本文介紹了上海光源高能輸運線和低能輸運線真空系統設計,包括總體布局,真空盒的結構和真空獲得系統。低能輸運線由兩個彎段和三個直線段組成,高能輸運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線彎段真空盒的大氣負載變形,以確定真空盒的形狀和尺寸,結果變形量小于0.15 mm。通過模擬輸運線全段真空盒的壓強分布來優化泵系統的布局,結果表明全線壓強小于6 ×10 ^-6 Pa。因此真空系統的設計方案能滿足物理指標和實際工程要求。

　　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、增強器和儲存環組成,位置分布見圖1。SSRF 儲存電子能量3.5 GeV ,流強200 mA～300mA。電子由直線加速器加速預能量至150 MeV ,經過增強器升能到3.5 GeV 后注入到儲存環中。在直線加速器、增強器和儲存環之間分別有低能輸運線(Linac to Booster ,LTB) 和高能輸運線(Booster to Ring ,BTS) 連接,輸運線的主要作用是將束流有效的傳輸到增強器和儲存環中,使得傳輸束流的Twiss 參數與注入點處的橫向截面參數匹配。另外,由于儲存環的真空度優于增強器,所以輸運線的真空系統應該保障在交界位置壓力環境的相容性。

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、低能輸運線束流管道主要由真空系統、束測系統和防護系統的部件組成,所有的束測系統和防護系統的部件做成獨立段,通過法蘭與真空室連接。高、低能輸運線真空室采用全不銹鋼材料,直段真空室采用低磁導率的304L 不銹鋼,彎段真空室采用低磁導率的316L不銹鋼。

　　低能線的兩端用兩個插板閥將其與直線和增強器隔離開,成為一個單獨的系統,高能線用三個插板閥將其與增強器和儲存環隔離開,這樣將整段高能線分成兩個獨立區間,方便安裝和調試。在機器運行過程中真空系統出現故障如漏氣或需要更換真空室內部部件時,維修人員可以將較小的真空區域暴露大氣,對故障進行檢測和排除,減少了工作量,縮短機器故障時間。在輸運線每個直線段的兩端放置獨立波紋段,補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,在其附近安裝可調節的波紋段。

　　輸運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、低能輸運線上主泵系統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非常適合同步輻射光源的真空環境。由于傳輸束流在輸運線上沒有阻抗要求,因此離子泵全部采用大直徑圓筒的泵站結構安裝,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格的束測元件(如光束狹縫) 的基礎上,離子泵的位置按照一定間距排布,盡量使得輸運線的壓強分布均勻。輸運線要求整段壓強小于2 ×10 ^{- 5} Pa ,儲存環的靜態壓強要求小于2.6 ×10 ^-8 Pa ,因此在靠近儲存環注入區域,高能輸運線的真空系統設計要適當增加抽速,使得這里的壓強接近儲存環的壓強要求。真空壓強測量選用寬線性量程的B-A 規。圖2 和圖3 是輸運線真空元件布局圖。

圖2 　低能線真空元件布局　　圖3 　高能線真空元件布局

2、真空盒結構

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

表1 　輸運線的磁鐵孔徑、清晰區與真空盒尺寸

　　由于真空盒抽真空后,盒體表面上承受的大氣壓力導致其發生向內的凹陷變形,盒體的厚度必須保證變形后的盒體與束流清晰區仍然有足夠的間距。我們用有限元數值計算方法分析了高、低能輸運線彎段真空盒的變形情況,計算采用ANSYS810結構分析軟件包,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,計算結果見圖4 (a) ,4 (b) ,另外由于高能輸運線彎段真空室長度達到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載雙重作用下的變形,結果見圖4 (c) 。

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