上海光源储存环光子吸收器结构设计与研制

　　上海光源储存环采用分散分布的光子吸收器来吸收全部不用的弯铁同步辐射光(SR)并准直引出实验光束。光子吸收器的结构设计需考虑多种因素,如同步辐射的功率分布、吸收面的功率稀释、吸收体的材料、机械结构、冷却效率及引出光口尺寸等。本文详细讨论了承受高功率密度且结构复杂的双片式侧壁光子吸收器的结构设计,对设计的吸收器进行了热与结构的有限元分析,并与设计准则进行比较。文章最后介绍了光子吸收器的加工、在线安装及运行情况。

　　上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility ,SSRF) 为先进的第三代中能同步辐射光源,主要性能指标居国际前列,其产生的同步辐射光覆盖从远红外到硬X 射线的宽广波段,是生命科学、材料科学、环境科学、地球科学、物理学、化学、信息科学等众多学科研究中不可替代的先进手段和综合研究平台。SSRF由150MeV电子直线加速器、3.5GeV增强器、3.5GeV电子储存环(周长为432m) 以及沿环外侧分布的同步辐射光束线和实验站组成,作为主体装置的电子储存环中有40块中心场强为1.2726T的弯转磁铁,在真空束流通道中运行的高能电子束流通过弯铁磁场时弯转9°,同时沿束流轨道切线向前的方向产生致密的同步辐射光(SR)。这些同步辐射光中只有一小部分(约15%) 将被引入光束线、实验站,其余大部分由储存环上分散分布的光子吸收器就地吸收处理。另外,储存环中有18个直线节将用于安装插入件(波荡器或扭摆器) ,电子束经过这些插入件时,将产生高亮度的同步辐射。插入件的同步辐射光将通过光子吸收器上的引光口全部被引入光束线、实验站。

　　同步辐射光的高功率密度特性使得在储存环超高真空系统中起阻挡和吸收同步光作用的光子吸收器将承受特殊的热负载,从而带来一系列特殊的问题需要解决。如对于弯铁辐射(BMSR) ,在距光源点1.521m远处,在垂直高度±0.22mm 的范围内,最大的垂直入射面功率密度达到103.71W·mm^{- 2} (300mA流强) 。而对于插入件同步辐射,其功率密度之高足以使无氧铜光子吸收器的局部在短时间内熔化,在设计和随后的各环节工作中必须使该同步辐射光不能照到光子吸收器上,以确保运行安全。

　　吸收器结构设计的目的就是设法稀释吸收体表面的同步光功率,利用吸收体内的冷却水及时、高效地带走热量;降低表面最高温度和最高热应力,使光子吸收器有足够长的使用寿命;限制同步辐射的影响区域,减小对超高真空状态和真空室稳定性的影响;安全有效地引出弯铁和插入件的同步光。下文将着重讨论并介绍光子吸收器结构设计、热与结构有限元分析以及光子吸收器的制造和性能。

1、光子吸收器结构设计

1.1、同步辐射的功率特性根据公式

P(kW)=88.6E⁴(GeV)I(A)/r(m)

　　当储存环运行能量E=3.5GeV、流强I=0.3A及弯转轨道半径r = 9.167m 时, 整个储存环将产生总的弯铁同步辐射功率为435kW。这些同步辐射功率在水平方向上为均匀分布, 角功率密度为69.28W/ mrad ;在垂直方向为高斯分布,如图1 所示,在距光源2.2m远处, 大部分的功率都集中在±0.363mm的范围内, 在±1mm 以外已趋近于0。线功率密度和面功率密度随着离光源点距离越远而变小。根据储存环光子吸收器布局, 离光源点最近的光子吸收器的距离为1.521m,具有最大的平均线功率密度45.67W·mm- 1和最大的平均垂直入射面功率密度103.54W·mm^-2 。

图1 　束流在弯转3. 1°处发光时、距光源点2.2m 处垂直方向弯铁光功率密度分布

1.2、结构设计考虑

　　光子吸收器结构设计需考虑表面功率稀释、冷却、表面温度和表面应力、辐射的反射、材料、焊接和机加工等因素,具体如下:

　　(1) 吸收器上同步辐射吸收面结构的设计应有利于功率稀释,充分利用吸收体的面稀释和体稀释效果,降低表面线功率密度和面功率密度。具体来说,就是让吸收面倾斜或在表面设计三角锯齿等结构,展宽、拉长同步光斑,增大光斑面积;或者光斑面积不变,而使光斑分段,相邻段间在吸收体上拉开一定距离,如开距形槽等;另外吸收面结构的设计还应有利于降低散射光,减小影响区域;

　　(2) 选择热性能、机械性能、加工和焊接性能较好,能满足工程要求,且成本又较低的材料作吸收体。国内外同类光源装置上用于制造吸收体的材料主要有真空冶炼无氧高导铜(OFHC)和Al₂O₃颗粒弥散铜(Glidcop) 。考虑SSRF 光子吸收器表面功率密度状况, 吸收体材料采用OFHC, 表1列出了OFHC的部分性能参数。光子吸收器上其余材料选用不锈钢;

表1 　OFHC的性能参数表

　　(3) 不采用钎焊来直接隔离冷却水和真空,以免钎焊缝腐蚀后冷却水直接漏入真空系统;尽量减少钎焊面积,以免焊缝处夹杂孔洞,影响密封的可靠性;钎焊缝尽量远离挡光区域;

　　(4) 选择冷却水通道壁厚,需综合考虑吸收面的冷却、同步光穿透吸收体材料对水冷道腐蚀的促进、水冷壁的温度、水冷道的强度等因素;另外,冷却水通道尽量不要位于或穿过光中心平面,以减少透射光子进入水冷道而加剧腐蚀;

　　(5) 冷却水流速控制在小于2m·s ^-1,同时冷却水通道设计时,减少水道截面突变、小角度弯转等结构,以减少水流引起的设备振动;为了提高冷却水换热系数,尽量使冷却水在管道内的流动状态为紊流;

　　(6) 吸收体的热性能和结构性能参数必须满足下列设计判据

　　①热性能:吸收面温度: Tsur < 0.5 Tmelt = 541 ℃(对OFHC)吸收体与冷却水界面温度: Twater < Tboil=150℃(对0.5MPa的冷却水)

　　②结构性能:热应力: Sth < 2 ×Sy (0.2 %屈服强度)Sth < Sf (疲劳强度) (对105 次热循环)吸收器设计在满足上述两个条件的前提下, 还应尽量使表面温度降低,减少表面热解吸气载,使其小于10 %光激发解吸气载(PID) ,从而使吸收器具有良好的真空性能。