上海光源儲存環(huán)不銹鋼真空室

　　上海光源(SSRF)是一個能量315GeV、流強200mA～300mA、低發(fā)射度、高束流軌道穩(wěn)定性的第三代同步輻射光源。它的主體是電子儲存環(huán)。真空室是儲存環(huán)的主要設(shè)備之一。多臺鈦升華泵、濺射離子泵和非蒸散型吸氣劑泵在抽除大量光電解析氣載時達到113×10-7Pa 的動態(tài)真空,使電子束流壽命大于10h。一系列光子吸收器排列在真空室上,作為引出同步輻射光的準直器,同時吸收所有廢棄的同步輻射光,避免它們直接輻照真空室內(nèi)壁,并把熱量轉(zhuǎn)移到真空室外。真空室構(gòu)成了電子束流的鏡像電流的通路,并要盡可能減少束流損耗,其電阻率和真空阻抗要求很低。一定量的熱負載將沉積在真空室上,其導(dǎo)熱性能要很好。真空室被多臺磁鐵包裹,真空室的導(dǎo)磁率不能大于1102。儲存環(huán)上各系統(tǒng)的設(shè)備使真空設(shè)備位置受到嚴重制約,雙真空室結(jié)構(gòu)是唯一的選擇。和其它設(shè)備的配裝要求真空室在大氣負載下仍然具有很高的尺寸精度�？傞L400m 的此類結(jié)構(gòu)的不銹鋼薄壁真空室,其平面度和直線度都在1mm 以內(nèi),在國內(nèi)尚屬首次。

1、真空室材料的選擇

　　鋁合金和不銹鋼都適用于第三代光源真空室,都得到了廣泛使用。特別是鋁合金導(dǎo)熱性好,完全無磁,使我們在2000 年選擇它研制了一個6m 長的鋁真空室,完全達到了設(shè)計指標,并獲得了批量加工所需的經(jīng)驗 。然而,我們在2005 年作出了一個重大決定,放棄幾乎完成了全部工程設(shè)計的鋁真空室,改用不銹鋼真空室。其理由有二。

　　一是由于鋁合金強度差,只能用厚度60mm 的整塊鋁板銑削出截面復(fù)雜、各處厚薄不一的真空室。大約有一半材料在大型數(shù)控床上銑削掉,材料和加工費的浪費極大。而壁厚3mm 的薄壁不銹鋼真空室的截面結(jié)構(gòu)實質(zhì)上是鋁真空室的一個內(nèi)核。裁剪不銹鋼真空室主體形狀后剩余的邊角余料全部用來制作加強筋,材料利用率達到90 %以上。2005 年春季進口鋁合金價格飛漲,綜合考慮材料費和加工費,不銹鋼真空室的費用將是鋁真空室的60% ,即可以節(jié)省約1000 萬元經(jīng)費。

　　二是鋁真空室要花費較長的加工時間,存在延誤SSRF總體計劃的危險。最終我們實現(xiàn)了按時完成真空室加工計劃和節(jié)省1000 萬元的兩個目標。SS316LN 的高強度和焊接后導(dǎo)磁率不升高的特性,使它成為真空室的首選材料。

2、真空室的結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　儲存環(huán)分為20 個單元,每個單元有2個彎轉(zhuǎn)磁鐵(BM1、BM2)和多個四極磁鐵、六極磁鐵、校正磁鐵(QM、SM/CM) 。一個單元內(nèi)的真空室總長約20m ,分成7 段,相互用波紋管軟連接或CF法蘭硬連接。6段被磁鐵包裹,稱為BM、QM 真空室,1段在直線節(jié)內(nèi)無磁鐵包裹,稱為SS 真空室,如圖1所示。為了減小束流功率損耗,參考SLS,采用典型的雙真空室結(jié)構(gòu),用光束狹縫連接束流室和抽氣室,截面形狀示于圖2。QM和SS 真空室形狀類似,扣合對稱的上下成形片,焊接周邊而成。BM 真空室由對稱的上下平板和左右側(cè)板扣合成型,其束流室和抽氣室形狀由固定在真空室內(nèi)壁上的無氧銅條構(gòu)成,冷卻水管嵌埋在銅條內(nèi),輸運廢棄的同步輻射功率。BM和QM 真空室的束流室內(nèi)高相同,但SS真空室的束流室內(nèi)高較小,各種不同截面尺寸的真空室間都要用錐形內(nèi)壁實現(xiàn)平滑過渡。吸收器和真空泵安裝在抽氣室上。每個單元內(nèi)有7 對束流位置監(jiān)測器(BPM) ,每對BPM 安裝在一塊不銹鋼塊上,再嵌入QM真空室。

　　由于磁鐵占位,泵口離束流室較遠,使真空室的最大寬度達到380mm ,3mm 壁厚的真空室在大氣負載下的變形將較大。為此,真空室內(nèi)外都附加了加強筋,內(nèi)部加強筋隱藏在吸收器的陰影區(qū)內(nèi),同時不影響抽氣流導(dǎo),外壁加強筋位置受限于磁鐵。用ANSYS 程序進行真空室變形和應(yīng)力計算,反復(fù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。

　　用ANSYS 程序?qū)φ婵帐疫M行了熱分析計算,研究真空室的熱安全性。確認了5mA 束流可以直接沖擊真空室內(nèi)壁;確認了300mA 束流的同步輻射光直接輻照真空室內(nèi)壁,真空聯(lián)鎖保護系統(tǒng)在1s 內(nèi)實施功能時,真空室的安全性。

3、真空室的加工

　　真空室批量加工前必須解決五個技術(shù)和工藝難題。

　　一是如何保證QM 真空室成形片的尺寸精度?

　　二是如何減小氬弧焊導(dǎo)致的變形?

　　三是如何降低焊縫導(dǎo)磁率?

　　四是如何保證外焊縫內(nèi)側(cè)死空間的真空清潔?

　　五是把幾段真空室用CF 法蘭硬連接成長段時如何控制長段的尺寸精度?

　　我們花了約一年時間,研制了多個真空室樣機,經(jīng)歷了多次失敗,終于解決了這些難題。

　　幾經(jīng)試驗后,用數(shù)控折彎制造QM 室成形片之路走到了失敗的盡頭。改用深拉模和6000 噸油壓機壓制成形片工藝,在3次修改深拉模和試壓后,成形片達到了尺寸精度。隨后的600 多米成形片批量壓制只用了2 天時間,充分顯示了不銹鋼真空室批量加工速度遠快于鋁真空室的優(yōu)點。

　　為了貫穿焊縫并減小變形,國外同類真空室采用電子束焊。國內(nèi)找不到我們所需的大型電子束焊接爐,也無力投資此設(shè)備。只能采用氬弧焊,而且焊縫主要位于外壁,為了保證密封性能、焊縫強度和較小變形,焊縫不能貫穿。特制的自動氬弧焊機,特殊的可360°翻轉(zhuǎn)的焊接平臺、焊接工裝和工藝,限制了焊接過程中材料的移動,控制住了焊接變形。在分步焊接過程中,幾次用線切割和激光切割工藝消除焊接變形。