生了大量的C，C與H2在高溫作用下反應生成CH4的緣故。線圈加電期間，所有質譜峰都隨著真空室壓力增大而急劇升高，其中44 amu變化最明顯，升高近13倍，可能是線圈表面殘留的碳氫化合物在高溫作用下釋放出來的緣故，同時，殘留的C會與O2反應生成的CO2，也可能是導致44 amu升高的原因。

圖8 12#漂移管線圈加電期間RGA變化Fig.8 The RGA curve during coil energized

3 后續漂移管備件檢漏方案建議

為確保后續漂移管備件線圈不再出現漏水、漏氣現象，需要對漂移管加工以及焊接過程中線圈、外殼的檢漏重要節點嚴格把關（圖9所示）。同時檢漏方法也需要升級，傳統的噴檢、罩檢已經不能滿足需求，需要對線圈通高壓氦氣，采用真空壓力法檢漏，同時配合RGA分析。

漂移管加工過程中，需要保證3點：

（1）線圈焊上水管后（圖9（a）），通高壓氦氣檢漏，確保線圈澆注環氧樹脂之前不發生泄漏；

（2）盡量采用整根水管，減少非必要的焊接；

（3）漂移管外殼焊接完畢2次澆注環氧樹脂之前（圖9（b）），對外殼通高壓氦氣檢漏，確保外殼在澆筑環氧樹脂之前不發生泄漏。

圖9 漂移管檢漏重要節點Fig.9 Important nodes for drift tube leak detection

通過以上步驟，可以確保漂移管線圈、外殼澆注環氧樹脂前不發生泄漏，避免澆筑環氧樹脂后漂移管檢漏難的問題，同時也可以減少運行期間漂移管出現漏水、漏氣的現象，保證加速器的正常運行。

4 總結

利用氦質譜檢漏儀和四極質譜計對12#舊漂移管進行檢漏和質譜分析，首先確定了漂移管外殼的漏點位置；通過線圈加電同時打水壓的方法確認線圈漏水；剖開漂移管外殼后檢漏，確定了線圈的漏點位置為水管火焰焊接處；最后，根據漂移管的檢漏結果，對后續漂移管備件的加工、焊接和檢漏提出了建議，以避免再次出現漂移管泄漏問題。