湯啟升，胡 曉，李雪軍，蔣志強(qiáng)

（中國(guó)科學(xué)院 上海應(yīng)用物理研究所，上海 201800）

加拿大光源（CLS）準(zhǔn)備在其儲(chǔ)存環(huán)的一個(gè)直線節(jié)上安裝2臺(tái)真空內(nèi)插入件，包括1臺(tái)真空內(nèi)波蕩器（IVU20）和1 臺(tái)真空內(nèi)扭擺器（IVW80），都將由上海同步輻射光源（SSRF）完成設(shè)計(jì)制造。IVU20、IVW80最小磁間隙均為5.2mm，真空系統(tǒng)總長(zhǎng)分別不超過(guò)1 970 mm和1 900mm。這2臺(tái)插入件的真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)是在滿足真空度的前提下，實(shí)現(xiàn)上、下磁結(jié)構(gòu)陣列的間隙可調(diào)，并保障束流能平滑、順利通過(guò)。插入件的真空部件包括主真空室、上下游柔性屏蔽過(guò)渡段（FTT）、內(nèi)大梁-磁陣列結(jié)構(gòu)、波紋吊桿、真空泵、支撐座、溫度測(cè)量、真空測(cè)量等。本文對(duì)CLS的這2臺(tái)真空內(nèi)插入件的真空系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。

1 真空內(nèi)插入件設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)CLS方提出的技術(shù)要求，2臺(tái)插入件的真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)列于表1。

表1 IVU20和IVW80的真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Vacuum system design parameters for IVU20and IVW80

2 真空內(nèi)插入件結(jié)構(gòu)

2.1 真空部件組成

兩臺(tái)插入件的真空部件總裝如圖1所示。

主真空室內(nèi)有上、下內(nèi)大梁-磁陣列結(jié)構(gòu)，通過(guò)上下兩組波紋管吊桿與外大梁連接，實(shí)現(xiàn)磁間隙的調(diào)整并隔離真空；內(nèi)大梁上纏繞無(wú)氧銅冷卻水管，以確保內(nèi)大梁上的溫度分布均勻，水管通過(guò)引出結(jié)構(gòu)形成與真空隔離的冷卻水回路；主真空室水平兩側(cè)安裝真空泵、水管引出結(jié)構(gòu)、角閥、真空測(cè)量規(guī)管等。主真空室上、下游端連接FTT 結(jié)構(gòu)。

2.2 主真空室和FTT結(jié)構(gòu)

主真空室為插入件的上、下內(nèi)大梁和磁陣列結(jié)構(gòu)提供真空環(huán)境和磁隙調(diào)節(jié)空間，其材料選用304不銹鋼。2臺(tái)插入件主真空室的內(nèi)徑分別為300mm 和450mm，壁厚分別為4mm 和5mm。在主真空室柱面的兩側(cè)分別對(duì)稱焊有2列波紋管吊桿法蘭通口，另兩側(cè)焊接泵抽口、冷卻水管引出口、角閥口等。上、下游兩端通過(guò)DN 階梯法蘭與真空室連接。主真空室內(nèi)部焊置兩條平行導(dǎo)軌，用于安裝內(nèi)梁-磁結(jié)構(gòu)陣列組件。2臺(tái)插入件主真空室結(jié)構(gòu)相似，只是抽口數(shù)量和位置、吊桿通口數(shù)量不同，如圖2所示。

圖1 真空內(nèi)插入件真空部件總裝Fig.1 Vacuum components assembly of in-vacuum IDs

圖2 真空內(nèi)插入件主真空室Fig.2 Main vacuum chamber of in-vacuum IDs

主真空室上各法蘭孔位置需根據(jù)實(shí)際數(shù)量和安裝空間需求以及在大氣壓下的變形等進(jìn)行合理優(yōu)化，確保在任何工作氣隙下真空室壁不會(huì)與內(nèi)部零部件發(fā)生干涉。經(jīng)優(yōu)化后的IVU20和IVW80主真空室在1個(gè)大氣壓下最大變形位置處的變形分別為86μm 和78μm，均滿足要求。ANSYS模擬的主真空室在大氣壓下的變形分布如圖3所示。

圖3 主真空室在大氣壓下的變形Fig.3 Chamber deformation under atmosphere pressure

真空內(nèi)插入件的上、下游的FTT 結(jié)構(gòu)用來(lái)為電子束提供屏蔽通道，保障束流順利進(jìn)入和離開磁結(jié)構(gòu)陣列。FTT 結(jié)構(gòu)由端部真空室、屏蔽片結(jié)構(gòu)、水冷結(jié)構(gòu)組成。屏蔽采用0.5mm厚的Be-Cu片。在屏蔽片兩端分別采用獨(dú)立的水冷結(jié)構(gòu)，通過(guò)真空室上法蘭通口引出。與內(nèi)大梁-磁結(jié)構(gòu)陣列組件相連的連接板與內(nèi)大梁固定，外部水管接頭與外大梁固定，并通過(guò)波紋管與真空隔離，確保在調(diào)節(jié)磁間隙過(guò)程中水管與大梁保持相對(duì)靜止，避免疲勞硬化。兩臺(tái)插入件的FTT 屏蔽結(jié)構(gòu)相似，如圖4所示。

圖4 真空內(nèi)插入件FTT 屏蔽結(jié)構(gòu)Fig.4 FTT shield structure of in-vacuum IDs

2.3 內(nèi)大梁-磁結(jié)構(gòu)陣列組件

SSRF已研制出多臺(tái)真空內(nèi)波蕩器，所設(shè)計(jì)的磁結(jié)構(gòu)在磁場(chǎng)相位誤差和墊補(bǔ)上均滿足要求，出光效果很好。本臺(tái)IVU20同樣采用這種磁化塊、磁極材料以及磁體支撐結(jié)構(gòu)，僅在數(shù)量上改變以滿足磁周期要求，詳細(xì)情況參見文獻(xiàn)［1］。本文主要介紹IVW80的磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

IVW80每根內(nèi)大梁上的磁結(jié)構(gòu)由32個(gè)主磁化塊組件和33個(gè)主磁極組件周期交替排列而成的磁陣列以及端部的磁化塊、磁極組件組成。主磁化塊支撐架由鋁合金U 型主支撐件、鋁合金側(cè)壓塊、不銹鋼頂壓塊組成。主磁極因磁力大，在底面留有螺紋孔，通過(guò)2個(gè)螺栓連接在鋁合金支撐架上。磁化塊和磁極的支撐架通過(guò)螺栓固定在內(nèi)大梁上。IVW80 磁結(jié)構(gòu)組件如圖5所示。

圖5 IVW80磁結(jié)構(gòu)組件Fig.5 Magnet components assembly in IVW80

內(nèi)大梁用來(lái)固定磁結(jié)構(gòu)陣列，并通過(guò)纏繞在其上的冷卻水管來(lái)帶走熱量，通過(guò)2列波紋管吊桿實(shí)現(xiàn)梁的上下移動(dòng)，其材料選用低導(dǎo)磁率鋁合金Al7075。為了實(shí)現(xiàn)在插入件內(nèi)進(jìn)行束流的軌道矯正，在內(nèi)大梁上纏繞聚酰亞胺漆包線線圈來(lái)產(chǎn)生矯正磁場(chǎng)。2臺(tái)插入件軌道矯正長(zhǎng)線圈的相關(guān)參數(shù)相同，列表于2。

表2 插入件軌道矯正長(zhǎng)線圈參數(shù)Table 2 Long coil parameters for rectifying orbit

IVU20的矯正長(zhǎng)線圈纏繞在內(nèi)大梁上跑道型凹槽中，上面被磁陣列覆蓋，接頭通過(guò)安裝在一個(gè)FTT 真空室上的Feedthrough 電極法蘭引出。IVW80的矯正長(zhǎng)線圈纏繞在彈簧組件和頂塊組件的支撐座上。IVU20、IVW80內(nèi)大梁-磁結(jié)構(gòu)陣列組件裝配分別如圖6所示。

為減小磁場(chǎng)墊補(bǔ)和束流的尾場(chǎng)效應(yīng)，內(nèi)大梁垂直于束流方向上由變形引起的梁面高低差不得超過(guò)50μm。對(duì)于IVW80，最大磁吸引力將達(dá)到86kN。法國(guó)同步光源（SOLEIL）設(shè)計(jì)真空內(nèi)扭擺器時(shí)采用過(guò)反磁力陣列平衡和彈簧組件平衡2種方案［2-3］以確保內(nèi)大梁的變形要求以及波紋管吊桿的使用安全。針對(duì)本臺(tái)IVW80尺寸限制，在內(nèi)大梁裝配結(jié)構(gòu)上作了優(yōu)化設(shè)計(jì)：內(nèi)大梁采用工字型截面，在下梁上的磁陣列兩側(cè)對(duì)稱安裝2列彈簧組件并在上梁安裝對(duì)應(yīng)頂頭來(lái)平衡巨大的磁力。此結(jié)構(gòu)相比于SOLEIL，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，減小了主真空室內(nèi)徑，安裝方便。彈簧組件在內(nèi)大梁上的裝配如圖6所示。

圖6 真空內(nèi)插入件內(nèi)大梁和磁陣列結(jié)構(gòu)Fig.6 Inner girder and magnet array structure in IDs

彈簧有長(zhǎng)、短2種類型，長(zhǎng)彈簧剛度為100N／m，單側(cè)18個(gè)，在磁間隙為21mm 時(shí)開始起作用，短彈簧剛度為130N／m，單側(cè)17個(gè)，在磁間隙為10mm 時(shí)也開始起作用。內(nèi)大梁上承受的合力示于圖7。在彈簧的作用下，磁隙為5.2mm時(shí)合力減小到12kN 以下。

在巨大的磁力和彈簧力的作用下，需要對(duì)內(nèi)大梁變形和應(yīng)力進(jìn)行校核。由圖7可看出，在磁間隙為5.2mm 時(shí)，磁力達(dá)到86kN，彈簧力達(dá)到78kN 左右，合力約8kN。此時(shí)需校核內(nèi)大梁的應(yīng)力，在磁間隙為20 mm 時(shí)，合力達(dá)到最大12kN，此時(shí)需校核內(nèi)大梁的變形。通過(guò)ANSYS進(jìn)行模擬，得到的結(jié)果如圖8所示。由圖8 可看出：內(nèi)大梁上產(chǎn)生的最大應(yīng)力為20.7 MPa；內(nèi)大梁安裝磁陣列面垂直方向上的最大變形處與最小變形處數(shù)值分別為17μm和12μm，差值為5μm 左右，均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 IVW80內(nèi)大梁上的合力Fig.7 Resultant force on IVW80inner girder

圖8 IVW80內(nèi)大梁應(yīng)力（a）與變形（b）Fig.8 Stress（a）and deformation（b）of IVW80inner girder

3 真空內(nèi)插入件的氣載與泵

2臺(tái)真空內(nèi)插入件內(nèi)均裝有大量磁塊組件、彈簧組件等，氣源多，氣載大。為了滿足真空度要求，首先選擇用放氣率低的材料來(lái)制作零件，在磁化塊和磁極上鍍膜以密封材料內(nèi)的氣體［1］；其次在零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)均留有通氣孔；工藝上主真空室和FTT 真空室在安裝前均進(jìn)行高溫退火，安裝磁陣列后再進(jìn)行120 ℃、24h烘烤，以使得真空室內(nèi)各零件充分出氣。查真空手冊(cè)材料放氣率表［4］，真空內(nèi)插入件的主要零件材料放氣率列于表3。

計(jì)算得IVU20和IVW80的總放氣量分別為3.5×10-5Pa·L／s和7.3×10-5Pa·L／s。選用安捷倫公司的大抽速SIP＋TSP 復(fù)合泵以及MKS公司的非蒸散型吸氣劑（NEG）組合進(jìn)行抽氣。復(fù)合泵對(duì)H2、N2的抽速高，NEG 對(duì)H2、CO 的抽速高。IVU20和IVW80泵的選用列于表4，安裝方式如圖1所示。通過(guò)計(jì)算，理論上IVU20和IVW80的真空度分別能達(dá)到3.5×10-9Pa和5.8×10-9Pa，滿足技術(shù)要求。

這2臺(tái)真空內(nèi)插入件的總長(zhǎng)均不超過(guò)2m，真空室管徑又大，室內(nèi)真空度基本一致。在主真空室中段留有2個(gè)真空測(cè)量點(diǎn)，分別安裝1個(gè)低真空規(guī)和1個(gè)高真空規(guī)，可滿足真空內(nèi)插入件內(nèi)真空度的測(cè)量。

表3 真空內(nèi)插入件主要零件材料放氣率Table 3 Material leak rate of in-vacuum IDs main components

表4 IVU20和IVW80泵的選用Table 4 Pumps for IVU20and IVW80

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了SSRF 為CLS 研制的2 臺(tái)真空內(nèi)插入件真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括主真空室和FTT 屏蔽結(jié)構(gòu)、內(nèi)大梁-磁陣列組件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和氣載計(jì)算、泵的選擇。為矯正束流軌道在內(nèi)大梁上安裝了矯正長(zhǎng)線圈結(jié)構(gòu)；針對(duì)IVW80巨大的磁力設(shè)計(jì)了磁力平衡彈簧結(jié)構(gòu)；最后通過(guò)多種類型泵的組合選用來(lái)進(jìn)行抽氣。總體設(shè)計(jì)上滿足了這2臺(tái)真空內(nèi)插入件對(duì)真空系統(tǒng)的技術(shù)要求。

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［4］ 達(dá)道安.真空設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004.