上海光源首期Wiggler真空室材料选择及测试(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院上海应用物理研究所 作者:卢裕

  上海同步辐射光源(SSRF) 是以大量插入件(Insertion device )的使用为标志第三代同步辐射光源,该光源具有高亮度、准直性好、波长范围宽且连续可调、脉冲短(~10-10 s )、稳定性高、超纯净、高偏振和准相干等优点,性能远优于其它人造光源。插入件是指具有周期性磁场结构的磁装置, 安装在储存环两个磁聚焦结构间的直线节中, 当电子束流经过插入件时,束流轨迹被磁场扭摆,从而改变束流本身特性及辐射特性,获得更高品质的同步辐射光。插入件包括波荡器(Undulator )、扭摆器(Wiggler )和波长移动器(Wavelength shifter)3 种。SSRF首批5台插入件有两台Wiggler (w8w14),Wiggler真空室为束流提供运行通道, 同时还须保证光源运行的超高真空环境, 满足插入件工作的技术要求。

1、Wiggler真空室材料选择及处理

1.1、不锈钢材料选择

  上海光源在储存3.5GeV、200~300mA 束流情况下,要满足束流寿命大于10h的要求,必须使动态真空低于1.3×10-7Pa 指标。真空室还应具有足够低的真空阻抗,以避免束流不稳定性,减小束流的高次模损耗。因此,真空室研制过程中材料的选择是关键的第一步。Wiggler真空室材料选择要考虑到热导率、电阻率、表面出气率以及对表面处理敏感性,残余辐射、可加工性也是必须考虑的方面。目前,国际上其他光源插入件真空室常用材料主要是铝合金和不锈钢,通过对铝合金和不锈钢机械、磁性能的比较后发现,铝合金更适于电子储存环超高真空室的应用。

  SSRF储存环真空室建造中,由于采用低导磁率不锈钢模压成型可节省费用,因此,真空室材料从预研初定的铝合金改为了低导磁率SS316LN(真空导磁率μ≤1.03)。结合SSRF储存环特点,若Wiggler采用铝制真空室,则该真空室和直线节真空室之间的连接需采用Al-SS复合板法兰,由于爆炸焊加工用于超高真空密封复合板技术目前在国内尚不成熟,小间隙Wiggler 真空室加工工期较紧,这使Wiggler真空室采用铝合金执行难度较大。另外,SSRF 真空系统在储存环不锈钢真空室加工上积累了一定的工程经验,从整个储存环真空室材料统一、节省工期、费用等方面考虑,我们决定采用304 不锈钢加工Wiggler真空室, 加工完成后通过真空炉对真空室进行高温除气退磁处理( 处理后导磁率μ≤1.05)用于Wiggler插入件的使用。

1.2、镀铜及其厚度的确定

  采用304不锈钢研制小间隙Wiggler真空另一个问题是:当束流穿过不锈钢束流室时,会在其表面感应出镜像电流,激发电磁波尾场。尾场主要受到真空室内表面粗糙度和电阻率的影响,前者叫做表面粗糙度尾场,会使束流的发射度降低,因此通常对真空室内表面进行抛光处理,尽量减小真空室内表面粗糙度。后者叫做壁阻抗尾场,可以在内表面镀电阻率较小的铜层来减小。由于小间隙Wiggler 真空盒尺寸较小,束流感受到的尾场会较大,为减小尾场效应,我们决定在束流室内表面镀一层铜膜。

  由于壁电流的低频成份受到损失较多, 而对于高频, 损失则小得多。束流所能感受到的电磁尾场低频部分记为Δνy、f0,这里Δνy为束流垂直方向振荡频率小数部分,f0 为回旋频率,对应的电磁场趋肤深度δ 为:

  式中:ω为高频电磁场频率,μ为真空磁导率,σ为金属电导率。经物理部门计算后确定镀铜层厚度≮110 μm。

1.3、表面镀铜工艺

  Wiggler真空室内表面镀铜层不仅要求镀致密、均匀、导电性好,而且还要求铜层与SS304真空室有非常好的结合力,避免在真空烘烤调试及加速器运行时,超高真空状态下真空室内表面镀层出现掉粉、脱皮等现象,使束流中的电子与束流管道中的残存微粒之间的韧致辐射作用,引起束流微粒(尘埃)效应,影响束流寿命。

  Wiggler 真空室长度超过2 m, 且镀层厚度大,因此我们决定采用电镀的方式。比较了碱性(NaCN 氰化物) 镀铜和酸性镀铜两种常用镀铜方式后发现,氰化物镀铜虽然膜层增长速率缓慢,电镀所需时间长,但较酸性镀铜却具有镀层致密、均匀等优势,同时氰化物镀铜是解决钢铁件镀铜结合力最好的措施。因此,Wiggler不锈钢真空室选择了氰化钠电镀铜工艺。Wiggler真空室镀铜前先将机加完成后的304不锈钢板表面清洗干净,除去油、锈等污迹。首先电镀一薄层冲击镍打底,以增加不锈钢与镀铜层间的结合力。然后将真空室制件作阴极,纯铜板作阳极,挂于含有氰化亚铜、氰化钠和碳酸钠等成分的碱性电镀液中,配以适当的添加剂完成镀铜。镀铜后真空室片清洗抛光,按照超高真空工艺清洗后焊接成型。

  由于氰化物镀铜中间体有多种,为了防止不锈钢材料镀铜后的真空性能变化,如出气率过大、清洗后残余气体中有杂质气体等,导致真空度难以达到指标,故进一步对镀铜后SS304进行真空性能测试。

2、SS304镀铜真空性能测试与分析

2.1、真空性能测试装置

  超高真空和极高真空材所用的金属材料等物质表面的热出气主要由材料本身解析气体、渗气(主要是H2)以及微小漏隙漏气组成,而这些经常是由熔炼和铸造、存储、加工以及材料本身的非致密性引起的。电镀铜材料的热出气与上述情况有所区别,并且电镀过程中没有摆脱氰化物剧毒这一清洁要求。因此对不锈钢镀铜的热出气率及其残气谱图进行测试与分析,以确保满足Wiggler真空室材料指标要求。

  常用的真空材料热出气率测试方法有两种,升压法和小孔流导法(压差法)。此次不锈钢镀铜真空性能测试实验采用压差法。按照真空设计手册标准搭建出气率测试系统,测试装置如图1。

测试装置示意图

1.离子泵2.规管3.排气室4.小孔5. 规管6. 测试室7. 四极质谱计8.角阀9.分子泵机组

图1 测试装置示意图

  整个装置包括测试罩、规管四极质谱计及真空获得设备构成。测试罩上室为测试室,下室为排气室,直径DN150,整个测试罩由304不锈钢做成,可耐300℃~400℃高温烘烤。上、下室各装一个离子规(Varian),上室还接有一个四极质谱计(Inficon),下室直接与200L/s 离子泵连接,CF35角阀通过波纹管连接分子泵- 干泵机组(Leybold)。真空系统调试过程中,测试罩内气体流过小孔被真空获得设备抽除。气体流过上、下室隔板小孔会在测试室和抽气室内产生一个压降△P(△P=P1- P2),压强P1、P2 可从上、下室的两个规管读出。已知小孔的直径d=11 mm。根据小孔分子流时流导公式

  式中A0为隔板小孔的面积(m2);R 为气体常数(813143 J/(K·mol) );T为气体温度(K);M 为气体摩尔质率(kg/ mol)。可以求出小孔流导C 为0.01103 m3/s。则系统的测试室出气率Q 可以通过Q =C(P1- P2)公式算出。

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