2024年5月14日发(作者：手机数据恢复软件免费版破解版)

机械工程师

MECHANICALENGINEER

100MeV强流质子回旋加速器主真空室结构设计

宋国芳，潘高峰，吕银龙，张天爵，林军,李振国，毕远杰

(中国原子能科学研究院，北京102413)

摘要：

中国原子能科学研究院建成了100MeV紧凑型强流质子回旋加速器，其引出能量为75～100MeV，流强为200～

500μA。为了减小粒子加速时束流损失并满足加速器粒子对真空的要求，文中设计了一个内径为4040mm、高度为1270mm的

主真空室来保证加速器的真空。介绍了主真空室结构设计的难点,并对应力分析情况、放射性防护方面设计进行了介绍。

关键词：

回旋加速器；真空室；结构设计

中图分类号:

TL921.1

文献标志码:

粤

文章编号：员园园圆原圆猿猿猿（圆园21）03原园086原园4

DesignofMainVacuumChamberfor100MeVHighIntensityProtonCyclotron

SONGGuofang,PANGaofeng,LYUYinlong,ZHANGTianjue,LINJun,LIZhenguo,BIYuanjie

Abstract:ThecyclotronbuiltinChinaInstituteofAtomicEnergyisahighintensityandcompactprotoncyclotronwith

extractedbeamof75~10OMeVanddesignedcurrentof200~500滋rtoreducethebeamlossduringparticle

introducesthedifficultiesinthestructuraldesignofthemainvacuumchamber,andgivesadetailedintroductiontothe

stressanalysisandthedesignofradiationprotection.

Keywords:cyclotron;vacuumchamber;structuraldesign

accelerationandmeettherequirementsofvacuumfortheacceleratorparticles,amainvacuumchamberwithaninner

diameterof4040permainly

(ChinaInstituteofAtomicEnergy,Beijing102413,China)

0引言

100MeV强流质子回旋加速器是世界上最大的紧凑

型强流质子回旋加速器，也是中国原子能科学研究院HI-

13串列加速器升级工程最重要的主工艺设备，其引出能

量为75耀100MeV，流强为200耀500滋A

[1-2]

。主真空室是加

速器的核心部件之一，与直径6160mm、单重200t以上的

2个主磁铁盖板共同组成了一个工作真空腔。负氢回旋加

速器对减少真空剥离导

致的束流损失十分重要，

加速器真空性能的高低

在很大程度上决定了加

速器的性能，100MeV强

流质子回旋加速器的束

流损失要求小于0.5%，经

轨道跟踪积分加速过程

的束流损失，要求的加速

图1主真空室及周边部件

腔工作真空度要优于6.7伊

安装示意图

10

-6

Pa

[3-7]

。

主真空室内侧的磁极直径为4000mm，磁轭高为

1280mm，外侧主线圈内径为4206mm，主真空室结构设

计只能在这狭小的空间内考虑，且考虑到设备之间要预

留一定的安装间隙，因此主真空室内径为4040mm、高度

为1270mm、外径为2086mm（即壁厚为66mm）。相对于

主真空室4040mm的内径和1270mm的高度，其壁厚只有

66mm，是一个薄壁筒状结构，因此不但要确保主真空室

在真空力的作用下，其形变和应力满足使用要求，而且要

消除主真空室加工过程中的残余应力，并减小主真空室

在加工翻转、运输、安装过程中发生的变形，避免主真空

室产生较大变形，从而导致安装在主真空室周向的设备

安装精度不能满足加速器要求，这是个难点。其次，主真

空室成品的厚度为66mm，但是毛坯厚度为90mm，满足

真空要求的厚板焊接比较困难。最后，主真空室作为100

MeV强流质子回旋加速器的核心部件，在粒子加速、引出

过程中，有部分束流会直接损失在主真空室上，导致主真

空室局部产生活化。在加速器的安装调试及后期维护检

修过程中，对出入加速器内部相关人员会造成辐射伤害，

因而主真空室的材料也需要慎重考虑。本文主要从材料

选择、受力分析与校核等方面对100MeV强流质子回旋加

速器的主真空室结构进行设计研究。

1主真空室的结构设计

1.1主真空室的真空要求

100MeV强流质子回旋加速器的引出流强为200耀

500滋A，当500滋A的粒子束流在加速器内加速时，由于

洛伦兹剥离和真空剥离会产生一定的损失，损失的束流

会活化加速器内部部件，产生放射性剂量，影响加速器的

正常运行和后期维护。100MeV强流质子回旋加速器要求

束流损失小于0.5%，因此加速器内部真空度要优于6.7伊

10

-6

Pa，这就对主真空室的密封性能提出了较高的要求。

因此主真空室采用了双层密封圈结构，两层密封圈之间

抽低真空，有效保证了主真空室的真空度

[8]

。

1.2主真空室的结构形式及加工难点

常规回旋加速器的真空室结构一般为圆筒形结构，

86

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员源

员圆

员园

愿

远

源

圆

园

园圆源远愿员园员圆员源

能量增量

园.17

园.圆园

园.圆缘

园.猿园

MeV

MeV

MeV

MeV

真空度/10

Pa

-5

图2束流损失与真空度的关系曲线图

加工方式有整体加工成型和卷板焊接成型等2种。从加速

器性能角度考虑，为了提高真空性能，减小真空泄漏率，

真空室由整体环形锻件直接加工成型比较好。但100

MeV强流质子回旋加速器主真空室结构不是常规圆筒

形，而且外形尺寸比较大，整体加工毛坯料制备困难，加

工工艺复杂。

综合考虑加速器性能和加工成本，100MeV强流质子

回旋加速器主真空室采用将90mm厚的防锈铝板进行卷

板拼焊，然后进行焊后整体退火、整形，最后整体加工成

型的工艺。其中90mm厚铝板拼焊采用了氩弧堆焊的方

法，是国内目前铝板焊接的最大厚度尺寸。通过实施多项

措施来保证焊接成功：1）进行多次同尺寸焊缝的试验件焊

接，来确定焊接工艺的电流、电压；2）建立了专门的焊接

场地进行焊接作业，并远离风口和窗户；3）设计加工了专

用工装夹具对焊接件进行固定，减小焊接过程中的变形；

4）焊接过程中，对焊接坡口的氧化层进行物理清除和化

学清除，并严格清除焊丝表面氧化层。焊接完成后所有焊

缝外观检测和100%射线探伤，焊缝质量良好，且探伤结

果符合国家相关标准。

主真空室加工成型后，内径尺寸为4040mm、高为

1270mm、壁厚为66mm，整体外形结构为一个薄壁圆筒

结构，为了提高主真空室的力学强度，避免在加工翻转、

运输、吊装时发生较大变形，设计时考虑了如下措施来加

强主真空室侧壁的力学强度：a.主真空室退火、整形后，当

内壁加工至理论尺寸4040mm后，外壁只加工上下两端，

加工范围以不影响主真空室外侧主线圈安装为准，主真

空室外壁中间部分不加

工，这样就增加了主真空

室壁厚，提高了侧壁的力

学强度；b.在主真空室侧

壁高度正中间，远离真空

室侧壁焊缝位置加工了2

个圆周对称的方孔，并焊

接一段引出管道，从而加

图3主真空室结构示意图

强了真空室侧壁的强度。

为了消除主真空室加工过程中的残余应力，在主真

空室粗加工完成后，使用调整工装将真空室外形尺寸调

整至无应力状态的尺寸，然后进行了真空去应力退火处

理，消除了真空室加工后产生的残余应力，保证了主真空

室的最终尺寸精度。

1.3主真空室的材料选择

回旋加速器主真空室的材料一般选用304不锈钢、

316不锈钢、316L不锈钢、纯铝及铝合金。其中不锈钢强度

比较高，但是加工后需进行退磁处理，且束流损失导致不

锈钢活化产生的放射性同位素半衰期较长，因而会产生

较多的剩余辐射剂量，会对加速器的维护人员带来较大

的辐射伤害；纯铝及铝合金材料强度相对较低，但是材料

本身基本没有磁性，束流损失导致纯铝及铝合金活化产

生的放射性同位素半衰期比等量束流损失在不锈钢上活

化产生的放射性同位素半衰期要短得多，且加速器停止

运行后几天内大部分纯铝及铝合金活化产生的放射性同

位素几乎就会衰变完毕，剩余辐射剂量较少，对加速器的

维护人员的辐射伤害相

表1真空室常用材料性能表

对较小。综合考虑这几

材料滓

b

/MPa热处理状态

种材料的力学性能和活

304520固溶

316520固溶

化产生的剩余辐射剂

316L480固溶

量，最终选用5A02(LF2)

1060（L2）55~95退火

（LF2）165~225退火

作为主真空室的材料

[9]

。

5A02

2主真空室的结构受力分析

2.1初步分析

主真空室周向及上下两端均未进行螺钉联接固定，

上下两端分别和主磁铁上下盖板进行接触。主真空室在加

速器正常运行时，本身不承受主磁铁盖板的重力，只承受

主真空室和盖板之间密封圈压缩时密封圈的密封力及真

空状态时外壁的大气压力。密封圈的密封力极小，可以忽

略，因此主要考虑外壁的大气压力。可以将主真空室受力

情况简化为长为1270mm、厚为66mm、宽度为无限小

驻W、两侧分别为固定铰支座和可动铰支座的梁结构。

图4真空室侧壁受力简化模型示意图

梁承受的外力主要是垂直方向的大气压力：F=PS=

PL·驻W。主真空室上下两端的支反力相等：F

上

=F

下

=F/2。

主真空室外壁受到的最大剪切力F

剪

=F/2=PL·驻W/2。则主

真空室外壁受到的最大剪切应力子=F

剪

/S=PL·驻W（/2H·

驻W）=0.95MPa。经计算，主真空室外壁受到的最大剪切

应力远小于材料本身130耀160MPa的抗剪强度。

2.2有限元分析

2.2.1正常运行状态受力分析

主真空室实际情况比较复杂，仅用静载分析经验公

式难以准确计算出真空室承受的最大应力及变形情况，

因此还需要建立三维模型进行有限元分析，以对主真空

室进行进一步的分析确认。正常运行状态时，有限元计算

对真空室的属性设定为：真空室材料为防锈铝5A02，弹性

模量为70GPa，抗拉强度为195MPa,屈服极限为90MPa，

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泊松比为0.33。主

真空室结构为圆

筒形结构，周向受

力均匀，因此建立

模型并根据结构

特点施加的边界

条件如下：主真空

图5承受大气压应力分布图

室上下端面为固

定，真空室外壁均

匀承受一个法向

方向0.1MPa的标

准大气压力。主真

空室侧壁应力分

析结果如图5、图

6所示。

图6承受大气压力变形分布图

由应力分布

图（如图5）可以看

到，受大气压力影

响主真空室的应

力和变形主要集

中在侧壁“腰部”

位置，最大应力为

0.7MPa，最大变

图7未局部加厚无管道应力分布图

形为0.08mm。因

此主真空室在正

常运行状况下，其

侧壁承受大气压

力产生的应力远

小于主真空室本

身的许用应力，主

真空室是安全的。

图8未局部加厚无管道变形分布图

2.2.2翻转受力

分析

主真空室在

加工过程中不可

避免要进行翻转，

薄壁结构翻转时

会由于自重产生

塌陷现象，因此建

图9有局部增厚和管道应力分布图

立模型并根据结

构特点施加的边

界条件如下：主真

空室下端接近线

性固定，真空室外

壁均匀承受自重。

主真空室侧壁应

力分析结果如图

图10有局部增厚和管道变形分布图

7~图10所示。

通过图7~图10可以看到，主真空室“腰部”位置没有

局部增厚和焊接管道时，最大受力点为正下方接触地面

处，应力为13.3MPa；最大变形处为最上端，最大变形为

8.0mm。局部增厚并加上管道后，最大受力点为正下方接

触地面处，最大应力约为13MPa，最大变形处为最上端，

最大变形为7.5mm。由图7和图9的比较可以看出，局部增

厚和焊接管道后，主真空室受到的最大应力变化不大，但

是应力分布更加均匀化，没有局部过大的应力，且其变形

减小了0.5mm。说明在主真空室的加工翻转过程中，由于

壁厚较薄，部件整体刚性较差，在翻转过程中因自重影响

下会承受较大应力。主真空室“腰部”局部增强并焊接管

道后，其承受的最大应力变化不大，但是刚性提高，因此

对自重产生的变形只是减小了0.5mm。

上述分析表明：1）加速器正常运行过程中，主真空室

的侧壁“腰部”位置最大应力为0.7MPa，远小于主真空室

本身的许用应力，主真空室是安全的；2）主真空室“腰部”

局部增强并焊接管道后，加工翻转时最大应力变化不大，

但变形减小到7.5mm；3）在加工翻转时，主真空室因自重

会产生最大7.5mm左右的弹性变形，因此翻转过程中必

须安装支撑工装固定来减小主真空室在这种状况下的变

形，避免其影响成品尺寸。

3应用情况

该主真空室已加工完成，作为100MeV质子回旋加速

器的主要真空系统设备安装在加速器上。主真空室自

2013年开始投入使用，获得了5.6伊10

-6

Pa的超高真空，满

足了加速器0.5%束流损失对真空度的要求。在后期的调

试及加速器正常

运行至今的过程

中，主真空室工

作稳定、可靠，保

证了加速器加速

腔的真空度，确

保了加速器的顺

利运行。

图11真空室安装完成后照片

4结论

100MeV强流质子回旋加速器的主真空室采用整体

拼焊工艺成型，且“腰部”局部增强并焊接管道的结构设

计有效降低了真空室侧壁的受力不均现象，提高了真空

室的强度，减小了弹性变形。经过多年的实际使用，该主

真空室未出现任何真空问题，安全可靠，证明该结构设计

是可行的。该加速器主真空室的结构设计对类似的大型

真空部件的设计有着一定的参考意义。

[参考文献]

[1]

[2]

[3]

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张天爵,李振国,储诚节,等.用于放射性核束设施驱动加速器的

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（下转第91页）

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表2NaCl颗粒物粒径分布测试与标准对照表

计数中位径CMD/滋m

0.077

0.075依0.020

几何标准差

1.751

约1.86

对比项

测试值

标准要求

综上所

述，该试验

台的盐性颗

粒物发生器

发生的NaCl颗粒物粒径分布满足标准要求。

5控制及电气系统设计

控制系统是试验台的数据采集和处理的控制中心，由

计算机、电气附件及控制软件组成。计算机形式为触摸式

一体机，操作系统为WIN10中文版，计算机内置开关量控

制卡和模拟量控制卡，该部分是控制系统的核心。电气附

件主要由断路器、接触器、保护器和继电器等组成，该部

分是控制系统的执行单元。控制软件基于VC软件平台编

写，界面通俗易懂，操作简单，可实时监控当前设备的流

量、压差等参数。软件还可以对工作参数进行设定，可根

据设定的试验方法自动进行试验，并且存储试验数据，该

部分为控制系统的人机交互界面，软件界面如图5所示。

8130型滤料试验台

表3NaCl颗粒物过滤效率对照表

%

的盐性颗粒物过滤

盐性颗粒物

TSI8130

口罩类型过滤效率试滤料试验

效率测试值偏差小

验台测试值台测试值

于1%。

99.09198.932

日常防护口罩

99.07598.754

7结语

99.10498.912

口罩盐性颗粒

98.02197.135

医用防护口罩

97.90597.213

物过滤效率试验台

97.02197.121

的设计，为口罩的质

95.05395.361

量保证提供了必要

医用外科口罩

94.67195.323

94.77595.295

的技术检测手段。在

98.12697.764

与TSI8130试验台

双层熔喷布

98.36597.697

98.11997.752

对比数据表明，该试

验台运行稳定，数据稳定可靠，且设备成本相对较低，在

技术上为疫情防控工作提供了有力的支持。

[参考文献]

[1]virusdisease2019(COVID-

19),SituationReport-19[EB/OL].[2020-07-30]./

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图5软件界面

[7]

[8]

[9]

6试验对比

采用盐性颗粒物过滤效率试验台与美国TSI公司生

产的8130型滤料试验台分别对同一批次、同一种类、同一

时间下线的日常防护口罩、医用防护口罩、医用外科口罩

和双层熔喷布的盐性颗粒物过滤效率进行测试，对测试

数据进行分析，判断试验台之间测试数据的偏差值。

试验在标准要求的温湿度环境下进行，每种口罩分

别取3组样品在2台设备上进行测试，NaCl颗粒物过滤效

率数据对照表如表3所示。

从结果可以得出该试验台与美国TSI公司生产的

（上接第88页）

[5]

[6]

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（编辑马忠臣）

作者简介：张茜（1982—），男，本科，工程师，从事试验设备设计与研

发工作。

收稿日期：2020-08-28

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（编辑邵明涛）

作者简介：宋国芳(1980—),男，硕士，高级工程师，从事核技术应用方

面的工作。

收稿日期：2020-08-31

网址：电邮：*******************圆园21年第3期

91