NSRL儲存環(huán)真空系統

2009-10-11 王勇中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實(shí)驗室

　　國家同步輻射實(shí)驗室(NSRL)800MeV電子儲存環(huán)是我國第一臺專(zhuān)用的同步輻射光源。1991年12月全部建成通過(guò)國家驗收, 1993年光源正式向國內外的用戶(hù)開(kāi)放運行。NSRL儲存環(huán)真空系統為不銹鋼(SUS304L,SUS316L)全金屬無(wú)油系統,環(huán)氣壓由分布在環(huán)上具有代表性的真空室上的8只B-A型離子規測量。環(huán)真空剩余氣體的分壓由6只四極質(zhì)譜監控。系統的原位烘烤采用真空室壁通大電流直接加熱的方法,烘烤平均溫度控制在200℃。設計系統靜態(tài)平均氣壓為7×10^-8Pa,動(dòng)態(tài)有束流時(shí)的平均氣壓為3×10^-7Pa, 設計束流100～300mA 時(shí)壽命為500min。1996年底, 我們利用冬季機器維修時(shí)間,在上環(huán)安裝了儲存環(huán)自由電子激光(Freed Electron Laser) 的光學(xué)速調管。該裝置設計為不僅用于相干諧波輻射自由電子激光振蕩器實(shí)驗, 稍加改動(dòng),光學(xué)速調管就變?yōu)橐痪鶆虿ㄊ幤髯鳛椴迦爰M(jìn)行同步輻射的應用。其亮度比彎鐵輻射高兩個(gè)多量級。同時(shí)還在上環(huán)安裝了場(chǎng)強高達6個(gè)特斯拉的超導扭擺磁鐵(Superconductor Wiggle) 真空系統, 輻射出比彎鐵能量要高得多的電磁波。使NSRL環(huán)的特征波長(cháng)由24~縮短到4.86~, 可用波長(cháng)達到1~。光譜可使用范圍由真空紫外、軟X 射線(xiàn)延伸到硬X 射線(xiàn)。充分滿(mǎn)足了用戶(hù)對X 光源的要求。

1、機器運行現狀

　　國家同步輻射實(shí)驗室800MeV電子儲存環(huán)光源自對用戶(hù)開(kāi)放運行以來(lái),平均每年束流累積劑量約400A/h。機器已累計為用戶(hù)提供了約2×10⁴h的實(shí)驗用光。儲存環(huán)真空室平均氣壓低于5×10^-8Pa。1996年儲存環(huán)能量為800MeV在儲存束流200mA時(shí)的典型束流壽命超過(guò)600min。應用戶(hù)要求機器通常運行在儲存流強150mA左右的范圍, 此時(shí)的束流壽命接近1000min。通常情況下環(huán)真空系統開(kāi)放大氣的恢復,我們僅對環(huán)的主排氣離子泵進(jìn)行48h300℃烘烤, 烘烤結束后,啟動(dòng)離子泵排氣48h后, 環(huán)平均靜態(tài)氣壓即小于2×10^-7Pa。機器可進(jìn)入束流真空清洗運行,由于不銹鋼真空室壁對輻射自身清洗作用有良好的“記憶”效應, 機器真空恢復時(shí)通常束流累積劑量約20A/h后, 環(huán)儲存束流100mA 時(shí)的束流壽命可達到4h以上, 即可滿(mǎn)足一般用戶(hù)的需要, 機器進(jìn)入實(shí)驗運行模式。隨著(zhù)機器的運行時(shí)間增加,束流清洗劑量達到80A/h后, 機器狀態(tài)可基本達到真空系統開(kāi)放前的狀態(tài)。這表明環(huán)真空系統的設計是成功的, 真空性能是優(yōu)良的。

2、環(huán)真空系統改進(jìn)

　　國家同步輻射實(shí)驗室的二期工程1997年已獲國家正式批準, 整個(gè)工程計劃于2000年底完成。工程完成后, 要求合肥光源的性能有進(jìn)一步的提高,機器達到長(cháng)期、穩定、可靠的運行。常規運行模式(GPLS)時(shí)滿(mǎn)能量運行時(shí)束流300mA的壽命大于8h。高亮度運行模式(HBLS)下滿(mǎn)能量運行時(shí)束流150mA的壽命大于4h。機器每年運行時(shí)間按束流累積劑量算大于600A/h。根據二期工程要求和環(huán)真空系統多年來(lái)運行情況和現狀, 我們分析了目前存在的問(wèn)題, 提出了環(huán)真空系統的改造方案: ①根據計算機對環(huán)氣壓分布設計、計算結果和目前實(shí)際運行狀態(tài), 決定在彎鐵下游出口處增設NEG非蒸發(fā)型吸氣泵, 改善環(huán)氣壓分布和同步輻射光解吸氣體快速排除力度; ②結合機器的其他改造項目, 完成多種特殊真空室的設計和改造。

2.1、環(huán)氣壓分布計算

　　在電子儲存環(huán)中, 電子在磁場(chǎng)的約束下以向心加速度在軌道上作圓周運動(dòng)時(shí), 發(fā)出大量的電磁波輻射, 稱(chēng)之為“同步輻射”。同步輻射與真空室壁相互作用引起的氣體解吸被稱(chēng)為光電解吸。由它引起的氣載是儲存環(huán)動(dòng)態(tài)情況下的主要氣載, 是影響儲存環(huán)性能的主要問(wèn)題, 也是決定環(huán)殘余氣體氣壓和束流壽命的重要因素。一期工程中我們對環(huán)動(dòng)態(tài)氣壓分布和束流壽命進(jìn)行過(guò)計算。由于多種原因、條件和環(huán)空間限制, 對同步輻射引起的光電解吸氣載僅采用彎段上分布式離子泵排除。多年來(lái)的實(shí)際運行和測量結果告述我們,這種排氣方法不能迅速有效的排除同步輻射產(chǎn)生解吸氣體, 以至彎段真空室局部氣壓偏高, 影響和限制了環(huán)束流和壽命的進(jìn)一步的提高。我們利用計算機設計程序模擬計算四分之一環(huán)的殘氣壓分布結果也顯示了這個(gè)問(wèn)題。針對這個(gè)問(wèn)題, 我們經(jīng)過(guò)對環(huán)殘余氣壓的計算和環(huán)真空室位置空間尺寸的分析, 決定在彎段下游出口處增設一臺抽速為200L/sNEC非蒸發(fā)型吸氣泵, 這種“集中式+分布式”排氣方法可有效迅速排同步光在除彎段處產(chǎn)生解吸氣體。圖1 是增設N EG 非蒸發(fā)型吸氣泵后環(huán)壓強分布曲線(xiàn)。從計算結果可以看出, 這一方法緩解了彎段真空室氣壓偏高的問(wèn)題。彎段處的動(dòng)態(tài)平均氣壓比原先降低了2～3倍。環(huán)真空系統的動(dòng)態(tài)平均氣壓可達到2.0×10^-7Pa。

儲存環(huán)標準四分之一壓強分布曲線(xiàn)

圖1　儲存環(huán)標準四分之一壓強分布曲線(xiàn)

2.2、NEG非蒸發(fā)型吸氣泵

　　NEG非蒸發(fā)型吸氣泵的工作介質(zhì)是一名為St707TM的合金帶, 吸氣材料St707合金帶是由合金材料鋯釩鐵(70%Zr-24.6%V 25.4%Fe)粉末軋制在康銅基帶上而成。它的活化溫度為450℃左右, 室溫下合金在超高空范圍對所有活性氣體具有恒定的高抽吸速度, 對抽除H2氣及同位素特別有效。(而且這種抽速在吸氣量未達到飽和時(shí)與殘氣壓無(wú)關(guān))�；钚詺怏w被Zr 基合金永久的吸收, 而氫及同位素在合金中形成固溶體。NEG泵激活后可不需電源在室溫下工作, 不受強磁場(chǎng)干擾, 工作時(shí)無(wú)油、無(wú)振動(dòng)、體積小、重量輕, 國外已廣泛用作第三代光源真空系統的主排氣泵。我們在NSRL環(huán)彎段出口出增設NEG正是利用它的這些特點(diǎn), 同時(shí)改環(huán)同步輻射解吸氣體的排氣方法由“分布式”為“集中式+ 分布式”方法, 可以很好的滿(mǎn)足儲存環(huán)動(dòng)態(tài)排氣的要求。在環(huán)真空系統運行中主排氣泵SIP 排除環(huán)系統中CH₄、CO、CO₂和Ar氣, 在10^-8Pa量級時(shí)SIP排氣速率急速下降, NEG泵可用它對H₂、CO、CO₂氣體大抽速, 提供一良好的動(dòng)態(tài)真空環(huán)境, 提高束流壽命, 改善束流品質(zhì)。圖2,是改進(jìn)后SIP+NEG排氣方式儲存環(huán)模擬真空室氣壓變化曲線(xiàn)。