本文介紹了上海光源高能輸運(yùn)線和低能輸運(yùn)線真空系統(tǒng)設(shè)計,包括總體布局,真空盒的結(jié)構(gòu)和真空獲得系統(tǒng)。低能輸運(yùn)線由兩個彎段和三個直線段組成,高能輸運(yùn)線由五個彎段和四個直線段組成。用有限元方法分析計算了輸運(yùn)線彎段真空盒的大氣負(fù)載變形,以確定真空盒的形狀和尺寸,結(jié)果變形量小于0.15 mm。通過模擬輸運(yùn)線全段真空盒的壓強(qiáng)分布來優(yōu)化泵系統(tǒng)的布局,結(jié)果表明全線壓強(qiáng)小于6 ×10 ^-6 Pa。因此真空系統(tǒng)的設(shè)計方案能滿足物理指標(biāo)和實(shí)際工程要求。

　　上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility ,SSRF) 是我國在建的專用第三代同步輻射光源,由直線加速器、增強(qiáng)器和儲存環(huán)組成,位置分布見圖1。SSRF 儲存電子能量3.5 GeV ,流強(qiáng)200 mA～300mA。電子由直線加速器加速預(yù)能量至150 MeV ,經(jīng)過增強(qiáng)器升能到3.5 GeV 后注入到儲存環(huán)中。在直線加速器、增強(qiáng)器和儲存環(huán)之間分別有低能輸運(yùn)線(Linac to Booster ,LTB) 和高能輸運(yùn)線(Booster to Ring ,BTS) 連接,輸運(yùn)線的主要作用是將束流有效的傳輸?shù)皆鰪?qiáng)器和儲存環(huán)中,使得傳輸束流的Twiss 參數(shù)與注入點(diǎn)處的橫向截面參數(shù)匹配。另外,由于儲存環(huán)的真空度優(yōu)于增強(qiáng)器,所以輸運(yùn)線的真空系統(tǒng)應(yīng)該保障在交界位置壓力環(huán)境的相容性。

圖1 　上海光源加速器位置分布

1、總體布局

　　低能輸運(yùn)線全段物理長度19.15 m ,由兩個15°彎段和三個直線段組成,高能輸運(yùn)線全段物理長度46.5m , 由五個9.45°的彎段和四個直線段組成。高、低能輸運(yùn)線束流管道主要由真空系統(tǒng)、束測系統(tǒng)和防護(hù)系統(tǒng)的部件組成,所有的束測系統(tǒng)和防護(hù)系統(tǒng)的部件做成獨(dú)立段,通過法蘭與真空室連接。高、低能輸運(yùn)線真空室采用全不銹鋼材料,直段真空室采用低磁導(dǎo)率的304L 不銹鋼,彎段真空室采用低磁導(dǎo)率的316L不銹鋼。

　　低能線的兩端用兩個插板閥將其與直線和增強(qiáng)器隔離開,成為一個單獨(dú)的系統(tǒng),高能線用三個插板閥將其與增強(qiáng)器和儲存環(huán)隔離開,這樣將整段高能線分成兩個獨(dú)立區(qū)間,方便安裝和調(diào)試。在機(jī)器運(yùn)行過程中真空系統(tǒng)出現(xiàn)故障如漏氣或需要更換真空室內(nèi)部部件時,維修人員可以將較小的真空區(qū)域暴露大氣,對故障進(jìn)行檢測和排除,減少了工作量,縮短機(jī)器故障時間。在輸運(yùn)線每個直線段的兩端放置獨(dú)立波紋段,補(bǔ)償彎段真空室端面法蘭的位置誤差和角度偏差,保證束流通過直段真空室的中心位置。對于如束流位置探測器和熒光靶這些對位置有較高精度要求的束測件,在其附近安裝可調(diào)節(jié)的波紋段。

　　輸運(yùn)線真空室殘余氣體主要是H₂ 、CO、H₂O、N₂和CO₂ ,對于惰性氣體含量沒有特別的要求,因此在高、低能輸運(yùn)線上主泵系統(tǒng)全部采用二極濺射離子泵(SIP) ,其完全無油、無震動、大抽速和高極限真空度的特點(diǎn)非常適合同步輻射光源的真空環(huán)境。由于傳輸束流在輸運(yùn)線上沒有阻抗要求,因此離子泵全部采用大直徑圓筒的泵站結(jié)構(gòu)安裝,減少有效抽速的損失。在避開特殊部件如磁鐵和某些對位置要求嚴(yán)格的束測元件(如光束狹縫) 的基礎(chǔ)上,離子泵的位置按照一定間距排布,盡量使得輸運(yùn)線的壓強(qiáng)分布均勻。輸運(yùn)線要求整段壓強(qiáng)小于2 ×10 ^{- 5} Pa ,儲存環(huán)的靜態(tài)壓強(qiáng)要求小于2.6 ×10 ^-8 Pa ,因此在靠近儲存環(huán)注入?yún)^(qū)域,高能輸運(yùn)線的真空系統(tǒng)設(shè)計要適當(dāng)增加抽速,使得這里的壓強(qiáng)接近儲存環(huán)的壓強(qiáng)要求。真空壓強(qiáng)測量選用寬線性量程的B-A 規(guī)。圖2 和圖3 是輸運(yùn)線真空元件布局圖。

圖2 　低能線真空元件布局　　圖3 　高能線真空元件布局

2、真空盒結(jié)構(gòu)

　　輸運(yùn)線四極鐵區(qū)域的束流清晰區(qū)是圓形包絡(luò),二極鐵區(qū)域的束流清晰區(qū)是橢圓包絡(luò),因此直段區(qū)域的真空盒是圓形截面,彎段區(qū)域的真空盒是矩形截面。表1 是高、低能輸運(yùn)線磁鐵孔徑、清晰區(qū)以及真空盒尺寸。

表1 　輸運(yùn)線的磁鐵孔徑、清晰區(qū)與真空盒尺寸

　　由于真空盒抽真空后,盒體表面上承受的大氣壓力導(dǎo)致其發(fā)生向內(nèi)的凹陷變形,盒體的厚度必須保證變形后的盒體與束流清晰區(qū)仍然有足夠的間距。我們用有限元數(shù)值計算方法分析了高、低能輸運(yùn)線彎段真空盒的變形情況,計算采用ANSYS810結(jié)構(gòu)分析軟件包,直接在ANSYS 程序中建立真空盒模型,材料的彈性模量200 GPa ,泊松比0.3。固定長度方向的兩個端面,其余4 個外表面施加1.0 ×10⁵ Pa 的壓力,計算結(jié)果見圖4 (a) ,4 (b) ,另外由于高能輸運(yùn)線彎段真空室長度達(dá)到2.2 m ,因此考慮了高能線彎段真空室在自重作用和真空負(fù)載雙重作用下的變形,結(jié)果見圖4 (c) 。

圖4 　輸運(yùn)線彎段真空盒真空負(fù)載變形(a) 低能線彎段; (b) 高能線彎段; (c) 高能線彎段