上海光源储存环的真空系统

　　上海光源是第三代中能同步辐射光源,是由中科院和上海市共同建造的国家重大科学工程,其设计性能位于国际前列。上海光源包括一台150MeV电子直线加速器、一台全能量增强器,一台3. 5GeV的电子储存环,首批建设的7 条光束线和实验站。上海光源具有安装60多条光束线的潜力,可同时为近百个实验站供光。作为具有国际先进水平的高性能科学实验平台,上海光源能为生命科学、材料科学、地球和环境科学、纳米科学、医学与药学、化学化工、微细加工等多领域的基础研究、应用研究和高新技术开发研究提供不可替代的实验研究手段。上海光源已于2007 年底建成并开始试运行,于2008 年下半年达到了设计指标,将于09 年5 月对外开放使用。

　　储存环是光源的主体设备,周长432m ,分为20个单元,储存能量3.5GeV ,流强200mA～300mA的电子束流。真空系统是储存环的主要设备之一。为了确保10h 以上的总束流寿命,残余气体散射束流寿命必须达到30h 以上。为此,束流室内的平均动态压强必须达到1.3×10-7Pa 。真空室为双室结构的316LN不锈钢真空室。分散的吸收器有序排列在真空室的抽气室上,准直引入光束线的同步辐射光束,吸收废弃的同步辐射光,并把热量转移到真空室外,确保真空室安全。(SIP + NEG) 复合泵和TSP 安装在抽气室上,多数邻近吸收器,接近光电解析气载。必须尽量减小束流室的真空阻抗,波纹管内采用了单指型屏蔽机构。内含屏蔽机构的全金属门阀位于每两个单元两端,把它们隔离成独立的真空系统。由于磁铁和真空室间的空间限制和同步辐射光对吸收器的高效清洗,磁铁内的真空室不能现场烘烤,不被磁铁包裹的真空室和全环所有真空泵都进行现场烘烤。一个单元内的真空系统的布局图示于图1。

1、上海光源储存环的真空室

　　真空室主要材料是日本产3mm厚316LN不锈钢薄板。用ANSYS程序对真空室的结构和冷却进行了优化设计。每段3m真空室的平面度和直线度的公差要求小于1mm ,真空室焊缝处导磁率要小于1.02,真空室内壁的焊缝、台阶、缝隙尺寸都必须小于0.5mm ,总漏率要小于1×10^-8 Pa.L/s。为了达到这样的高指标,加工难度很大,研制了多个样机后,我们终于确定了特殊的工装和工艺,解决了所有的技术难题,为高效率和高质量批量生产真空室作好了准备。期间,设计和加工了一个大型真空退火炉,用于降低焊缝的导磁率和真空除气。典型真空室示于图2 ,详细信息请参考真空技术网上的相关文章 。

2、光子吸收器

　　为了确保真空室安全和热稳定性,并准直进入光束线的同步辐射光,172个分散的无氧铜光子吸收器有序排列在抽气室上。它们分为垂直型、水平型和特殊型三类,示于图3,因结构和尺寸不同,有24种规格。

　　对应3.5GeV 和300mA的束流,40个弯转磁铁内的同步辐射功率是435kW,在一个吸收器上沉击的最大功率是1128W。多数吸收器由上下两片组装而成,每片象一把梳子,上片的齿和下片的齿互相插入,形成光学密封结构,阻挡同步辐射光;但上下齿互不接触,当吸收器温度升高时,上下齿可以分别热膨胀,避免吸收器内产生热应力 。用ANSYS 程序对24种规格吸收器进行了热分析,对于将来希望的400mA 束流,吸收器将能安全工作。400mA 束流时水平吸收器上最大的温度和应力分别是168 ℃ 和70MPa ,对垂直吸收器,相应值是295 ℃和111MPa 。冷却水和水管壁交界处的最高水温是100 ℃,在5kg·cm- 2水压下不会沸腾。