上海光源(SSRF) 输运线真空系统设计(2)

3、泵系统的分布

　　输运线的气载主要来自真空室的热脱附气体QT ,电子在二极磁铁处弯转产生的同步辐射光会在真空室表面激发一定数量的光电解析气载QP。QP与光源辐射的光子数成正比,而光子数与电子能量以及流强成正比 , 由于低能输运线传输的150MeV 电子能量较低,而高能线传输的电子平均流只有5 mA ,因此在输运线真空室里产生的光电解析气载量很小,可以忽略,在真空获得系统的设计中只考虑表面的热脱附气载。

　　气体分子对束流的散射,会造成电子的丢失,为了保证小于千分之一的电子损失率,同时参考国外同类光源的真空度指标,上海光源提出输运线真空度好于2 ×10 ^{- 5} Pa。国际先进光源对输运线真空获得的设计大多尽量均匀布置泵系统,以减小真空管道内的压强的变化,如加拿大光源。基于这样的思路,可以决定泵系统合适的抽速。如果按照每间隔3 m 左右的距离排布一个离子泵,那么所需要的泵抽速Se 可以计算:

P0·Se = q·A·L P (1)

　　q是真空室单位面积的热出气率, 对于不烘烤的不锈钢材料取1.3 ×10 - 8 Pa·L/ s·cm², A 是单位长度的真空室内表面积, L P 是泵间距。要求在泵口位置的压强P0 比平均压强低一个量级,计算得到低能线需要的泵抽速是42 L/s ,高能线需要的泵抽速是33 L/ s ,因此抽速50 L/ s 的离子泵可以满足要求。

　　高能线第二个和第三个弯段真空室是紧密排列,中间没有放泵的位置空间, 两端泵的间距Lp 将超过4.5 m。根据式(1) ,计算得真空泵的有效抽速需达到74 L/ s ,因此在这里用100 L/ s 离了泵。根据同样的计算,在高能线的第四和第五弯铁段处同样是100 L/ s 的离子泵。

　　对于均匀截面的细长真空室,如图5 所示,内部气流量Q 的变化:

图5 　细长真空室气流运动模型

　　根据上面两个公式, 得到真空盒气流方向任意截面位置的压强:

　　Q 是进入抽气口的气流量, C 是真空盒单位长度流导, q 是单位面积真空盒的出气量, S 是抽气口位置的有效抽速, P 是某截面x 处的平均压强。

　　细长真空盒由于表面出气,在不同位置的截面上通过的气流量是不同的,因此压强不是均匀分布,而是呈抛物线形。最高压强在压力梯度为零位置,最低压强在抽气口位置。根据式(4) 计算了若干不同泵布局的输运线压强,采用压强分布均匀性好的布局作为最终布局,图6 和图7 是根据实际泵位置布局进行的压强模拟结果。

图6 　低能线压强分布　　图7 　高能线压强分布

4、结束语

　　(1) 对低能输运线的弯段真空盒真空负载变形的有限元分析结果表明,变形量小于0.1mm ,高能输运线的弯段真空盒真空负载变形的有限元分析结果表明,最大变形量小于0.15 mm ,变形后的盒体内表面高度方向与束流清晰区仍有大于0.85 mm 的间隙,能满足真空盒安装公差的需要,因此2 mm 壁厚的矩形真空盒完全满足使用要求。

　　(2) 对高、低能输运线压强模拟结果表明,低能线的最高压强小于6 ×10 ^{- 6} Pa ,高能线的最高压强小于8×10 ^{- 6} Pa ,满足了2 ×10 ^{- 5} Pa 的物理要求,压强分布保持较好的均匀性,因此泵系统的设计合理。

　　(3) 合理选择和布置高、低能输运线上的真空部件,尽量做到输运线真空系统设计方案正确、先进,造价合理经济,为今后稳定可靠的运行和方便地检修打下良好基础。