國家同步輻射實驗室(NSRL)800MeV電子儲存環是我國第一臺專用的同步輻射光源。1991年12月全部建成通過國家驗收, 1993年光源正式向國內外的用戶開放運行。NSRL儲存環真空系統為不銹鋼(SUS304L,SUS316L)全金屬無油系統,環氣壓由分布在環上具有代表性的真空室上的8只B-A型離子規測量。環真空剩余氣體的分壓由6只四極質譜監控。系統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℃。設計系統靜態平均氣壓為7×10^-8Pa,動態有束流時的平均氣壓為3×10^-7Pa, 設計束流100～300mA 時壽命為500min。1996年底, 我們利用冬季機器維修時間,在上環安裝了儲存環自由電子激光(Freed Electron Laser) 的光學速調管。該裝置設計為不僅用于相干諧波輻射自由電子激光振蕩器實驗, 稍加改動,光學速調管就變為一均勻波蕩器作為插入件進行同步輻射的應用。其亮度比彎鐵輻射高兩個多量級。同時還在上環安裝了場強高達6個特斯拉的超導扭擺磁鐵(Superconductor Wiggle) 真空系統, 輻射出比彎鐵能量要高得多的電磁波。使NSRL環的特征波長由24~縮短到4.86~, 可用波長達到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X 光源的要求。

1、機器運行現狀

　　國家同步輻射實驗室800MeV電子儲存環光源自對用戶開放運行以來,平均每年束流累積劑量約400A/h。機器已累計為用戶提供了約2×10⁴h的實驗用光。儲存環真空室平均氣壓低于5×10^-8Pa。1996年儲存環能量為800MeV在儲存束流200mA時的典型束流壽命超過600min。應用戶要求機器通常運行在儲存流強150mA左右的范圍, 此時的束流壽命接近1000min。通常情況下環真空系統開放大氣的恢復,我們僅對環的主排氣離子泵進行48h300℃烘烤, 烘烤結束后,啟動離子泵排氣48h后, 環平均靜態氣壓即小于2×10^-7Pa。機器可進入束流真空清洗運行,由于不銹鋼真空室壁對輻射自身清洗作用有良好的“記憶”效應, 機器真空恢復時通常束流累積劑量約20A/h后, 環儲存束流100mA 時的束流壽命可達到4h以上, 即可滿足一般用戶的需要, 機器進入實驗運行模式。隨著機器的運行時間增加,束流清洗劑量達到80A/h后, 機器狀態可基本達到真空系統開放前的狀態。這表明環真空系統的設計是成功的, 真空性能是優良的。

2、環真空系統改進

　　國家同步輻射實驗室的二期工程1997年已獲國家正式批準, 整個工程計劃于2000年底完成。工程完成后, 要求合肥光源的性能有進一步的提高,機器達到長期、穩定、可靠的運行。常規運行模式(GPLS)時滿能量運行時束流300mA的壽命大于8h。高亮度運行模式(HBLS)下滿能量運行時束流150mA的壽命大于4h。機器每年運行時間按束流累積劑量算大于600A/h。根據二期工程要求和環真空系統多年來運行情況和現狀, 我們分析了目前存在的問題, 提出了環真空系統的改造方案: ①根據計算機對環氣壓分布設計、計算結果和目前實際運行狀態, 決定在彎鐵下游出口處增設NEG非蒸發型吸氣泵, 改善環氣壓分布和同步輻射光解吸氣體快速排除力度; ②結合機器的其他改造項目, 完成多種特殊真空室的設計和改造。

2.1、環氣壓分布計算

　　在電子儲存環中, 電子在磁場的約束下以向心加速度在軌道上作圓周運動時, 發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存環動態情況下的主要氣載, 是影響儲存環性能的主要問題, 也是決定環殘余氣體氣壓和束流壽命的重要因素。一期工程中我們對環動態氣壓分布和束流壽命進行過計算。由于多種原因、條件和環空間限制, 對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。多年來的實際運行和測量結果告述我們,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, 影響和限制了環束流和壽命的進一步的提高。我們利用計算機設計程序模擬計算四分之一環的殘氣壓分布結果也顯示了這個問題。針對這個問題, 我們經過對環殘余氣壓的計算和環真空室位置空間尺寸的分析, 決定在彎段下游出口處增設一臺抽速為200L/sNEC非蒸發型吸氣泵, 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生解吸氣體。圖1 是增設N EG 非蒸發型吸氣泵后環壓強分布曲線。從計算結果可以看出, 這一方法緩解了彎段真空室氣壓偏高的問題。彎段處的動態平均氣壓比原先降低了2～3倍。環真空系統的動態平均氣壓可達到2.0×10^-7Pa。

圖1　儲存環標準四分之一壓強分布曲線

2.2、NEG非蒸發型吸氣泵

　　NEG非蒸發型吸氣泵的工作介質是一名為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所有活性氣體具有恒定的高抽吸速度, 對抽除H2氣及同位素特別有效。(而且這種抽速在吸氣量未達到飽和時與殘氣壓無關)。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, 不受強磁場干擾, 工作時無油、無振動、體積小、重量輕, 國外已廣泛用作第三代光源真空系統的主排氣泵。我們在NSRL環彎段出口出增設NEG正是利用它的這些特點, 同時改環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, 可以很好的滿足儲存環動態排氣的要求。在環真空系統運行中主排氣泵SIP 排除環系統中CH₄、CO、CO₂和Ar氣, 在10^-8Pa量級時SIP排氣速率急速下降, NEG泵可用它對H₂、CO、CO₂氣體大抽速, 提供一良好的動態真空環境, 提高束流壽命, 改善束流品質。圖2,是改進后SIP+NEG排氣方式儲存環模擬真空室氣壓變化曲線。