上海光源(SSRF) 输运线真空系统设计(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院上海应用物理所 作者:张海鸥

  本文介绍了上海光源高能输运线和低能输运线真空系统设计,包括总体布局,真空盒的结构和真空获得系统。低能输运线由两个弯段和三个直线段组成,高能输运线由五个弯段和四个直线段组成。用有限元方法分析计算了输运线弯段真空盒的大气负载变形,以确定真空盒的形状和尺寸,结果变形量小于0.15 mm。通过模拟输运线全段真空盒的压强分布来优化泵系统的布局,结果表明全线压强小于6 ×10 -6 Pa。因此真空系统的设计方案能满足物理指标和实际工程要求。

  上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility ,SSRF) 是我国在建的专用第三代同步辐射光源,由直线加速器、增强器和储存环组成,位置分布见图1。SSRF 储存电子能量3.5 GeV ,流强200 mA~300mA。电子由直线加速器加速预能量至150 MeV ,经过增强器升能到3.5 GeV 后注入到储存环中。在直线加速器、增强器和储存环之间分别有低能输运线(Linac to Booster ,LTB) 和高能输运线(Booster to Ring ,BTS) 连接,输运线的主要作用是将束流有效的传输到增强器和储存环中,使得传输束流的Twiss 参数与注入点处的横向截面参数匹配。另外,由于储存环的真空度优于增强器,所以输运线的真空系统应该保障在交界位置压力环境的相容性。

上海光源加速器位置分布

图1  上海光源加速器位置分布

1、总体布局

  低能输运线全段物理长度19.15 m ,由两个15°弯段和三个直线段组成,高能输运线全段物理长度46.5m , 由五个9.45°的弯段和四个直线段组成。高、低能输运线束流管道主要由真空系统、束测系统和防护系统的部件组成,所有的束测系统和防护系统的部件做成独立段,通过法兰与真空室连接。高、低能输运线真空室采用全不锈钢材料,直段真空室采用低磁导率的304L 不锈钢,弯段真空室采用低磁导率的316L不锈钢。

  低能线的两端用两个插板阀将其与直线和增强器隔离开,成为一个单独的系统,高能线用三个插板阀将其与增强器和储存环隔离开,这样将整段高能线分成两个独立区间,方便安装和调试。在机器运行过程中真空系统出现故障如漏气或需要更换真空室内部部件时,维修人员可以将较小的真空区域暴露大气,对故障进行检测和排除,减少了工作量,缩短机器故障时间。在输运线每个直线段的两端放置独立波纹段,补偿弯段真空室端面法兰的位置误差和角度偏差,保证束流通过直段真空室的中心位置。对于如束流位置探测器和荧光靶这些对位置有较高精度要求的束测件,在其附近安装可调节的波纹段。

  输运线真空室残余气体主要是H2 、CO、H2O、N2和CO2 ,对于惰性气体含量没有特别的要求,因此在高、低能输运线上主泵系统全部采用二极溅射离子泵(SIP) ,其完全无油、无震动、大抽速和高极限真空度的特点非常适合同步辐射光源的真空环境。由于传输束流在输运线上没有阻抗要求,因此离子泵全部采用大直径圆筒的泵站结构安装,减少有效抽速的损失。在避开特殊部件如磁铁和某些对位置要求严格的束测元件(如光束狭缝) 的基础上,离子泵的位置按照一定间距排布,尽量使得输运线的压强分布均匀。输运线要求整段压强小于2 ×10 - 5 Pa ,储存环的静态压强要求小于2.6 ×10 -8 Pa ,因此在靠近储存环注入区域,高能输运线的真空系统设计要适当增加抽速,使得这里的压强接近储存环的压强要求。真空压强测量选用宽线性量程的B-A 规。图2 和图3 是输运线真空元件布局图。

低能线真空元件布局 高能线真空元件布局

图2  低能线真空元件布局  图3  高能线真空元件布局

2、真空盒结构

  输运线四极铁区域的束流清晰区是圆形包络,二极铁区域的束流清晰区是椭圆包络,因此直段区域的真空盒是圆形截面,弯段区域的真空盒是矩形截面。表1 是高、低能输运线磁铁孔径、清晰区以及真空盒尺寸。

表1  输运线的磁铁孔径、清晰区与真空盒尺寸

输运线的磁铁孔径、清晰区与真空盒尺寸 

  由于真空盒抽真空后,盒体表面上承受的大气压力导致其发生向内的凹陷变形,盒体的厚度必须保证变形后的盒体与束流清晰区仍然有足够的间距。我们用有限元数值计算方法分析了高、低能输运线弯段真空盒的变形情况,计算采用ANSYS810结构分析软件包,直接在ANSYS 程序中建立真空盒模型,材料的弹性模量200 GPa ,泊松比0.3。固定长度方向的两个端面,其余4 个外表面施加1.0 ×105 Pa 的压力,计算结果见图4 (a) ,4 (b) ,另外由于高能输运线弯段真空室长度达到2.2 m ,因此考虑了高能线弯段真空室在自重作用和真空负载双重作用下的变形,结果见图4 (c) 。

输运线弯段真空盒真空负载变形 

图4  输运线弯段真空盒真空负载变形(a) 低能线弯段; (b) 高能线弯段; (c) 高能线弯段

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