國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室(NSRL)800MeV電子儲(chǔ)存環(huán)是我國(guó)第一臺(tái)專用的同步輻射光源。1991年12月全部建成通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收, 1993年光源正式向國(guó)內(nèi)外的用戶開(kāi)放運(yùn)行。NSRL儲(chǔ)存環(huán)真空系統(tǒng)為不銹鋼(SUS304L,SUS316L)全金屬無(wú)油系統(tǒng),環(huán)氣壓由分布在環(huán)上具有代表性的真空室上的8只B-A型離子規(guī)測(cè)量。環(huán)真空剩余氣體的分壓由6只四極質(zhì)譜監(jiān)控。系統(tǒng)的原位烘烤采用真空室壁通大電流直接加熱的方法,烘烤平均溫度控制在200℃。設(shè)計(jì)系統(tǒng)靜態(tài)平均氣壓為7×10^-8Pa,動(dòng)態(tài)有束流時(shí)的平均氣壓為3×10^-7Pa, 設(shè)計(jì)束流100～300mA 時(shí)壽命為500min。1996年底, 我們利用冬季機(jī)器維修時(shí)間,在上環(huán)安裝了儲(chǔ)存環(huán)自由電子激光(Freed Electron Laser) 的光學(xué)速調(diào)管。該裝置設(shè)計(jì)為不僅用于相干諧波輻射自由電子激光振蕩器實(shí)驗(yàn), 稍加改動(dòng),光學(xué)速調(diào)管就變?yōu)橐痪鶆虿ㄊ幤髯鳛椴迦爰�進(jìn)行同步輻射的應(yīng)用。其亮度比彎鐵輻射高兩個(gè)多量級(jí)。同時(shí)還在上環(huán)安裝了場(chǎng)強(qiáng)高達(dá)6個(gè)特斯拉的超導(dǎo)扭擺磁鐵(Superconductor Wiggle) 真空系統(tǒng), 輻射出比彎鐵能量要高得多的電磁波。使NSRL環(huán)的特征波長(zhǎng)由24~縮短到4.86~, 可用波長(zhǎng)達(dá)到1~。光譜可使用范圍由真空紫外、軟X 射線延伸到硬X 射線。充分滿足了用戶對(duì)X 光源的要求。

1、機(jī)器運(yùn)行現(xiàn)狀

　　國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室800MeV電子儲(chǔ)存環(huán)光源自對(duì)用戶開(kāi)放運(yùn)行以來(lái),平均每年束流累積劑量約400A/h。機(jī)器已累計(jì)為用戶提供了約2×10⁴h的實(shí)驗(yàn)用光。儲(chǔ)存環(huán)真空室平均氣壓低于5×10^-8Pa。1996年儲(chǔ)存環(huán)能量為800MeV在儲(chǔ)存束流200mA時(shí)的典型束流壽命超過(guò)600min。應(yīng)用戶要求機(jī)器通常運(yùn)行在儲(chǔ)存流強(qiáng)150mA左右的范圍, 此時(shí)的束流壽命接近1000min。通常情況下環(huán)真空系統(tǒng)開(kāi)放大氣的恢復(fù),我們僅對(duì)環(huán)的主排氣離子泵進(jìn)行48h300℃烘烤, 烘烤結(jié)束后,啟動(dòng)離子泵排氣48h后, 環(huán)平均靜態(tài)氣壓即小于2×10^-7Pa。機(jī)器可進(jìn)入束流真空清洗運(yùn)行,由于不銹鋼真空室壁對(duì)輻射自身清洗作用有良好的“記憶”效應(yīng), 機(jī)器真空恢復(fù)時(shí)通常束流累積劑量約20A/h后, 環(huán)儲(chǔ)存束流100mA 時(shí)的束流壽命可達(dá)到4h以上, 即可滿足一般用戶的需要, 機(jī)器進(jìn)入實(shí)驗(yàn)運(yùn)行模式。隨著機(jī)器的運(yùn)行時(shí)間增加,束流清洗劑量達(dá)到80A/h后, 機(jī)器狀態(tài)可基本達(dá)到真空系統(tǒng)開(kāi)放前的狀態(tài)。這表明環(huán)真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是成功的, 真空性能是優(yōu)良的。

2、環(huán)真空系統(tǒng)改進(jìn)

　　國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室的二期工程1997年已獲國(guó)家正式批準(zhǔn), 整個(gè)工程計(jì)劃于2000年底完成。工程完成后, 要求合肥光源的性能有進(jìn)一步的提高,機(jī)器達(dá)到長(zhǎng)期、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行。常規(guī)運(yùn)行模式(GPLS)時(shí)滿能量運(yùn)行時(shí)束流300mA的壽命大于8h。高亮度運(yùn)行模式(HBLS)下滿能量運(yùn)行時(shí)束流150mA的壽命大于4h。機(jī)器每年運(yùn)行時(shí)間按束流累積劑量算大于600A/h。根據(jù)二期工程要求和環(huán)真空系統(tǒng)多年來(lái)運(yùn)行情況和現(xiàn)狀, 我們分析了目前存在的問(wèn)題, 提出了環(huán)真空系統(tǒng)的改造方案: ①根據(jù)計(jì)算機(jī)對(duì)環(huán)氣壓分布設(shè)計(jì)、計(jì)算結(jié)果和目前實(shí)際運(yùn)行狀態(tài), 決定在彎鐵下游出口處增設(shè)NEG非蒸發(fā)型吸氣泵, 改善環(huán)氣壓分布和同步輻射光解吸氣體快速排除力度; ②結(jié)合機(jī)器的其他改造項(xiàng)目, 完成多種特殊真空室的設(shè)計(jì)和改造。

2.1、環(huán)氣壓分布計(jì)算

　　在電子儲(chǔ)存環(huán)中, 電子在磁場(chǎng)的約束下以向心加速度在軌道上作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí), 發(fā)出大量的電磁波輻射, 稱之為“同步輻射”。同步輻射與真空室壁相互作用引起的氣體解吸被稱為光電解吸。由它引起的氣載是儲(chǔ)存環(huán)動(dòng)態(tài)情況下的主要?dú)廨d, 是影響儲(chǔ)存環(huán)性能的主要問(wèn)題, 也是決定環(huán)殘余氣體氣壓和束流壽命的重要因素。一期工程中我們對(duì)環(huán)動(dòng)態(tài)氣壓分布和束流壽命進(jìn)行過(guò)計(jì)算。由于多種原因、條件和環(huán)空間限制, 對(duì)同步輻射引起的光電解吸氣載僅采用彎段上分布式離子泵排除。多年來(lái)的實(shí)際運(yùn)行和測(cè)量結(jié)果告述我們,這種排氣方法不能迅速有效的排除同步輻射產(chǎn)生解吸氣體, 以至彎段真空室局部氣壓偏高, 影響和限制了環(huán)束流和壽命的進(jìn)一步的提高。我們利用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序模擬計(jì)算四分之一環(huán)的殘氣壓分布結(jié)果也顯示了這個(gè)問(wèn)題。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題, 我們經(jīng)過(guò)對(duì)環(huán)殘余氣壓的計(jì)算和環(huán)真空室位置空間尺寸的分析, 決定在彎段下游出口處增設(shè)一臺(tái)抽速為200L/sNEC非蒸發(fā)型吸氣泵, 這種“集中式+分布式”排氣方法可有效迅速排同步光在除彎段處產(chǎn)生解吸氣體。圖1 是增設(shè)N EG 非蒸發(fā)型吸氣泵后環(huán)壓強(qiáng)分布曲線。從計(jì)算結(jié)果可以看出, 這一方法緩解了彎段真空室氣壓偏高的問(wèn)題。彎段處的動(dòng)態(tài)平均氣壓比原先降低了2～3倍。環(huán)真空系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平均氣壓可達(dá)到2.0×10^-7Pa。

圖1　儲(chǔ)存環(huán)標(biāo)準(zhǔn)四分之一壓強(qiáng)分布曲線

2.2、NEG非蒸發(fā)型吸氣泵

　　NEG非蒸發(fā)型吸氣泵的工作介質(zhì)是一名為St707TM的合金帶, 吸氣材料St707合金帶是由合金材料鋯釩鐵(70%Zr-24.6%V 25.4%Fe)粉末軋制在康銅基帶上而成。它的活化溫度為450℃左右, 室溫下合金在超高空范圍對(duì)所有活性氣體具有恒定的高抽吸速度, 對(duì)抽除H2氣及同位素特別有效。(而且這種抽速在吸氣量未達(dá)到飽和時(shí)與殘氣壓無(wú)關(guān))。活性氣體被Zr 基合金永久的吸收, 而氫及同位素在合金中形成固溶體。NEG泵激活后可不需電源在室溫下工作, 不受強(qiáng)磁場(chǎng)干擾, 工作時(shí)無(wú)油、無(wú)振動(dòng)、體積小、重量輕, 國(guó)外已廣泛用作第三代光源真空系統(tǒng)的主排氣泵。我們?cè)贜SRL環(huán)彎段出口出增設(shè)NEG正是利用它的這些特點(diǎn), 同時(shí)改環(huán)同步輻射解吸氣體的排氣方法由“分布式”為“集中式+ 分布式”方法, 可以很好的滿足儲(chǔ)存環(huán)動(dòng)態(tài)排氣的要求。在環(huán)真空系統(tǒng)運(yùn)行中主排氣泵SIP 排除環(huán)系統(tǒng)中CH₄、CO、CO₂和Ar氣, 在10^-8Pa量級(jí)時(shí)SIP排氣速率急速下降, NEG泵可用它對(duì)H₂、CO、CO₂氣體大抽速, 提供一良好的動(dòng)態(tài)真空環(huán)境, 提高束流壽命, 改善束流品質(zhì)。圖2,是改進(jìn)后SIP+NEG排氣方式儲(chǔ)存環(huán)模擬真空室氣壓變化曲線。