上海光源(SSRF) 輸運(yùn)線真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2010-01-01 張海鷗中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理所

　　本文介紹了上海光源高能輸運(yùn)線和低能輸運(yùn)線真空系統(tǒng)設(shè)計(jì),包括總體布局,真空盒的結(jié)構(gòu)和真空獲得系統(tǒng)。低能輸運(yùn)線由兩個(gè)彎段和三個(gè)直線段組成,高能輸運(yùn)線由五個(gè)彎段和四個(gè)直線段組成。用有限元方法分析計(jì)算了輸運(yùn)線彎段真空盒的大氣負(fù)載變形,以確定真空盒的形狀和尺寸,結(jié)果變形量小于0.15 mm。通過模擬輸運(yùn)線全段真空盒的壓強(qiáng)分布來優(yōu)化泵系統(tǒng)的布局,結(jié)果表明全線壓強(qiáng)小于6 ×10^-6 Pa。因此真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案能滿足物理指標(biāo)和實(shí)際工程要求。

　　上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility ,SSRF) 是我國在建的專用第三代同步輻射光源,由直線加速器、增強(qiáng)器和儲(chǔ)存環(huán)組成,位置分布見圖1。SSRF 儲(chǔ)存電子能量3.5 GeV ,流強(qiáng)200 mA～300mA。電子由直線加速器加速預(yù)能量至150 MeV ,經(jīng)過增強(qiáng)器升能到3.5 GeV 后注入到儲(chǔ)存環(huán)中。在直線加速器、增強(qiáng)器和儲(chǔ)存環(huán)之間分別有低能輸運(yùn)線(Linac to Booster ,LTB) 和高能輸運(yùn)線(Booster to Ring ,BTS) 連接,輸運(yùn)線的主要作用是將束流有效的傳輸?shù)皆鰪?qiáng)器和儲(chǔ)存環(huán)中,使得傳輸束流的Twiss 參數(shù)與注入點(diǎn)處的橫向截面參數(shù)匹配。另外,由于儲(chǔ)存環(huán)的真空度優(yōu)于增強(qiáng)器,所以輸運(yùn)線的真空系統(tǒng)應(yīng)該保障在交界位置壓力環(huán)境的相容性。

上海光源加速器位置分布

圖1 　上海光源加速器位置分布

1、總體布局

　　低能輸運(yùn)線全段物理長度19.15 m ,由兩個(gè)15°彎段和三個(gè)直線段組成,高能輸運(yùn)線全段物理長度46.5m , 由五個(gè)9.45°的彎段和四個(gè)直線段組成。高、低能輸運(yùn)線束流管道主要由真空系統(tǒng)、束測系統(tǒng)和防護(hù)系統(tǒng)的部件組成,所有的束測系統(tǒng)和防護(hù)系統(tǒng)的部件做成獨(dú)立段,通過法蘭與真空室連接。高、低能輸運(yùn)線真空室采用全不銹鋼材料,直段真空室采用低磁導(dǎo)率的304L 不銹鋼,彎段真空室采用低磁導(dǎo)率的316L不銹鋼。

　　低能線的兩端用兩個(gè)插板閥將其與直線和增強(qiáng)器隔離開,成為一個(gè)單獨(dú)的系統(tǒng),高能線用三個(gè)插板閥將其與增強(qiáng)器和儲(chǔ)存環(huán)隔離開,這樣將整段高能線分成兩個(gè)獨(dú)立區(qū)間,方便安裝和調(diào)試。在機(jī)器運(yùn)行過程中真空系統(tǒng)出現(xiàn)故障如漏氣或需要更換真空室內(nèi)部部件時(shí),維修人員可以將較小的真空區(qū)域暴露大氣,對(duì)故障進(jìn)行檢測和排除,減少了工作量,縮短機(jī)器故障時(shí)間。在輸運(yùn)線每個(gè)直線段的兩端放置獨(dú)立波紋段,補(bǔ)償彎段真空室端面法蘭的位置誤差和角度偏差,保證束流通過直段真空室的中心位置。對(duì)于如束流位置探測器和熒光靶這些對(duì)位置有較高精度要求的束測件,在其附近安裝可調(diào)節(jié)的波紋段。

　　輸運(yùn)線真空室殘余氣體主要是H₂ 、CO、H₂O、N₂和CO₂ ,對(duì)于惰性氣體含量沒有特別的要求,因此在高、低能輸運(yùn)線上主泵系統(tǒng)全部采用二極濺射離子泵(SIP) ,其完全無油、無震動(dòng)、大抽速和高極限真空度的特點(diǎn)非常適合同步輻射光源的真空環(huán)境。由于傳輸束流在輸運(yùn)線上沒有阻抗要求,因此離子泵全部采用大直徑圓筒的泵站結(jié)構(gòu)安裝,減少有效抽速的損失。在避開特殊部件如磁鐵和某些對(duì)位置要求嚴(yán)格的束測元件(如光束狹縫) 的基礎(chǔ)上,離子泵的位置按照一定間距排布,盡量使得輸運(yùn)線的壓強(qiáng)分布均勻。輸運(yùn)線要求整段壓強(qiáng)小于2 ×10^{- 5} Pa ,儲(chǔ)存環(huán)的靜態(tài)壓強(qiáng)要求小于2.6 ×10 ^-8 Pa ,因此在靠近儲(chǔ)存環(huán)注入?yún)^(qū)域,高能輸運(yùn)線的真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)要適當(dāng)增加抽速,使得這里的壓強(qiáng)接近儲(chǔ)存環(huán)的壓強(qiáng)要求。真空壓強(qiáng)測量選用寬線性量程的B-A 規(guī)。圖2 和圖3 是輸運(yùn)線真空元件布局圖。

圖2 　低能線真空元件布局　　圖3 　高能線真空元件布局

2、真空盒結(jié)構(gòu)

　　輸運(yùn)線四極鐵區(qū)域的束流清晰區(qū)是圓形包絡(luò),二極鐵區(qū)域的束流清晰區(qū)是橢圓包絡(luò),因此直段區(qū)域的真空盒是圓形截面,彎段區(qū)域的真空盒是矩形截面。表1 是高、低能輸運(yùn)線磁鐵孔徑、清晰區(qū)以及真空盒尺寸。

表1 　輸運(yùn)線的磁鐵孔徑、清晰區(qū)與真空盒尺寸

　　由于真空盒抽真空后,盒體表面上承受的大氣壓力導(dǎo)致其發(fā)生向內(nèi)的凹陷變形,盒體的厚度必須保證變形后的盒體與束流清晰區(qū)仍然有足夠的間距。我們用有限元數(shù)值計(jì)算方法分析了高、低能輸運(yùn)線彎段真空盒的變形情況,計(jì)算采用ANSYS810結(jié)構(gòu)分析軟件包,直接在ANSYS 程序中建立真空盒模型,材料的彈性模量200 GPa ,泊松比0.3。固定長度方向的兩個(gè)端面,其余4 個(gè)外表面施加1.0 ×10⁵ Pa 的壓力,計(jì)算結(jié)果見圖4 (a) ,4 (b) ,另外由于高能輸運(yùn)線彎段真空室長度達(dá)到2.2 m ,因此考慮了高能線彎段真空室在自重作用和真空負(fù)載雙重作用下的變形,結(jié)果見圖4 (c) 。