上海光源(SSRF)是一個能量315GeV、流強200mA～300mA、低發(fā)射度、高束流軌道穩(wěn)定性的第三代同步輻射光源。它的主體是電子儲存環(huán)。真空室是儲存環(huán)的主要設備之一。多臺鈦升華泵、濺射離子泵和非蒸散型吸氣劑泵在抽除大量光電解析氣載時達到113×10-7Pa 的動態(tài)真空,使電子束流壽命大于10h。一系列光子吸收器排列在真空室上,作為引出同步輻射光的準直器,同時吸收所有廢棄的同步輻射光,避免它們直接輻照真空室內(nèi)壁,并把熱量轉(zhuǎn)移到真空室外。真空室構(gòu)成了電子束流的鏡像電流的通路,并要盡可能減少束流損耗,其電阻率和真空阻抗要求很低。一定量的熱負載將沉積在真空室上,其導熱性能要很好。真空室被多臺磁鐵包裹,真空室的導磁率不能大于1102。儲存環(huán)上各系統(tǒng)的設備使真空設備位置受到嚴重制約,雙真空室結(jié)構(gòu)是唯一的選擇。和其它設備的配裝要求真空室在大氣負載下仍然具有很高的尺寸精度。總長400m 的此類結(jié)構(gòu)的不銹鋼薄壁真空室,其平面度和直線度都在1mm 以內(nèi),在國內(nèi)尚屬首次。

1、真空室材料的選擇

　　鋁合金和不銹鋼都適用于第三代光源真空室,都得到了廣泛使用。特別是鋁合金導熱性好,完全無磁,使我們在2000 年選擇它研制了一個6m 長的鋁真空室,完全達到了設計指標,并獲得了批量加工所需的經(jīng)驗 。然而,我們在2005 年作出了一個重大決定,放棄幾乎完成了全部工程設計的鋁真空室,改用不銹鋼真空室。其理由有二。

　　一是由于鋁合金強度差,只能用厚度60mm 的整塊鋁板銑削出截面復雜、各處厚薄不一的真空室。大約有一半材料在大型數(shù)控床上銑削掉,材料和加工費的浪費極大。而壁厚3mm 的薄壁不銹鋼真空室的截面結(jié)構(gòu)實質(zhì)上是鋁真空室的一個內(nèi)核。裁剪不銹鋼真空室主體形狀后剩余的邊角余料全部用來制作加強筋,材料利用率達到90 %以上。2005 年春季進口鋁合金價格飛漲,綜合考慮材料費和加工費,不銹鋼真空室的費用將是鋁真空室的60% ,即可以節(jié)省約1000 萬元經(jīng)費。

　　二是鋁真空室要花費較長的加工時間,存在延誤SSRF總體計劃的危險。最終我們實現(xiàn)了按時完成真空室加工計劃和節(jié)省1000 萬元的兩個目標。SS316LN 的高強度和焊接后導磁率不升高的特性,使它成為真空室的首選材料。

2、真空室的結(jié)構(gòu)設計

　　儲存環(huán)分為20 個單元,每個單元有2個彎轉(zhuǎn)磁鐵(BM1、BM2)和多個四極磁鐵、六極磁鐵、校正磁鐵(QM、SM/CM) 。一個單元內(nèi)的真空室總長約20m ,分成7 段,相互用波紋管軟連接或CF法蘭硬連接。6段被磁鐵包裹,稱為BM、QM 真空室,1段在直線節(jié)內(nèi)無磁鐵包裹,稱為SS 真空室,如圖1所示。為了減小束流功率損耗,參考SLS,采用典型的雙真空室結(jié)構(gòu),用光束狹縫連接束流室和抽氣室,截面形狀示于圖2。QM和SS 真空室形狀類似,扣合對稱的上下成形片,焊接周邊而成。BM 真空室由對稱的上下平板和左右側(cè)板扣合成型,其束流室和抽氣室形狀由固定在真空室內(nèi)壁上的無氧銅條構(gòu)成,冷卻水管嵌埋在銅條內(nèi),輸運廢棄的同步輻射功率。BM和QM 真空室的束流室內(nèi)高相同,但SS真空室的束流室內(nèi)高較小,各種不同截面尺寸的真空室間都要用錐形內(nèi)壁實現(xiàn)平滑過渡。吸收器和真空泵安裝在抽氣室上。每個單元內(nèi)有7 對束流位置監(jiān)測器(BPM) ,每對BPM 安裝在一塊不銹鋼塊上,再嵌入QM真空室。

　　由于磁鐵占位,泵口離束流室較遠,使真空室的最大寬度達到380mm ,3mm 壁厚的真空室在大氣負載下的變形將較大。為此,真空室內(nèi)外都附加了加強筋,內(nèi)部加強筋隱藏在吸收器的陰影區(qū)內(nèi),同時不影響抽氣流導,外壁加強筋位置受限于磁鐵。用ANSYS 程序進行真空室變形和應力計算,反復優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計。

　　用ANSYS 程序?qū)φ婵帐疫M行了熱分析計算,研究真空室的熱安全性。確認了5mA 束流可以直接沖擊真空室內(nèi)壁;確認了300mA 束流的同步輻射光直接輻照真空室內(nèi)壁,真空聯(lián)鎖保護系統(tǒng)在1s 內(nèi)實施功能時,真空室的安全性。

3、真空室的加工

　　真空室批量加工前必須解決五個技術(shù)和工藝難題。

　　一是如何保證QM 真空室成形片的尺寸精度?

　　二是如何減小氬弧焊導致的變形?

　　三是如何降低焊縫導磁率?

　　四是如何保證外焊縫內(nèi)側(cè)死空間的真空清潔?

　　五是把幾段真空室用CF 法蘭硬連接成長段時如何控制長段的尺寸精度?

　　我們花了約一年時間,研制了多個真空室樣機,經(jīng)歷了多次失敗,終于解決了這些難題。

　　幾經(jīng)試驗后,用數(shù)控折彎制造QM 室成形片之路走到了失敗的盡頭。改用深拉模和6000 噸油壓機壓制成形片工藝,在3次修改深拉模和試壓后,成形片達到了尺寸精度。隨后的600 多米成形片批量壓制只用了2 天時間,充分顯示了不銹鋼真空室批量加工速度遠快于鋁真空室的優(yōu)點。

　　為了貫穿焊縫并減小變形,國外同類真空室采用電子束焊。國內(nèi)找不到我們所需的大型電子束焊接爐,也無力投資此設備。只能采用氬弧焊,而且焊縫主要位于外壁,為了保證密封性能、焊縫強度和較小變形,焊縫不能貫穿。特制的自動氬弧焊機,特殊的可360°翻轉(zhuǎn)的焊接平臺、焊接工裝和工藝,限制了焊接過程中材料的移動,控制住了焊接變形。在分步焊接過程中,幾次用線切割和激光切割工藝消除焊接變形。