合肥同步輻射光源直線加速器真空系統(tǒng)
國家同步輻射實驗室的合肥光源為了適應科學研究的發(fā)展，自2009 年開始進行重大維修改造項目。新的合肥光源注入器要求工作在800 MeV，為滿足注入器的性能提升，直線加速器的真空系統(tǒng)進行了重新設計及安裝調試，指標達到設計要求，目前運行狀態(tài)良好，為合肥光源的滿能量模式調試提供必要的技術支持。
作為合肥光源升級改造項目的一部分，對合肥光源電子儲存環(huán)的注入器—電子直線加速器在2009 年至2013 年進行了升級改造工作，其目的是將直線加速器的能量由原200 MeV 升高至800 MeV 以實現(xiàn)滿能量注入，為此采取了新的電子槍、加速管以及磁鐵聚焦結構，因而直線加速器的真空系統(tǒng)也進行了全新的設計及調試[1，2]。
1、概述
合肥光源的直線加速器，其束流軸線部件主要組成部分為電子槍、預聚束器、聚束器、8 個六米加速段，以及真空、束流測量部件組成，同時還有為加速管提供微波功率的微波波導系統(tǒng)。其中除八套微波功率源系統(tǒng)(包括調制器、速調管)和六臺能量倍增器(SLED) 位于速調管走廊內，其他各部分位于半地下坑道內。直線加速器各組成部分都要求工作在真空狀態(tài)，各主要部件運行的真空指標如表1 所示[1，3，4]。
為滿足不同組件對真空度的要求，將真空系統(tǒng)分為加速管真空系統(tǒng)和波導真空系統(tǒng)兩部分，二者之間由微波陶瓷窗分隔。局部的直線加速器真空系統(tǒng)結構見圖1。
表1 直線加速器各主要部件要求的工作真空度
1.電子槍；2.全金屬插板閥；3.聚束器；4.六米加速段；5.濺射離子泵；6.陶瓷窗；7.波導系統(tǒng)
圖1 合肥光源直線加速器真空系統(tǒng)局部
2、真空系統(tǒng)設計
為得到符合要求的真空系統(tǒng)，需要綜合考慮其技術指標和經濟性，為此合肥光源的直線加速器真空系統(tǒng)進行了重新設計。
2.1、相關設計計算
在真空系統(tǒng)設計之初需要對真空獲得系統(tǒng)泵分布，壓強曲線等進行計算，從而得到滿足要求的系統(tǒng)設計。對于直線加速管，其核心部件是由兩個三米加速管組成的六米加速段，每個3 米加速段由86 個不同尺寸的加速腔串聯(lián)焊接而成，與細長管道的壓強分布類似，其中心真空度取決于端口真空度及腔體形狀和材料特性，其計算公式如下[2，3，5]：
其中：pn 為加速管中心單腔壓強，每個單腔的流導為cx，每個單腔放氣為Qx。p0 為加速管入口單腔處壓強，Sp 為在第一個單腔抽氣口側的離子泵有效抽速。
將無氧銅等梯度加速管的參數(shù)代入公式，所得的計算結果如下圖2 所示。真空技術網(wǎng)(http://genius-power.com/)據(jù)此進行系統(tǒng)參數(shù)(選泵、泵位置、抽氣結構等)設計。
圖2 加速管中壓降隨腔數(shù)變化曲線
2.2、真空獲得系統(tǒng)
為實現(xiàn)電子槍安全高效運行，電子槍真空系統(tǒng)是直線真空系統(tǒng)中要求最高的部分。同時電子槍類型為柵控熱陰極電子槍，在運行時其出氣負載也相應提高，為此我們采用一臺抽速為200 L/s的濺射離子泵(SIP)作為主抽泵，電子槍系統(tǒng)通過一只CF35 全金屬閘板閥與下游聚束器段真空室相連，此外安裝有全金屬角閥用于分子泵機組對電子槍系統(tǒng)的預抽。電子槍系統(tǒng)必須在經過離線調試后，真空和物理性能符合要求后安裝于預定位置。電子槍隔斷閥門和直線加速器末端隔斷閥門之間直線加速管、真空部件、束測元件構成了直線加速器真空系統(tǒng)，軸向全長約為73 米。設計除加速管及特殊要求真空室外均采用內徑為35 mm的不銹鋼管道，并采用濺射離子泵作為主真空泵。真空系統(tǒng)部件包括加速管、Q 鐵真空室、漂移段真空室、刮束器、束測元件真空室、波紋管、離子泵、閥門、真空計、分子泵接口和充氣閥。隔斷閥門采用全金屬閘板閥；分子泵接口閥門采用全金屬角閥；濺射離子泵不放置在直線加速器管道軸線上，而是在每個6 米段加速管的兩個微波耦合輸入接口處各放置一只100 L/S 的濺射離子泵泵站，這樣，每個6 米段是由2 只離子泵完成高真空獲得；由于每個加速管之間由Q 鐵真空室或漂移段真空室連接，除在較長的真空管道處布置一臺濺射離子泵外，長度小于1 米的連接段不布置離子泵站；系統(tǒng)粗抽由分子泵機組通過分子泵接口完成，真空度好于1×10-3 Pa 時啟動濺射離子泵。經過改造的合肥光源直線加速器共布置濺射離子泵48 臺，全金屬插板閥4 只，全金屬角閥20 只。
2.3、真空測量系統(tǒng)
由于不同的部分要求的真空度不同，一般來說電子束運行其中的直線加速器束流軌道部分要求的真空度較好，而供微波功率通過的波導系統(tǒng)的真空度要求相對較低，而且加速管的真空度測量點布置不能影響電子束束流，并能長期工作在輻射環(huán)境之中。
綜合考慮以上要求和成本，在合肥光源的改造工程中直線加速器的主要部分，包括電子槍、預聚束器、8 只六米加速段以及8 只速調管波導系統(tǒng)均設置一個真空測量點，共18 個測量點。我們選用測量下限為1×10-8 Pa 的冷陰極規(guī)管(CCG)IKR060 作為直線加速器真空度的測量規(guī)管，其安裝位置位于直線加速器坑道內，同時采用測量下限為1×10-7 Pa 的冷陰極規(guī)管IKR050測量波導部分真空度，其安裝位置位于速調管走廊內。真空計選用與之配套的TPG300 真空計，通過配用不同的測量插板完成測量，真空規(guī)管與真空計之間采用高壓電纜SYS-75-5 以及SHV 高壓接頭相連，在每臺真空計上還配有通訊接口板以完成真空度數(shù)據(jù)與控制系統(tǒng)的接口，同時輸出設定真空閾值的繼電器信號以完成連鎖保護。
2.4、真空連鎖保護系統(tǒng)
在合肥光源的直線加速器運行中，真空度是系統(tǒng)運行的必要條件，如果有突發(fā)事件的發(fā)生，對真空系統(tǒng)造成劇烈影響導致真空度降低的同時會造成電子槍以及功率部件的損壞，因此將真空度引入連鎖保護系統(tǒng)中。通過真空計配用的通訊接口板，輸出真空閾值的繼電器信號，只有在真空度滿足設定值時，其測量點相對應的功率部件才能處于工作狀態(tài)。這一連鎖保護系統(tǒng)在直線加速器以及波導系統(tǒng)的老煉過程中起到了無可替代的重要作用，在完成工作的同時保護了功率器件和波導元件。
為防止突發(fā)事件，將閥門控制系統(tǒng)也引入連鎖保護之中。在真空度急劇變差時，電子槍及直線加速器部分的4 只全金屬插板閥將落下，將直線加速器分成4 個獨立部分，以期將損失盡量減小。此控制由EPICS 控制系統(tǒng)完成。
圖3 改造之后的合肥光源直線加速器
3、合肥光源直線加速器真空系統(tǒng)的安裝調試
直線加速器器真空系統(tǒng)的真空閥門和真空規(guī)管、真空計等在2012 年初已經到貨完畢。由外協(xié)廠家加工的真空系統(tǒng)部件，包括各種離子泵及真空室于2012 年6 月交貨。到貨后的真空系統(tǒng)部件為方便隨后進行的安裝工作，進行了如下一些準備工作：
1. 按照圖紙設計，將系統(tǒng)包含的固定組件，如離子泵泵站段，包括真空室，規(guī)管，角閥，法蘭等進行組裝；
2. 組裝的組件按照相應的安裝位置進行標號，即每一件對應單獨的安裝位置，在安裝時可將其運送至安裝位置附近，便于管理，在隨后的安裝中證明這是非常有效的，提高了工作效率；
3. 部分組件進行真空氦質譜檢漏；
4. 真空計、插板按照現(xiàn)場要求進行組裝，并全部通電測試，并由控制組人員測試通訊及與控制系統(tǒng)的接口。
全部離線調試工作于2012 年7 月完成。為配合電子槍電子學系統(tǒng)的調試工作，首先在核物理大廳組裝了電子槍真空系統(tǒng)并進行真空調試，電子槍真空系統(tǒng)調試后的真空度達到1.0×10-7 Pa。
2012 年12 月開始進行直線加速器安裝，期間出現(xiàn)的主要問題是發(fā)現(xiàn)部分波導密封面出現(xiàn)問題，導致真空檢漏未通過，為此將有關部件返廠修理。在2013 年5 月下旬，全部波導到貨并安裝完成，隨后將核物理大廳的電子槍真空系統(tǒng)及組件搬運至坑道安裝。由于整個真空系統(tǒng)為幾個獨立部分，烘烤階段維持用分子泵機組數(shù)量有限，因此分幾步完成真空烘烤過程。6 月初完成直線加速器真空烘烤及離子泵啟動，6 月中旬分兩組完成速調管波導真空系統(tǒng)烘烤及離子泵啟動。安裝之后的直線加速器系統(tǒng)真空度隨時間變化，隨著加速管及波導系統(tǒng)在經過微波功率老煉后波導元件器壁放氣量的降低，真空度也不斷變好。下表為直線加速器各測量點的真空度，其中老煉前真空度為經過2 個月的離子泵排氣后測得真空度，為靜態(tài)真空度，而老煉后的真空度為在有微波功率以及電子束流的正常工作狀態(tài)下測得數(shù)值，為動態(tài)真空度，真空技術網(wǎng)(http://genius-power.com/)認為由此可見HLSII 的直線加速器真空系統(tǒng)優(yōu)于設計指標，滿足直線加速器系統(tǒng)的運行要求。
表2 合肥光源直線加速器各部分真空度 單位：Pascal
4、總結
合肥光源的直線加速器真空系統(tǒng)為符合合肥光源改造工作的要求進行了重新設計，新的直線加速器真空系統(tǒng)已經安裝調試完成，達到了設計指標。目前已經投入運行，工作穩(wěn)定可靠，為合肥光源800 MeV 直線加速器的運行提供良好的真空環(huán)境和有力保障。
參考文獻
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