上海光源儲存環(huán)的真空系統

2009-08-29 蔣迪奎 上海應用物理研究所

　　上海光源是第三代中能同步輻射光源,是由中科院和上海市共同建造的國家重大科學(xué)工程,其設計性能位于國際前列。上海光源包括一臺150MeV電子直線(xiàn)加速器、一臺全能量增強器,一臺3. 5GeV的電子儲存環(huán),首批建設的7 條光束線(xiàn)和實(shí)驗站。上海光源具有安裝60多條光束線(xiàn)的潛力,可同時(shí)為近百個(gè)實(shí)驗站供光。作為具有國際先進(jìn)水平的高性能科學(xué)實(shí)驗平臺,上海光源能為生命科學(xué)、材料科學(xué)、地球和環(huán)境科學(xué)、納米科學(xué)、醫學(xué)與藥學(xué)、化學(xué)化工、微細加工等多領(lǐng)域的基礎研究、應用研究和高新技術(shù)開(kāi)發(fā)研究提供不可替代的實(shí)驗研究手段。上海光源已于2007 年底建成并開(kāi)始試運行,于2008 年下半年達到了設計指標,將于09 年5 月對外開(kāi)放使用。

　　儲存環(huán)是光源的主體設備,周長(cháng)432m ,分為20個(gè)單元,儲存能量3.5GeV ,流強200mA～300mA的電子束流。真空系統是儲存環(huán)的主要設備之一。為了確保10h 以上的總束流壽命,殘余氣體散射束流壽命必須達到30h 以上。為此,束流室內的平均動(dòng)態(tài)壓強必須達到1.3×10-7Pa 。真空室為雙室結構的316LN不銹鋼真空室。分散的吸收器有序排列在真空室的抽氣室上,準直引入光束線(xiàn)的同步輻射光束,吸收廢棄的同步輻射光,并把熱量轉移到真空室外,確保真空室安全。(SIP + NEG) 復合泵和TSP 安裝在抽氣室上,多數鄰近吸收器,接近光電解析氣載。必須盡量減小束流室的真空阻抗,波紋管內采用了單指型屏蔽機構。內含屏蔽機構的全金屬門(mén)閥位于每?jì)蓚�(gè)單元兩端,把它們隔離成獨立的真空系統。由于磁鐵和真空室間的空間限制和同步輻射光對吸收器的高效清洗,磁鐵內的真空室不能現場(chǎng)烘烤,不被磁鐵包裹的真空室和全環(huán)所有真空泵都進(jìn)行現場(chǎng)烘烤。一個(gè)單元內的真空系統的布局圖示于圖1。

一個(gè)單元內的真空系統

1、上海光源儲存環(huán)的真空室

　　真空室主要材料是日本產(chǎn)3mm厚316LN不銹鋼薄板。用ANSYS程序對真空室的結構和冷卻進(jìn)行了優(yōu)化設計。每段3m真空室的平面度和直線(xiàn)度的公差要求小于1mm ,真空室焊縫處導磁率要小于1.02,真空室內壁的焊縫、臺階、縫隙尺寸都必須小于0.5mm ,總漏率要小于1×10-8 Pa.L/s。為了達到這樣的高指標,加工難度很大,研制了多個(gè)樣機后,我們終于確定了特殊的工裝和工藝,解決了所有的技術(shù)難題,為高效率和高質(zhì)量批量生產(chǎn)真空室作好了準備。期間,設計和加工了一個(gè)大型真空退火爐,用于降低焊縫的導磁率和真空除氣。典型真空室示于圖2 ,詳細信息請參考真空技術(shù)網(wǎng)上的相關(guān)文章 。

典型結構的真空室

2、光子吸收器

　　為了確保真空室安全和熱穩定性,并準直進(jìn)入光束線(xiàn)的同步輻射光,172個(gè)分散的無(wú)氧銅光子吸收器有序排列在抽氣室上。它們分為垂直型、水平型和特殊型三類(lèi),示于圖3,因結構和尺寸不同,有24種規格。

三類(lèi)光子吸收器

　　對應3.5GeV 和300mA的束流,40個(gè)彎轉磁鐵內的同步輻射功率是435kW,在一個(gè)吸收器上沉擊的最大功率是1128W。多數吸收器由上下兩片組裝而成,每片象一把梳子,上片的齒和下片的齒互相插入,形成光學(xué)密封結構,阻擋同步輻射光;但上下齒互不接觸,當吸收器溫度升高時(shí),上下齒可以分別熱膨脹,避免吸收器內產(chǎn)生熱應力 。用ANSYS 程序對24種規格吸收器進(jìn)行了熱分析,對于將來(lái)希望的400mA 束流,吸收器將能安全工作。400mA 束流時(shí)水平吸收器上最大的溫度和應力分別是168 ℃ 和70MPa ,對垂直吸收器,相應值是295 ℃和111MPa 。冷卻水和水管壁交界處的最高水溫是100 ℃,在5kg·cm- 2水壓下不會(huì )沸騰。