上海光源首期Wiggler真空室材料選擇及測試

2009-11-18 盧裕 中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所

  上海同步輻射光源(SSRF) 是以大量插入件(Insertion device )的使用為標志第三代同步輻射光源,該光源具有高亮度、準直性好、波長范圍寬且連續(xù)可調(diào)、脈沖短(~10-10 s )、穩(wěn)定性高、超純凈、高偏振和準相干等優(yōu)點,性能遠優(yōu)于其它人造光源。插入件是指具有周期性磁場結(jié)構(gòu)的磁裝置, 安裝在儲存環(huán)兩個磁聚焦結(jié)構(gòu)間的直線節(jié)中, 當(dāng)電子束流經(jīng)過插入件時,束流軌跡被磁場扭擺,從而改變束流本身特性及輻射特性,獲得更高品質(zhì)的同步輻射光。插入件包括波蕩器(Undulator )、扭擺器(Wiggler )和波長移動器(Wavelength shifter)3 種。SSRF首批5臺插入件有兩臺Wiggler (w8w14),Wiggler真空室為束流提供運行通道, 同時還須保證光源運行的超高真空環(huán)境, 滿足插入件工作的技術(shù)要求。

1、Wiggler真空室材料選擇及處理

1.1、不銹鋼材料選擇

  上海光源在儲存3.5GeV、200~300mA 束流情況下,要滿足束流壽命大于10h的要求,必須使動態(tài)真空低于1.3×10-7Pa 指標。真空室還應(yīng)具有足夠低的真空阻抗,以避免束流不穩(wěn)定性,減小束流的高次模損耗。因此,真空室研制過程中材料的選擇是關(guān)鍵的第一步。Wiggler真空室材料選擇要考慮到熱導(dǎo)率、電阻率、表面出氣率以及對表面處理敏感性,殘余輻射、可加工性也是必須考慮的方面。目前,國際上其他光源插入件真空室常用材料主要是鋁合金和不銹鋼,通過對鋁合金和不銹鋼機械、磁性能的比較后發(fā)現(xiàn),鋁合金更適于電子儲存環(huán)超高真空室的應(yīng)用。

  SSRF儲存環(huán)真空室建造中,由于采用低導(dǎo)磁率不銹鋼模壓成型可節(jié)省費用,因此,真空室材料從預(yù)研初定的鋁合金改為了低導(dǎo)磁率SS316LN(真空導(dǎo)磁率μ≤1.03)。結(jié)合SSRF儲存環(huán)特點,若Wiggler采用鋁制真空室,則該真空室和直線節(jié)真空室之間的連接需采用Al-SS復(fù)合板法蘭,由于爆炸焊加工用于超高真空密封復(fù)合板技術(shù)目前在國內(nèi)尚不成熟,小間隙Wiggler 真空室加工工期較緊,這使Wiggler真空室采用鋁合金執(zhí)行難度較大。另外,SSRF 真空系統(tǒng)在儲存環(huán)不銹鋼真空室加工上積累了一定的工程經(jīng)驗,從整個儲存環(huán)真空室材料統(tǒng)一、節(jié)省工期、費用等方面考慮,我們決定采用304 不銹鋼加工Wiggler真空室, 加工完成后通過真空爐對真空室進行高溫除氣退磁處理( 處理后導(dǎo)磁率μ≤1.05)用于Wiggler插入件的使用。

1.2、鍍銅及其厚度的確定

  采用304不銹鋼研制小間隙Wiggler真空另一個問題是:當(dāng)束流穿過不銹鋼束流室時,會在其表面感應(yīng)出鏡像電流,激發(fā)電磁波尾場。尾場主要受到真空室內(nèi)表面粗糙度和電阻率的影響,前者叫做表面粗糙度尾場,會使束流的發(fā)射度降低,因此通常對真空室內(nèi)表面進行拋光處理,盡量減小真空室內(nèi)表面粗糙度。后者叫做壁阻抗尾場,可以在內(nèi)表面鍍電阻率較小的銅層來減小。由于小間隙Wiggler 真空盒尺寸較小,束流感受到的尾場會較大,為減小尾場效應(yīng),我們決定在束流室內(nèi)表面鍍一層銅膜。

  由于壁電流的低頻成份受到損失較多, 而對于高頻, 損失則小得多。束流所能感受到的電磁尾場低頻部分記為Δνy、f0,這里Δνy為束流垂直方向振蕩頻率小數(shù)部分,f0 為回旋頻率,對應(yīng)的電磁場趨膚深度δ 為:

  式中:ω為高頻電磁場頻率,μ為真空磁導(dǎo)率,σ為金屬電導(dǎo)率。經(jīng)物理部門計算后確定鍍銅層厚度≮110 μm。

1.3、表面鍍銅工藝

  Wiggler真空室內(nèi)表面鍍銅層不僅要求鍍致密、均勻、導(dǎo)電性好,而且還要求銅層與SS304真空室有非常好的結(jié)合力,避免在真空烘烤調(diào)試及加速器運行時,超高真空狀態(tài)下真空室內(nèi)表面鍍層出現(xiàn)掉粉、脫皮等現(xiàn)象,使束流中的電子與束流管道中的殘存微粒之間的韌致輻射作用,引起束流微粒(塵埃)效應(yīng),影響束流壽命。

  Wiggler 真空室長度超過2 m, 且鍍層厚度大,因此我們決定采用電鍍的方式。比較了堿性(NaCN 氰化物) 鍍銅和酸性鍍銅兩種常用鍍銅方式后發(fā)現(xiàn),氰化物鍍銅雖然膜層增長速率緩慢,電鍍所需時間長,但較酸性鍍銅卻具有鍍層致密、均勻等優(yōu)勢,同時氰化物鍍銅是解決鋼鐵件鍍銅結(jié)合力最好的措施。因此,Wiggler不銹鋼真空室選擇了氰化鈉電鍍銅工藝。Wiggler真空室鍍銅前先將機加完成后的304不銹鋼板表面清洗干凈,除去油、銹等污跡。首先電鍍一薄層沖擊鎳打底,以增加不銹鋼與鍍銅層間的結(jié)合力。然后將真空室制件作陰極,純銅板作陽極,掛于含有氰化亞銅、氰化鈉和碳酸鈉等成分的堿性電鍍液中,配以適當(dāng)?shù)奶砑觿┩瓿慑冦~。鍍銅后真空室片清洗拋光,按照超高真空工藝清洗后焊接成型。

  由于氰化物鍍銅中間體有多種,為了防止不銹鋼材料鍍銅后的真空性能變化,如出氣率過大、清洗后殘余氣體中有雜質(zhì)氣體等,導(dǎo)致真空度難以達到指標,故進一步對鍍銅后SS304進行真空性能測試。

2、SS304鍍銅真空性能測試與分析

2.1、真空性能測試裝置

  超高真空和極高真空材所用的金屬材料等物質(zhì)表面的熱出氣主要由材料本身解析氣體、滲氣(主要是H2)以及微小漏隙漏氣組成,而這些經(jīng)常是由熔煉和鑄造、存儲、加工以及材料本身的非致密性引起的。電鍍銅材料的熱出氣與上述情況有所區(qū)別,并且電鍍過程中沒有擺脫氰化物劇毒這一清潔要求。因此對不銹鋼鍍銅的熱出氣率及其殘氣譜圖進行測試與分析,以確保滿足Wiggler真空室材料指標要求。

  常用的真空材料熱出氣率測試方法有兩種,升壓法和小孔流導(dǎo)法(壓差法)。此次不銹鋼鍍銅真空性能測試實驗采用壓差法。按照真空設(shè)計手冊標準搭建出氣率測試系統(tǒng),測試裝置如圖1。

測試裝置示意圖

1.離子泵2.規(guī)管3.排氣室4.小孔5. 規(guī)管6. 測試室7. 四極質(zhì)譜計8.角閥9.分子泵機組

圖1 測試裝置示意圖

  整個裝置包括測試罩、規(guī)管、四極質(zhì)譜計及真空獲得設(shè)備構(gòu)成。測試罩上室為測試室,下室為排氣室,直徑DN150,整個測試罩由304不銹鋼做成,可耐300℃~400℃高溫烘烤。上、下室各裝一個離子規(guī)(Varian),上室還接有一個四極質(zhì)譜計(Inficon),下室直接與200L/s 離子泵連接,CF35角閥通過波紋管連接分子泵- 干泵機組(Leybold)。真空系統(tǒng)調(diào)試過程中,測試罩內(nèi)氣體流過小孔被真空獲得設(shè)備抽除。氣體流過上、下室隔板小孔會在測試室和抽氣室內(nèi)產(chǎn)生一個壓降△P(△P=P1- P2),壓強P1、P2 可從上、下室的兩個規(guī)管讀出。已知小孔的直徑d=11 mm。根據(jù)小孔分子流時流導(dǎo)公式

  式中A0為隔板小孔的面積(m2);R 為氣體常數(shù)(813143 J/(K·mol) );T為氣體溫度(K);M 為氣體摩爾質(zhì)率(kg/ mol)?梢郧蟪鲂】琢鲗(dǎo)C 為0.01103 m3/s。則系統(tǒng)的測試室出氣率Q 可以通過Q =C(P1- P2)公式算出。