NSRL储存环真空系统(1)

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:王勇

  国家同步辐射实验室(NSRL)800MeV电子储存环是我国第一台专用的同步辐射光源。1991年12月全部建成通过国家验收, 1993年光源正式向国内外的用户开放运行。NSRL储存环真空系统不锈钢(SUS304L,SUS316L)全金属无油系统,环气压由分布在环上具有代表性的真空室上的8只B-A型离子规测量。环真空剩余气体的分压由6只四极质谱监控。系统的原位烘烤采用真空室壁通大电流直接加热的方法,烘烤平均温度控制在200℃。设计系统静态平均气压为7×10-8Pa,动态有束流时的平均气压为3×10-7Pa, 设计束流100~300mA 时寿命为500min。1996年底, 我们利用冬季机器维修时间,在上环安装了储存环自由电子激光(Freed Electron Laser) 的光学速调管。该装置设计为不仅用于相干谐波辐射自由电子激光振荡器实验, 稍加改动,光学速调管就变为一均匀波荡器作为插入件进行同步辐射的应用。其亮度比弯铁辐射高两个多量级。同时还在上环安装了场强高达6个特斯拉的超导扭摆磁铁(Superconductor Wiggle) 真空系统, 辐射出比弯铁能量要高得多的电磁波。使NSRL环的特征波长由24~缩短到4.86~, 可用波长达到1~。光谱可使用范围由真空紫外、软X 射线延伸到硬X 射线。充分满足了用户对X 光源的要求。

1、机器运行现状

  国家同步辐射实验室800MeV电子储存环光源自对用户开放运行以来,平均每年束流累积剂量约400A/h。机器已累计为用户提供了约2×104h的实验用光。储存环真空室平均气压低于5×10-8Pa。1996年储存环能量为800MeV在储存束流200mA时的典型束流寿命超过600min。应用户要求机器通常运行在储存流强150mA左右的范围, 此时的束流寿命接近1000min。通常情况下环真空系统开放大气的恢复,我们仅对环的主排气离子泵进行48h300℃烘烤, 烘烤结束后,启动离子泵排气48h后, 环平均静态气压即小于2×10-7Pa。机器可进入束流真空清洗运行,由于不锈钢真空室壁对辐射自身清洗作用有良好的“记忆”效应, 机器真空恢复时通常束流累积剂量约20A/h后, 环储存束流100mA 时的束流寿命可达到4h以上, 即可满足一般用户的需要, 机器进入实验运行模式。随着机器的运行时间增加,束流清洗剂量达到80A/h后, 机器状态可基本达到真空系统开放前的状态。这表明环真空系统的设计是成功的, 真空性能是优良的。

2、环真空系统改进

  国家同步辐射实验室的二期工程1997年已获国家正式批准, 整个工程计划于2000年底完成。工程完成后, 要求合肥光源的性能有进一步的提高,机器达到长期、稳定、可靠的运行。常规运行模式(GPLS)时满能量运行时束流300mA的寿命大于8h。高亮度运行模式(HBLS)下满能量运行时束流150mA的寿命大于4h。机器每年运行时间按束流累积剂量算大于600A/h。根据二期工程要求和环真空系统多年来运行情况和现状, 我们分析了目前存在的问题, 提出了环真空系统的改造方案: ①根据计算机对环气压分布设计、计算结果和目前实际运行状态, 决定在弯铁下游出口处增设NEG非蒸发型吸气泵, 改善环气压分布和同步辐射光解吸气体快速排除力度; ②结合机器的其他改造项目, 完成多种特殊真空室的设计和改造。

2.1、环气压分布计算

  在电子储存环中, 电子在磁场的约束下以向心加速度在轨道上作圆周运动时, 发出大量的电磁波辐射, 称之为“同步辐射”。同步辐射与真空室壁相互作用引起的气体解吸被称为光电解吸。由它引起的气载是储存环动态情况下的主要气载, 是影响储存环性能的主要问题, 也是决定环残余气体气压和束流寿命的重要因素。一期工程中我们对环动态气压分布和束流寿命进行过计算。由于多种原因、条件和环空间限制, 对同步辐射引起的光电解吸气载仅采用弯段上分布式离子泵排除。多年来的实际运行和测量结果告述我们,这种排气方法不能迅速有效的排除同步辐射产生解吸气体, 以至弯段真空室局部气压偏高, 影响和限制了环束流和寿命的进一步的提高。我们利用计算机设计程序模拟计算四分之一环的残气压分布结果也显示了这个问题。针对这个问题, 我们经过对环残余气压的计算和环真空室位置空间尺寸的分析, 决定在弯段下游出口处增设一台抽速为200L/sNEC非蒸发型吸气泵, 这种“集中式+分布式”排气方法可有效迅速排同步光在除弯段处产生解吸气体。图1 是增设N EG 非蒸发型吸气泵后环压强分布曲线。从计算结果可以看出, 这一方法缓解了弯段真空室气压偏高的问题。弯段处的动态平均气压比原先降低了2~3倍。环真空系统的动态平均气压可达到2.0×10-7Pa。

储存环标准四分之一压强分布曲线

图1 储存环标准四分之一压强分布曲线

2.2、NEG非蒸发型吸气泵

  NEG非蒸发型吸气泵的工作介质是一名为St707TM的合金带, 吸气材料St707合金带是由合金材料锆钒铁(70%Zr-24.6%V 25.4%Fe)粉末轧制在康铜基带上而成。它的活化温度为450℃左右, 室温下合金在超高空范围对所有活性气体具有恒定的高抽吸速度, 对抽除H2气及同位素特别有效。(而且这种抽速在吸气量未达到饱和时与残气压无关)。活性气体被Zr 基合金永久的吸收, 而氢及同位素在合金中形成固溶体。NEG泵激活后可不需电源在室温下工作, 不受强磁场干扰, 工作时无油、无振动、体积小、重量轻, 国外已广泛用作第三代光源真空系统的主排气泵。我们在NSRL环弯段出口出增设NEG正是利用它的这些特点, 同时改环同步辐射解吸气体的排气方法由“分布式”为“集中式+ 分布式”方法, 可以很好的满足储存环动态排气的要求。在环真空系统运行中主排气泵SIP 排除环系统中CH4、CO、CO2和Ar气, 在10-8Pa量级时SIP排气速率急速下降, NEG泵可用它对H2、CO、CO2气体大抽速, 提供一良好的动态真空环境, 提高束流寿命, 改善束流品质。图2,是改进后SIP+NEG排气方式储存环模拟真空室气压变化曲线。

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