中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source, CSNS)漂移管直线加速器(Drift Tube Linac, DTL)^[1-2]是CSNS的重要组成部分，是直线加速器段的末端，主要将射频四极场(Radio Frequency Quadrupole, RFQ)^[3]引出的3 MeV负氢离子加速到80 MeV，使直线加速器的输出能量达到设计指标，其准直精度直接关系到直线加速器的最终性能。CSNS的DTL段总长36 m，腔体间准直精度要求±0.1 mm，漂移管间准直精度±0.05 mm，与常规加速器准直相比难度极大^[4]，因此有必要研究DTL的高精度准直方法，并对精度深入分析。本文分别对DTL结构、全面测量、平滑计算和平滑调整进行深入探讨，对隧道中的准直和最终位置计算过程进行分析，确定准直结果能否达到精度要求。

DTL主要由物理腔和安装于腔体内部的漂移管构成。DTL段共有4节物理腔，每节物理腔由三个机械腔构成，其每个机械腔长约3 m，直径550mm，共12节机械腔体之间用螺栓连接形成总长约36 m长的DTL段。漂移管是DTL的核心部分，由吊杆和本体组成，采用无氧铜焊接而成，通过波纹管和调节机构精密的安装内机械腔内，束流从本体的中心孔穿过。因漂移管的长度和漂移管间的间距与被加速粒子的能量是严格同步的，因此对设备的加工精度和准直精度要求很高，且随着束流的不断加速，不同漂移管的外形尺寸也就不同，为了降低功耗和节省成本，漂移管的外形按能量分为9组不同的锥角（图 1）。整个DTL段共有漂移管153个，安装于12个机械腔内，其第1物理腔的第1机械腔中28个漂移管的安装状态如图 2所示。

图 1

图 1 DTL段漂移管类型 Figure 1 The type of DTL segment drift tube

图 2

图 2 机械腔内安装的漂移管 Figure 2 Drift tube mounted in mechanical cavity

每一节机械腔在隧道准直前均已完成腔体、漂移管的标定以及漂移管在腔体内的预准直。标定中采用特制高精度基准件、百分表等手段，严格控制标定过程，并制定精度控制文件，完成153个漂移管和12个腔体的标定及标定重复性统计，结果显示漂移管的标定重复性标准差在0.01 mm以内，机械腔的标定重复性标准差在0.02 mm以内，漂移管在腔内的预准直精度为±0.03 mm^[5]，其漂移管详细的标定方法及腔内预准直在文献[5]中做了详细介绍。

DTL腔体在隧道的最终准直，需要经过以下几个步骤：1)单个腔体内漂移管预准直后的漂移管全面测量；2) DTL的隧道初次准直后的全面平滑测量及平滑性计算；3)腔体在隧道中的平滑调整；4)重复2)-3)步，直至达到设计要求。

每个机械腔内含漂移管数量9~28个不等，即使完成含漂移管数量最少的腔内漂移管的预准直仍约需一个月时间，设备有可能发生跑动，因此有必要在一个腔内的漂移管准直完成后再对腔内所有的漂移管进行一次全面测量，检核漂移管在腔内的最终位置是否符合物理要求。主要采取以下两种外符合测量方法检核位置精度：1)要求漂移管的中心与腔体中心重合；2)漂移管端面值与理论值一致。

在腔体坐标系下测量漂移管的基准点、中心孔、高能端端面，并与理论值比较，表 1列出了漂移管中心孔和端面与理论值偏差的统计量，可知漂移管的准直精度在±0.035 mm以内。

表 1

表 1 漂移管全面测量统计值 Table 1 Measurement statistics about drift tube (mm) 中心孔 Center hole 漂移管端面 Drift tube end face X向偏差 X deviation Y向偏差 Y deviation Z向偏差 Z deviation 最大值 Maximum 0.072 0.073 0.042 最小值 Minimum -0.061 -0.080 -0.079 标准值 Standard value 0.029 0.034 0.032

表 1 漂移管全面测量统计值 Table 1 Measurement statistics about drift tube (mm)

准直设备的位置偏差主要分为绝对位置偏差和相对位置偏差。绝对位置偏差为设备基准点实测值与理论值的偏差，相对位置偏差为在设备坐标下，相邻设备绝对位置偏差之差。对于加速器装置而言，若设备已准直到建筑物内，则需重点考虑设备间的相对位置关系是否能否满足束流顺利通过。

12节机械腔组成的36 m长的DTL，从首个腔准直到位至最末腔准直完成前后跨度约2年，期间因水电连接、地基沉降等原因设备均可能发生跑动。为检核各腔间的相对位置关系能否确保束流顺利通过，必须对装置控制点和设备准直基准点作全面平滑测量。这时就不能只追求单测站、单点位测量的高精度，而要在兼顾单站点位测量精度的同时，重点考虑整个装置的不同部位、不同设备之间平滑性。

通过对现场工作经验的总结，针对狭长状的隧道控制网，要获得设备间高精度的相对位置关系，需采用大视场、全覆盖、多方位、密集采点的测量方法，对控制点、设备基准点和校核点进行视场接近180°范围的多站次观测，实现不同测站间大跨度的搭接，避免不同测站间网形扭曲，提高狭长网形的可靠性^[6-7]，采用该方法对直线和环装置全面测量后进行平差和精度统计。表 2所示为CSNS直线和环的全面测量的相对位置精度，可知通过该方法在230 m直线隧道和240 m环形隧道的大距离范围内，实现设备间±0.03 mm和±0.04 mm的相对位置平滑测量精度，可见通过这种测量获得的设备的位置值是比较可靠的。

表 2

表 2 CSNS直线全面测量点相对位置误差(mm) Table 2 Relative accuracy of line overall measurement of CSNS 直线全面测量相对精度 Relative accuracy of line overall measurement 环全面测量相对精度 Relative accuracy of ring overall measurement 最大误差 Maximum error 最小误差 Minimum error 标准误差 Standard error 最大误差 Maximum error 最小误差 Minimum error 标准误差 Standard error 纵向Vertical 0.020 0.010 0.012 0.04 0.02 0.03 横向Horizontal 0.040 0.010 0.020 0.06 0.02 0.03 高程Elevation 0.038 0.023 0.028 0.05 0.03 0.04

表 2 CSNS直线全面测量点相对位置误差(mm) Table 2 Relative accuracy of line overall measurement of CSNS

平滑性计算涉及到装置坐标系和设备坐标系。装置坐标系就是CSNS整个装置的全局坐标系（图 3），以环心为原点，与直线段平行且沿着直线束流的方向的为X轴，垂直直线且指向直线的为Y轴，高程方向为Z轴；设备坐标系就是每个设备独立的坐标系（图 4），以漂移管或者腔的进口点为原点，设备内束流的方向为Z轴，水平面内垂直束流方向为X轴，高程为Y轴。在设备坐标系下，用相邻设备的相对位置偏差来评价设备间的平滑性，整个计算过程如下：

图 3

图 3 装置坐标系 Figure 3 Device coordinate system

图 4

图 4 设备坐标系 Figure 4 Apparatus coordinate system

1) 全面测量平差后获得DTL段每一个设备基准点在装置坐标系的实测坐标，将设备理论值向实测值拟合，得到设备在装置坐标系下实际的物理进出口坐标。

2) 将每一个设备的物理进出口点在装置坐标系的理论值和实测值通过坐标转换，获得其在设备坐标系的坐标。

3) 全装置设备按束流顺序进行排序。

4) 相对位置偏差计算，相邻设备绝对位置偏差之差表示为下游设备进口点的绝对偏差与上游设备出口点的绝对偏差的差值。

5) 对相邻设备间偏差超限的部位，要进行平滑性调整，再次进行位置测量，平差，平滑性计算，直至达到要求为止。

DTL段全部准直完成后通过全面测量获得了该段12个物理腔间较为可靠的相对位位置关系。从图 5可知，初次准直后在整个DTL段从起始端到末端呈现出缓慢上扬的趋势，上扬量约为1 mm，即末端腔体的绝对位置偏差约达到1 mm；为保证束流正常通过，如果将DTL段全部向束流的理论高程44000 mm调整，工作量十分巨大，而且工程进度也不容许，因此考虑只保证各腔之间的平滑性。从图 5可知，第2~4物理腔间上扬趋势较为平滑，但在第1物理腔束流出口点DTL1S3EX和第2物理腔束流进口点DTL2S1EN间平滑性较差，位置偏差较大且为0.36 mm。因采用平滑性计算可得到平滑调整量，只需在第1物理腔末端和第2物理腔初始端进行平滑性调整，平滑后各腔间的位置关系在图 5中示出，从圈中的位置可见在腔间台阶得到很好的平滑。

图 5

图 5 DTL腔高程向平滑调整 Figure 5 Smooth adjustment of DTL cavity in height direction

DTL段经平滑调整、再次测量和平差后获得了设备在隧道的最终位置，图 6、图 7和表 3示出了机械腔和漂移管在设备坐标系下的相对位置偏差及偏差统计值。

图 6

图 6 DTL段机械腔相对位置偏差 Figure 6 DTL segment mechanical cavity relative position deviation

图 7

图 7 DTL段漂移管相对位置偏差 Figure 7 DTL segment drift tube relative position deviation

表 3

表 3 漂移管和DTL腔相对位置偏差统计值 Table 3 Relative position deviation statistics of drift tube and DTL cavity 漂移管Drift tube DTL腔DTL cavity 最大偏差 Maximum deviation 最小偏差 Minimum deviation 标准偏差 Standard deviation 最大偏差 Maximum deviation 最小偏差 Minimum deviation 标准偏差 Standard deviation ΔZ束流向 ΔZ beam direction 0.140 -0.180 0.020 0.210 -0.177 0.072 ΔX横向 ΔX horizontal 0.079 -0.098 0.024 0.091 -0.095 0.041 ΔY高程 ΔY elevation 0.082 -0.092 0.025 0.119 -0.105 0.063

表 3 漂移管和DTL腔相对位置偏差统计值 Table 3 Relative position deviation statistics of drift tube and DTL cavity

从图 6和表 3可知，机械腔有两个位置的在束流方向的相对位置偏差达到0.2 mm，其中有一个位置位于第1物理腔和第2物理腔之间，其他部位在束流向、横向和高程方向的相对位置偏差均在0.12mm之内，全部DTL腔三方向的标准偏差在0.08 mm之内，可见满足DTL腔的隧道准直精度要求的±0.1 mm。从图 7和表 3可知，有一个漂移管在束流方向的偏差值超过0.1 mm，一个超过0.18mm，其0.18 mm的偏差值也位于第1物理腔和第2物理腔之间，其它漂移管三方向的相对位置偏差均在0.1 mm之内，标准偏差均在0.03 mm之内，满足漂移管±0.05 mm的准直精度要求。

DTL隧道内准直因其距离长、腔体数量和腔内漂移管数量多等因素，准直难度极大，针对其结构特点，通过外符合测量校核漂移管预准直调整精度，可知漂移管中心孔和端面的测量值在DTL腔的预准直精度达到±0.035 mm；研究大跨度、全覆盖的全面测量方法及平差在CSNS中的应用，实现直线隧道±0.03 mm和环隧道±0.04 mm的相对测量精度；提出基于加速器准直的平滑计算及调整方法，实现DTL腔间的平滑调整，最终获得腔体±0.08 mm的隧道相对准直精度，漂移管±0.03mm的腔内相对准直精度，目前CSNS从直线前端到环加速器、靶站、谱仪的首次联合调试就打靶成功，获得中子束流。