合肥同步辐射光源直线加速器真空系统

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学技术大学国家同步辐射实验室 作者:尉伟

  国家同步辐射实验室的合肥光源为了适应科学研究的发展,自2009 年开始进行重大维修改造项目。新的合肥光源注入器要求工作在800 MeV,为满足注入器的性能提升,直线加速器的真空系统进行了重新设计及安装调试,指标达到设计要求,目前运行状态良好,为合肥光源的满能量模式调试提供必要的技术支持。

  作为合肥光源升级改造项目的一部分,对合肥光源电子储存环的注入器—电子直线加速器在2009 年至2013 年进行了升级改造工作,其目的是将直线加速器的能量由原200 MeV 升高至800 MeV 以实现满能量注入,为此采取了新的电子枪、加速管以及磁铁聚焦结构,因而直线加速器的真空系统也进行了全新的设计及调试[12]

1、概述

  合肥光源的直线加速器,其束流轴线部件主要组成部分为电子枪、预聚束器、聚束器、8 个六米加速段,以及真空、束流测量部件组成,同时还有为加速管提供微波功率的微波波导系统。其中除八套微波功率源系统(包括调制器、速调管)和六台能量倍增器(SLED) 位于速调管走廊内,其他各部分位于半地下坑道内。直线加速器各组成部分都要求工作在真空状态,各主要部件运行的真空指标如表1 所示[134]

  为满足不同组件对真空度的要求,将真空系统分为加速管真空系统和波导真空系统两部分,二者之间由微波陶瓷窗分隔。局部的直线加速器真空系统结构见图1。

表1 直线加速器各主要部件要求的工作真空度

直线加速器各主要部件要求的工作真空度

合肥光源直线加速器真空系统局部

1.电子枪;2.全金属插板阀;3.聚束器;4.六米加速段;5.溅射离子泵;6.陶瓷窗;7.波导系统

图1 合肥光源直线加速器真空系统局部

2、真空系统设计

  为得到符合要求的真空系统,需要综合考虑其技术指标和经济性,为此合肥光源的直线加速器真空系统进行了重新设计。

2.1、相关设计计算

  在真空系统设计之初需要对真空获得系统泵分布,压强曲线等进行计算,从而得到满足要求的系统设计。对于直线加速管,其核心部件是由两个三米加速管组成的六米加速段,每个3 米加速段由86 个不同尺寸的加速腔串联焊接而成,与细长管道的压强分布类似,其中心真空度取决于端口真空度及腔体形状和材料特性,其计算公式如下[235]

合肥同步辐射光源直线加速器真空系统

  其中:pn 为加速管中心单腔压强,每个单腔的流导为cx,每个单腔放气为Qx。p0 为加速管入口单腔处压强,Sp 为在第一个单腔抽气口侧的离子泵有效抽速。

  将无氧铜等梯度加速管的参数代入公式,所得的计算结果如下图2 所示。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)据此进行系统参数(选泵、泵位置、抽气结构等)设计。

加速管中压降随腔数变化曲线

图2 加速管中压降随腔数变化曲线

2.2、真空获得系统

  为实现电子枪安全高效运行,电子枪真空系统是直线真空系统中要求最高的部分。同时电子枪类型为栅控热阴极电子枪,在运行时其出气负载也相应提高,为此我们采用一台抽速为200 L/s的溅射离子泵(SIP)作为主抽泵,电子枪系统通过一只CF35 全金属闸板阀与下游聚束器段真空室相连,此外安装有全金属角阀用于分子泵机组对电子枪系统的预抽。电子枪系统必须在经过离线调试后,真空和物理性能符合要求后安装于预定位置。电子枪隔断阀门和直线加速器末端隔断阀门之间直线加速管、真空部件、束测元件构成了直线加速器真空系统,轴向全长约为73 米。设计除加速管及特殊要求真空室外均采用内径为35 mm的不锈钢管道,并采用溅射离子泵作为主真空泵。真空系统部件包括加速管、Q 铁真空室、漂移段真空室、刮束器、束测元件真空室、波纹管、离子泵、阀门、真空计、分子泵接口和充气阀。隔断阀门采用全金属闸板阀;分子泵接口阀门采用全金属角阀;溅射离子泵不放置在直线加速器管道轴线上,而是在每个6 米段加速管的两个微波耦合输入接口处各放置一只100 L/S 的溅射离子泵泵站,这样,每个6 米段是由2 只离子泵完成高真空获得;由于每个加速管之间由Q 铁真空室或漂移段真空室连接,除在较长的真空管道处布置一台溅射离子泵外,长度小于1 米的连接段不布置离子泵站;系统粗抽由分子泵机组通过分子泵接口完成,真空度好于1×10-3 Pa 时启动溅射离子泵。经过改造的合肥光源直线加速器共布置溅射离子泵48 台,全金属插板阀4 只,全金属角阀20 只。

2.3、真空测量系统

  由于不同的部分要求的真空度不同,一般来说电子束运行其中的直线加速器束流轨道部分要求的真空度较好,而供微波功率通过的波导系统的真空度要求相对较低,而且加速管的真空度测量点布置不能影响电子束束流,并能长期工作在辐射环境之中。

  综合考虑以上要求和成本,在合肥光源的改造工程中直线加速器的主要部分,包括电子枪、预聚束器、8 只六米加速段以及8 只速调管波导系统均设置一个真空测量点,共18 个测量点。我们选用测量下限为1×10-8 Pa 的冷阴极规管(CCG)IKR060 作为直线加速器真空度的测量规管,其安装位置位于直线加速器坑道内,同时采用测量下限为1×10-7 Pa 的冷阴极规管IKR050测量波导部分真空度,其安装位置位于速调管走廊内。真空计选用与之配套的TPG300 真空计,通过配用不同的测量插板完成测量,真空规管与真空计之间采用高压电缆SYS-75-5 以及SHV 高压接头相连,在每台真空计上还配有通讯接口板以完成真空度数据与控制系统的接口,同时输出设定真空阈值的继电器信号以完成连锁保护。

2.4、真空连锁保护系统

  在合肥光源的直线加速器运行中,真空度是系统运行的必要条件,如果有突发事件的发生,对真空系统造成剧烈影响导致真空度降低的同时会造成电子枪以及功率部件的损坏,因此将真空度引入连锁保护系统中。通过真空计配用的通讯接口板,输出真空阈值的继电器信号,只有在真空度满足设定值时,其测量点相对应的功率部件才能处于工作状态。这一连锁保护系统在直线加速器以及波导系统的老炼过程中起到了无可替代的重要作用,在完成工作的同时保护了功率器件和波导元件。

  为防止突发事件,将阀门控制系统也引入连锁保护之中。在真空度急剧变差时,电子枪及直线加速器部分的4 只全金属插板阀将落下,将直线加速器分成4 个独立部分,以期将损失尽量减小。此控制由EPICS 控制系统完成。

改造之后的合肥光源直线加速器

图3 改造之后的合肥光源直线加速器

3、合肥光源直线加速器真空系统的安装调试

  直线加速器器真空系统的真空阀门和真空规管、真空计等在2012 年初已经到货完毕。由外协厂家加工的真空系统部件,包括各种离子泵及真空室于2012 年6 月交货。到货后的真空系统部件为方便随后进行的安装工作,进行了如下一些准备工作:

  1. 按照图纸设计,将系统包含的固定组件,如离子泵泵站段,包括真空室,规管,角阀,法兰等进行组装;

  2. 组装的组件按照相应的安装位置进行标号,即每一件对应单独的安装位置,在安装时可将其运送至安装位置附近,便于管理,在随后的安装中证明这是非常有效的,提高了工作效率;

  3. 部分组件进行真空氦质谱检漏

  4. 真空计、插板按照现场要求进行组装,并全部通电测试,并由控制组人员测试通讯及与控制系统的接口。

  全部离线调试工作于2012 年7 月完成。为配合电子枪电子学系统的调试工作,首先在核物理大厅组装了电子枪真空系统并进行真空调试,电子枪真空系统调试后的真空度达到1.0×10-7 Pa。

  2012 年12 月开始进行直线加速器安装,期间出现的主要问题是发现部分波导密封面出现问题,导致真空检漏未通过,为此将有关部件返厂修理。在2013 年5 月下旬,全部波导到货并安装完成,随后将核物理大厅的电子枪真空系统及组件搬运至坑道安装。由于整个真空系统为几个独立部分,烘烤阶段维持用分子泵机组数量有限,因此分几步完成真空烘烤过程。6 月初完成直线加速器真空烘烤及离子泵启动,6 月中旬分两组完成速调管波导真空系统烘烤及离子泵启动。安装之后的直线加速器系统真空度随时间变化,随着加速管及波导系统在经过微波功率老炼后波导元件器壁放气量的降低,真空度也不断变好。下表为直线加速器各测量点的真空度,其中老炼前真空度为经过2 个月的离子泵排气后测得真空度,为静态真空度,而老炼后的真空度为在有微波功率以及电子束流的正常工作状态下测得数值,为动态真空度,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为由此可见HLSII 的直线加速器真空系统优于设计指标,满足直线加速器系统的运行要求。

表2 合肥光源直线加速器各部分真空度 单位:Pascal

合肥光源直线加速器各部分真空度

4、总结

  合肥光源的直线加速器真空系统为符合合肥光源改造工作的要求进行了重新设计,新的直线加速器真空系统已经安装调试完成,达到了设计指标。目前已经投入运行,工作稳定可靠,为合肥光源800 MeV 直线加速器的运行提供良好的真空环境和有力保障。

参考文献

  [1] 合肥光源重大维修改造项目注入器预研报告(内部),2009.

  [2] 裴元吉.电子直线加速器设计[M].北京:科学出版社,2012.

  [3] 崔遂先,王荣宗,编著.超高真空[M].北京:化学工业出版社,2013.

  [4] 邓秉林,周锦宝,薛纪钦,等.BEPCⅡ直线加速器真空系统[J].真空,2007,44(2):12-14.

  [5] 达道安.真空设计手册[M].北京:国防工业出版社,1995.

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