上海光源儲(chǔ)存環(huán)采用分散分布的光子吸收器來(lái)吸收全部不用的彎鐵同步輻射光(SR)并準(zhǔn)直引出實(shí)驗(yàn)光束。光子吸收器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮多種因素,如同步輻射的功率分布、吸收面的功率稀釋、吸收體的材料、機(jī)械結(jié)構(gòu)、冷卻效率及引出光口尺寸等。本文詳細(xì)討論了承受高功率密度且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的雙片式側(cè)壁光子吸收器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),對(duì)設(shè)計(jì)的吸收器進(jìn)行了熱與結(jié)構(gòu)的有限元分析,并與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行比較。文章最后介紹了光子吸收器的加工、在線安裝及運(yùn)行情況。

　　上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility ,SSRF) 為先進(jìn)的第三代中能同步輻射光源,主要性能指標(biāo)居國(guó)際前列,其產(chǎn)生的同步輻射光覆蓋從遠(yuǎn)紅外到硬X 射線的寬廣波段,是生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、地球科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、信息科學(xué)等眾多學(xué)科研究中不可替代的先進(jìn)手段和綜合研究平臺(tái)。SSRF由150MeV電子直線加速器、3.5GeV增強(qiáng)器、3.5GeV電子儲(chǔ)存環(huán)(周長(zhǎng)為432m) 以及沿環(huán)外側(cè)分布的同步輻射光束線和實(shí)驗(yàn)站組成,作為主體裝置的電子儲(chǔ)存環(huán)中有40塊中心場(chǎng)強(qiáng)為1.2726T的彎轉(zhuǎn)磁鐵,在真空束流通道中運(yùn)行的高能電子束流通過(guò)彎鐵磁場(chǎng)時(shí)彎轉(zhuǎn)9°,同時(shí)沿束流軌道切線向前的方向產(chǎn)生致密的同步輻射光(SR)。這些同步輻射光中只有一小部分(約15%) 將被引入光束線、實(shí)驗(yàn)站,其余大部分由儲(chǔ)存環(huán)上分散分布的光子吸收器就地吸收處理。另外,儲(chǔ)存環(huán)中有18個(gè)直線節(jié)將用于安裝插入件(波蕩器或扭擺器) ,電子束經(jīng)過(guò)這些插入件時(shí),將產(chǎn)生高亮度的同步輻射。插入件的同步輻射光將通過(guò)光子吸收器上的引光口全部被引入光束線、實(shí)驗(yàn)站。

　　同步輻射光的高功率密度特性使得在儲(chǔ)存環(huán)超高真空系統(tǒng)中起阻擋和吸收同步光作用的光子吸收器將承受特殊的熱負(fù)載,從而帶來(lái)一系列特殊的問(wèn)題需要解決。如對(duì)于彎鐵輻射(BMSR) ,在距光源點(diǎn)1.521m遠(yuǎn)處,在垂直高度±0.22mm 的范圍內(nèi),最大的垂直入射面功率密度達(dá)到103.71W·mm^{- 2} (300mA流強(qiáng)) 。而對(duì)于插入件同步輻射,其功率密度之高足以使無(wú)氧銅光子吸收器的局部在短時(shí)間內(nèi)熔化,在設(shè)計(jì)和隨后的各環(huán)節(jié)工作中必須使該同步輻射光不能照到光子吸收器上,以確保運(yùn)行安全。

　　吸收器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的就是設(shè)法稀釋吸收體表面的同步光功率,利用吸收體內(nèi)的冷卻水及時(shí)、高效地帶走熱量;降低表面最高溫度和最高熱應(yīng)力,使光子吸收器有足夠長(zhǎng)的使用壽命;限制同步輻射的影響區(qū)域,減小對(duì)超高真空狀態(tài)和真空室穩(wěn)定性的影響;安全有效地引出彎鐵和插入件的同步光。下文將著重討論并介紹光子吸收器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱與結(jié)構(gòu)有限元分析以及光子吸收器的制造和性能。

1、光子吸收器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1、同步輻射的功率特性根據(jù)公式

P(kW)=88.6E⁴(GeV)I(A)/r(m)

　　當(dāng)儲(chǔ)存環(huán)運(yùn)行能量E=3.5GeV、流強(qiáng)I=0.3A及彎轉(zhuǎn)軌道半徑r = 9.167m 時(shí), 整個(gè)儲(chǔ)存環(huán)將產(chǎn)生總的彎鐵同步輻射功率為435kW。這些同步輻射功率在水平方向上為均勻分布, 角功率密度為69.28W/ mrad ;在垂直方向?yàn)楦咚狗植?如圖1 所示,在距光源2.2m遠(yuǎn)處, 大部分的功率都集中在±0.363mm的范圍內(nèi), 在±1mm 以外已趨近于0。線功率密度和面功率密度隨著離光源點(diǎn)距離越遠(yuǎn)而變小。根據(jù)儲(chǔ)存環(huán)光子吸收器布局, 離光源點(diǎn)最近的光子吸收器的距離為1.521m,具有最大的平均線功率密度45.67W·mm- 1和最大的平均垂直入射面功率密度103.54W·mm^-2 。

圖1 　束流在彎轉(zhuǎn)3. 1°處發(fā)光時(shí)、距光源點(diǎn)2.2m 處垂直方向彎鐵光功率密度分布

1.2、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮

　　光子吸收器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮表面功率稀釋、冷卻、表面溫度和表面應(yīng)力、輻射的反射、材料、焊接和機(jī)加工等因素,具體如下:

　　(1) 吸收器上同步輻射吸收面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)有利于功率稀釋,充分利用吸收體的面稀釋和體稀釋效果,降低表面線功率密度和面功率密度。具體來(lái)說(shuō),就是讓吸收面傾斜或在表面設(shè)計(jì)三角鋸齒等結(jié)構(gòu),展寬、拉長(zhǎng)同步光斑,增大光斑面積;或者光斑面積不變,而使光斑分段,相鄰段間在吸收體上拉開一定距離,如開距形槽等;另外吸收面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)還應(yīng)有利于降低散射光,減小影響區(qū)域;

　　(2) 選擇熱性能、機(jī)械性能、加工和焊接性能較好,能滿足工程要求,且成本又較低的材料作吸收體。國(guó)內(nèi)外同類光源裝置上用于制造吸收體的材料主要有真空冶煉無(wú)氧高導(dǎo)銅(OFHC)和Al₂O₃顆粒彌散銅(Glidcop) 。考慮SSRF 光子吸收器表面功率密度狀況, 吸收體材料采用OFHC, 表1列出了OFHC的部分性能參數(shù)。光子吸收器上其余材料選用不銹鋼;

表1 　OFHC的性能參數(shù)表

　　(3) 不采用釬焊來(lái)直接隔離冷卻水和真空,以免釬焊縫腐蝕后冷卻水直接漏入真空系統(tǒng);盡量減少釬焊面積,以免焊縫處夾雜孔洞,影響密封的可靠性;釬焊縫盡量遠(yuǎn)離擋光區(qū)域;

　　(4) 選擇冷卻水通道壁厚,需綜合考慮吸收面的冷卻、同步光穿透吸收體材料對(duì)水冷道腐蝕的促進(jìn)、水冷壁的溫度、水冷道的強(qiáng)度等因素;另外,冷卻水通道盡量不要位于或穿過(guò)光中心平面,以減少透射光子進(jìn)入水冷道而加劇腐蝕;

　　(5) 冷卻水流速控制在小于2m·s ^-1,同時(shí)冷卻水通道設(shè)計(jì)時(shí),減少水道截面突變、小角度彎轉(zhuǎn)等結(jié)構(gòu),以減少水流引起的設(shè)備振動(dòng);為了提高冷卻水換熱系數(shù),盡量使冷卻水在管道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)為紊流;

　　(6) 吸收體的熱性能和結(jié)構(gòu)性能參數(shù)必須滿足下列設(shè)計(jì)判據(jù)

　　①熱性能:吸收面溫度: Tsur < 0.5 Tmelt = 541 ℃(對(duì)OFHC)吸收體與冷卻水界面溫度: Twater < Tboil=150℃(對(duì)0.5MPa的冷卻水)

　　②結(jié)構(gòu)性能:熱應(yīng)力: Sth < 2 ×Sy (0.2 %屈服強(qiáng)度)Sth < Sf (疲勞強(qiáng)度) (對(duì)105 次熱循環(huán))吸收器設(shè)計(jì)在滿足上述兩個(gè)條件的前提下, 還應(yīng)盡量使表面溫度降低,減少表面熱解吸氣載,使其小于10 %光激發(fā)解吸氣載(PID) ,從而使吸收器具有良好的真空性能。