中国加速器驱动次临界系统常规磁铁的磁场测量

张 卓，陈 沅，杨向臣，彭全岭

（中国科学院 高能物理研究所，北京 100049）

加速器驱动次临界系统（accelerator driven sub-critical system，ADS）这个概念是20世纪90年代提出的，它是利用加速器加速的高能质子与重靶核（如液态铅）发生散裂反应，用散裂产生的中子作为中子源来驱动次临界包层系统，使次临界包层系统维持链式反应以便得到能量和利用多余的中子增殖核材料和嬗变核废物［1］。ADS是世界上第一台加速器驱动次临界系统，其加速器部分是一台强流超导质子直线加速器，由强流质子源、射频四极场加速器RFQ、超导直线加速器以及相关的束流传输线组成［2］。

常规磁铁是构成中能传输线的重要部分，根据已有的运行和维护经验，磁铁系统的稳定与否，将会直接影响加速器工作性能的好坏。只有确保磁铁长期运行的可靠性和稳定性，才能使粒子束的动力学参数得到最优化，进而实现ADS加速器稳定、高效的运行。通过对常规磁铁进行磁场测量，确认其实际磁场值与磁场分布是否与物理设计相吻合，是否达到了物理设计要求。通过对磁铁长时间通电情况下的稳定性测试，确保磁铁的运行稳定性。因此，磁场测量是检测磁铁实际设计与制造结果的重要步骤。

1 测量与准直系统概述

1.1 测量设备

霍尔测量装置（也可称为“点测机”）是可以3个方向（X、Y 和Z 轴）移动的测量平台，其各向的移动通过计算机来控制。测量范围分别为：X 向，±225 mm；Y 向，±75 mm；Z 向，±1 000mm。这3个方向的定位、重复性精度可达±0.01 mm。此外，点测机还可进行探杆的旋转调节和俯仰调节，以保证探头可垂直进入磁铁的磁场测量区域。这样综合起来，探头共可进行5个方向的调节（图1）。其中特斯拉计和霍尔探头由新西兰的Group3公司［3］生产和制造。霍尔探头的型号为MPT-141，其敏感区位于探头的1×0.5（mm）位置。

1.2 准直设备与准直过程

准直设备主要是水准仪和经纬仪，目前水准仪采用的是自安平式水准仪NA2［4］及GPM3测微器，经纬仪采用的是美国Brunson公司的76-rh190光学经纬仪［5］。

图1 霍尔测量平台Fig.1 Holzer measuring platform

以MEBT1 中1 块四极磁铁的准直过程为例，首先将经纬仪进行自身安平，然后确定霍尔探头沿Z 向运动时所在的铅垂面，通过Z向的往复移动，调节经纬仪的角度，保证Z 向的直线运动与经纬仪刻线在一条直线。然后，利用NA2建立以大地为基准的水平面，配合磁铁的靶标，调节三维5个自由度的磁铁支架将磁铁的几何中心平面调节至水准仪所建立的基准面上。最后根据磁铁靶标与磁铁本身的水平、垂直位置刻线，对磁铁进行扭摆、平移的调节，最终实现磁铁的几何中心与霍尔探头运动轨迹的三向重合，找到了磁铁的几何中心，即完成了磁铁在霍尔点测平台的准直工作（图2）。

图2 四极磁铁Fig.2 Quadrupole magnet

2 MEBT1和MEBT2磁铁的测量要求

2.1 MEBT1的测量要求

Q1、Q2为相同四极铁，Q3、Q6 为相同四极铁。

1）每块磁铁测量之前首先进行3 次标准化循环［6］，将电流升至该磁铁额定电流的1.05倍；2）挑选Q1和Q6分别代表两种四极磁铁，选择100，200，…，420，440A 电流，横向位置选择X＝±11mm，±16mm 进行积分励磁曲线测量；3）将电流升至磁铁的额定电流，Q1 和Q2磁铁在X＝±11mm（ΔX＝2mm）范围内、Q3和Q6磁铁在X＝±16mm（ΔX＝2mm）范围内进行积分场分布测量，并得出积分梯度。

2.2 MEBT2的测量要求

Q1、Q3为相同四极铁，C1、C3为相同校正铁。

1）Q1、Q3的测量要求

（1）每块磁铁测量之前首先进行3 次标准化循环，将电流升至该磁铁额定电流的1.05倍；（2）选择Q2 磁铁作为代表，按照100，200，…，380，400 A 测 量 积 分 励 磁 曲线；（3）将电流升至磁铁的额定电流，在X＝±16 mm范围内，对每块四极磁铁进行积分梯度的测量。

2）C1、C3的测量要求

（1）将电流升至额定电流，测量中心磁场强度；（2）将电流升至额定电流，在X＝±66mm（ΔX＝2mm）、Z＝±200mm 范围内进行积分场分布的测量［7］。

对于MEBT1 和MEBT2，无论是哪种磁铁，在测量完成后，均选择1块代表磁铁，在额定电流下，对其进行温升试验，MEBT1磁铁电流稳定后温度为33～36 ℃，MEBT2四极磁铁电流稳定后温度为34～36℃，校正磁铁电流稳定后温度为40～42 ℃。

3 MEBT1和MEBT2磁铁的测量结果

3.1 MEBT1四极磁铁的测量结果

以Q1、Q6为例，MEBT1四极磁铁的测量结果列于表1，积分场均匀度和积分励磁效率示于图3。

表1 MEBT1磁铁测量值与理论值的结果对比Table 1 Results contrast for measurement values and theoretical values of MEBT1magnet

图3 MEBT1四极磁铁的积分场均匀度和积分励磁效率Fig.3 Integral field uniformity and integration excitation efficiency of MEBT1quadrupole magnet

MEBT1 中6 块四极磁铁的积分场梯度、有效长度和中心磁场梯度均达到物理理论设计要求［8］。6块四极磁铁的积分励磁效率分别好于93%和98%，完全满足物理设计的90%励磁效率的要求。

3.2 MEBT2磁铁的测量结果

以Q1、C1为例，MEBT2磁铁的测量结果列于表2。C1校正磁铁的积分场分布示于图4。

MEBT2四极磁铁的积分场分布满足设计要求，校正磁铁的积分场强达到设计要求。

表2 MEBT2磁铁测量值与理论值的结果对比Table 2 Results contrast for measurement values and theoretical values of MEBT2magnet

图4 C1校正磁铁积分场分布Fig.4 Integral distribution of C1correction magnet

4 霍尔测量的误差来源及减小分析

由于DTM-151高斯计已进行过标定，其主要是霍尔传感器采集的电压信号，MPT-141探头属于自带的温度补偿系统的高精度探头，其输出信号已在内部进行了线性处理和温度补偿。因此，测量误差主要来自以下几方面。

1）环境温度变化带来的误差。根据DTM-151高斯计的设备要求，其工作在25 ℃的环境中，测量磁场值精确度可达±0.01%，本次实验环境温度在25 ℃（变化量±1 ℃）的恒温间中进行［9］。

2）磁铁负载电源的稳定性带来的误差。本次实验使用的是高精度稳流电源，电流5h稳定性在1×10-4，可满足测量要求［10］。

3）准直系统带来的误差。经纬仪的精度为0.05mm，对于探头和磁铁相对位置之间带来一定的误差，但可通过准直完成后反向移动探头来消除［11］。

5 总结

MEBT1和MEBT2 磁铁通过霍尔测量后，磁铁的积分场分布、磁场强度等各项指标均满足物理设计要求。

［1］ 詹文龙，徐瑚珊.未来先进核裂变能——ADS嬗变系统［J］.中国科学院院刊，2012，27（3）：375-381.ZHAN Wenlong，XU Hushan.Advanced fission energy program：ADS transmutation system［J］.Bulletin of Chinese Academy of Sciences，2012，27（3）：375-381（in Chinese）.

［2］ 方守贤，王乃彦，吕敏，等.关于加速器次临界系统的研发促进我国核能可持续发展的建议［J］.中国科学院院刊，2009，24（6）：641-644.FANG Shouxian，WANG Naiyan，LV Min，et al.Recommendations on the development accelerator subcritical system to promote the sustainable development of nuclear energy［J］.Bulletin of Chinese Academy of Sciences，2009，24（6）：641-644（in Chinese）.

［3］ 赵万杰.DTM-151 型数显式霍尔效应高斯计［M］.深圳：［出版者不详］，2011.

［4］ 杨振，李广云，袈磊.光学准直测量方法与精度分析［J］.红 外 与 激 光 工 程，2011，40（2）：282-286.YANG Zhen，LI Guangyun，JIA Lei.Method and accuracy analysis of optical alignment［J］.Infrared and Laser Engineering，2011，40（2）：282-286（in Chinese）.

［5］ 中国测绘学会.2006 精密与大型工程测量技术研讨交流会论文集［C］.武汉：［出版者不详］，2007.

［6］ 赵籍九，尹兆升.粒子加速器技术［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［7］ 刘智民，陈秉乾.电磁学［M］.北京：高等教育出版社，1997.

［8］ 徐亚雪，秦会斌.磁场分布测量系统的设计［J］.电子器件，2009，32（2）：382-385.XU Yaxue，QIN Huibin.Magnetic field distribution measurement system design［J］.Electron Devices，2009，32（2）：382-385（in Chinese）.

［9］ 陈继忠.全自动磁场分布测量与设计［J］.现代制造工程，2003，5（11）：58-59.CHEN Jizhong.Automatic magnetic field distri-bution measurement and design［J］.Manufacturing Engineering，2003，5（11）：58-59（in Chinese）.

［10］杨文英，翟国富.小型永磁体空间磁场测量技术探讨［J］.低压电器，2007，17（3）：5-8.YANG Wenying，ZHAI Guofu.Magnetic field measurement technology of a small permanent magnet space［J］. Low Voltage Apparatus，2007，17（3）：5-8（in Chinese）.

［11］贾辉，姚勇.机械准直器的发展［J］.光学技术，2007，1（1）：20-23.JIA Hui，YAO Yong.Development of mechanical collimator［J］. Optical Technique，2007，1（1）：20-23（in Chinese）.