上海光源儲存環(huán)光子吸收器結(jié)構(gòu)設(shè)計與研制
上海光源儲存環(huán)采用分散分布的光子吸收器來吸收全部不用的彎鐵同步輻射光(SR)并準直引出實驗光束。光子吸收器的結(jié)構(gòu)設(shè)計需考慮多種因素,如同步輻射的功率分布、吸收面的功率稀釋、吸收體的材料、機械結(jié)構(gòu)、冷卻效率及引出光口尺寸等。本文詳細討論了承受高功率密度且結(jié)構(gòu)復雜的雙片式側(cè)壁光子吸收器的結(jié)構(gòu)設(shè)計,對設(shè)計的吸收器進行了熱與結(jié)構(gòu)的有限元分析,并與設(shè)計準則進行比較。文章最后介紹了光子吸收器的加工、在線安裝及運行情況。
上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility ,SSRF) 為先進的第三代中能同步輻射光源,主要性能指標居國際前列,其產(chǎn)生的同步輻射光覆蓋從遠紅外到硬X 射線的寬廣波段,是生命科學、材料科學、環(huán)境科學、地球科學、物理學、化學、信息科學等眾多學科研究中不可替代的先進手段和綜合研究平臺。SSRF由150MeV電子直線加速器、3.5GeV增強器、3.5GeV電子儲存環(huán)(周長為432m) 以及沿環(huán)外側(cè)分布的同步輻射光束線和實驗站組成,作為主體裝置的電子儲存環(huán)中有40塊中心場強為1.2726T的彎轉(zhuǎn)磁鐵,在真空束流通道中運行的高能電子束流通過彎鐵磁場時彎轉(zhuǎn)9°,同時沿束流軌道切線向前的方向產(chǎn)生致密的同步輻射光(SR)。這些同步輻射光中只有一小部分(約15%) 將被引入光束線、實驗站,其余大部分由儲存環(huán)上分散分布的光子吸收器就地吸收處理。另外,儲存環(huán)中有18個直線節(jié)將用于安裝插入件(波蕩器或扭擺器) ,電子束經(jīng)過這些插入件時,將產(chǎn)生高亮度的同步輻射。插入件的同步輻射光將通過光子吸收器上的引光口全部被引入光束線、實驗站。
同步輻射光的高功率密度特性使得在儲存環(huán)超高真空系統(tǒng)中起阻擋和吸收同步光作用的光子吸收器將承受特殊的熱負載,從而帶來一系列特殊的問題需要解決。如對于彎鐵輻射(BMSR) ,在距光源點1.521m遠處,在垂直高度±0.22mm 的范圍內(nèi),最大的垂直入射面功率密度達到103.71W·mm- 2 (300mA流強) 。而對于插入件同步輻射,其功率密度之高足以使無氧銅光子吸收器的局部在短時間內(nèi)熔化,在設(shè)計和隨后的各環(huán)節(jié)工作中必須使該同步輻射光不能照到光子吸收器上,以確保運行安全。
吸收器結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的就是設(shè)法稀釋吸收體表面的同步光功率,利用吸收體內(nèi)的冷卻水及時、高效地帶走熱量;降低表面最高溫度和最高熱應(yīng)力,使光子吸收器有足夠長的使用壽命;限制同步輻射的影響區(qū)域,減小對超高真空狀態(tài)和真空室穩(wěn)定性的影響;安全有效地引出彎鐵和插入件的同步光。下文將著重討論并介紹光子吸收器結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱與結(jié)構(gòu)有限元分析以及光子吸收器的制造和性能。
1、光子吸收器結(jié)構(gòu)設(shè)計
1.1、同步輻射的功率特性根據(jù)公式
P(kW)=88.6E4(GeV)I(A)/r(m)
當儲存環(huán)運行能量E=3.5GeV、流強I=0.3A及彎轉(zhuǎn)軌道半徑r = 9.167m 時, 整個儲存環(huán)將產(chǎn)生總的彎鐵同步輻射功率為435kW。這些同步輻射功率在水平方向上為均勻分布, 角功率密度為69.28W/ mrad ;在垂直方向為高斯分布,如圖1 所示,在距光源2.2m遠處, 大部分的功率都集中在±0.363mm的范圍內(nèi), 在±1mm 以外已趨近于0。線功率密度和面功率密度隨著離光源點距離越遠而變小。根據(jù)儲存環(huán)光子吸收器布局, 離光源點最近的光子吸收器的距離為1.521m,具有最大的平均線功率密度45.67W·mm- 1和最大的平均垂直入射面功率密度103.54W·mm-2 。
圖1 束流在彎轉(zhuǎn)3. 1°處發(fā)光時、距光源點2.2m 處垂直方向彎鐵光功率密度分布
1.2、結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮
光子吸收器結(jié)構(gòu)設(shè)計需考慮表面功率稀釋、冷卻、表面溫度和表面應(yīng)力、輻射的反射、材料、焊接和機加工等因素,具體如下:
(1) 吸收器上同步輻射吸收面結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)有利于功率稀釋,充分利用吸收體的面稀釋和體稀釋效果,降低表面線功率密度和面功率密度。具體來說,就是讓吸收面傾斜或在表面設(shè)計三角鋸齒等結(jié)構(gòu),展寬、拉長同步光斑,增大光斑面積;或者光斑面積不變,而使光斑分段,相鄰段間在吸收體上拉開一定距離,如開距形槽等;另外吸收面結(jié)構(gòu)的設(shè)計還應(yīng)有利于降低散射光,減小影響區(qū)域;
(2) 選擇熱性能、機械性能、加工和焊接性能較好,能滿足工程要求,且成本又較低的材料作吸收體。國內(nèi)外同類光源裝置上用于制造吸收體的材料主要有真空冶煉無氧高導銅(OFHC)和Al2O3顆粒彌散銅(Glidcop) �？紤]SSRF 光子吸收器表面功率密度狀況, 吸收體材料采用OFHC, 表1列出了OFHC的部分性能參數(shù)。光子吸收器上其余材料選用不銹鋼;
表1 OFHC的性能參數(shù)表
(3) 不采用釬焊來直接隔離冷卻水和真空,以免釬焊縫腐蝕后冷卻水直接漏入真空系統(tǒng);盡量減少釬焊面積,以免焊縫處夾雜孔洞,影響密封的可靠性;釬焊縫盡量遠離擋光區(qū)域;
(4) 選擇冷卻水通道壁厚,需綜合考慮吸收面的冷卻、同步光穿透吸收體材料對水冷道腐蝕的促進、水冷壁的溫度、水冷道的強度等因素;另外,冷卻水通道盡量不要位于或穿過光中心平面,以減少透射光子進入水冷道而加劇腐蝕;
(5) 冷卻水流速控制在小于2m·s -1,同時冷卻水通道設(shè)計時,減少水道截面突變、小角度彎轉(zhuǎn)等結(jié)構(gòu),以減少水流引起的設(shè)備振動;為了提高冷卻水換熱系數(shù),盡量使冷卻水在管道內(nèi)的流動狀態(tài)為紊流;
(6) 吸收體的熱性能和結(jié)構(gòu)性能參數(shù)必須滿足下列設(shè)計判據(jù)
①熱性能:吸收面溫度: Tsur < 0.5 Tmelt = 541 ℃(對OFHC)吸收體與冷卻水界面溫度: Twater < Tboil=150℃(對0.5MPa的冷卻水)
②結(jié)構(gòu)性能:熱應(yīng)力: Sth < 2 ×Sy (0.2 %屈服強度)Sth < Sf (疲勞強度) (對105 次熱循環(huán))吸收器設(shè)計在滿足上述兩個條件的前提下, 還應(yīng)盡量使表面溫度降低,減少表面熱解吸氣載,使其小于10 %光激發(fā)解吸氣載(PID) ,從而使吸收器具有良好的真空性能。
