CLS真空內插入件真空系統設計

湯啟升，胡 曉，李雪軍，蔣志強

（中國科學院 上海應用物理研究所，上海 201800）

加拿大光源（CLS）準備在其儲存環的一個直線節上安裝2臺真空內插入件，包括1臺真空內波蕩器（IVU20）和1 臺真空內扭擺器（IVW80），都將由上海同步輻射光源（SSRF）完成設計制造。IVU20、IVW80最小磁間隙均為5.2mm，真空系統總長分別不超過1 970 mm和1 900mm。這2臺插入件的真空系統設計目標是在滿足真空度的前提下，實現上、下磁結構陣列的間隙可調，并保障束流能平滑、順利通過。插入件的真空部件包括主真空室、上下游柔性屏蔽過渡段（FTT）、內大梁-磁陣列結構、波紋吊桿、真空泵、支撐座、溫度測量、真空測量等。本文對CLS的這2臺真空內插入件的真空系統進行了設計研究。

1 真空內插入件設計參數

根據CLS方提出的技術要求，2臺插入件的真空系統設計參數列于表1。

表1 IVU20和IVW80的真空系統設計參數Table 1 Vacuum system design parameters for IVU20and IVW80

2 真空內插入件結構

2.1 真空部件組成

兩臺插入件的真空部件總裝如圖1所示。

主真空室內有上、下內大梁-磁陣列結構，通過上下兩組波紋管吊桿與外大梁連接，實現磁間隙的調整并隔離真空；內大梁上纏繞無氧銅冷卻水管，以確保內大梁上的溫度分布均勻，水管通過引出結構形成與真空隔離的冷卻水回路；主真空室水平兩側安裝真空泵、水管引出結構、角閥、真空測量規管等。主真空室上、下游端連接FTT 結構。

2.2 主真空室和FTT結構

主真空室為插入件的上、下內大梁和磁陣列結構提供真空環境和磁隙調節空間，其材料選用304不銹鋼。2臺插入件主真空室的內徑分別為300mm 和450mm，壁厚分別為4mm 和5mm。在主真空室柱面的兩側分別對稱焊有2列波紋管吊桿法蘭通口，另兩側焊接泵抽口、冷卻水管引出口、角閥口等。上、下游兩端通過DN 階梯法蘭與真空室連接。主真空室內部焊置兩條平行導軌，用于安裝內梁-磁結構陣列組件。2臺插入件主真空室結構相似，只是抽口數量和位置、吊桿通口數量不同，如圖2所示。

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

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

主真空室上各法蘭孔位置需根據實際數量和安裝空間需求以及在大氣壓下的變形等進行合理優化，確保在任何工作氣隙下真空室壁不會與內部零部件發生干涉。經優化后的IVU20和IVW80主真空室在1個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

真空內插入件的上、下游的FTT 結構用來為電子束提供屏蔽通道，保障束流順利進入和離開磁結構陣列。FTT 結構由端部真空室、屏蔽片結構、水冷結構組成。屏蔽采用0.5mm厚的Be-Cu片。在屏蔽片兩端分別采用獨立的水冷結構，通過真空室上法蘭通口引出。與內大梁-磁結構陣列組件相連的連接板與內大梁固定，外部水管接頭與外大梁固定，并通過波紋管與真空隔離，確保在調節磁間隙過程中水管與大梁保持相對靜止，避免疲勞硬化。兩臺插入件的FTT 屏蔽結構相似，如圖4所示。

圖4 真空內插入件FTT 屏蔽結構Fig.4 FTT shield structure of in-vacuum IDs

2.3 內大梁-磁結構陣列組件

SSRF已研制出多臺真空內波蕩器，所設計的磁結構在磁場相位誤差和墊補上均滿足要求，出光效果很好。本臺IVU20同樣采用這種磁化塊、磁極材料以及磁體支撐結構，僅在數量上改變以滿足磁周期要求，詳細情況參見文獻［1］。本文主要介紹IVW80的磁結構設計。

IVW80每根內大梁上的磁結構由32個主磁化塊組件和33個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2個螺栓連接在鋁合金支撐架上。磁化塊和磁極的支撐架通過螺栓固定在內大梁上。IVW80 磁結構組件如圖5所示。

圖5 IVW80磁結構組件Fig.5 Magnet components assembly in IVW80

內大梁用來固定磁結構陣列，并通過纏繞在其上的冷卻水管來帶走熱量，通過2列波紋管吊桿實現梁的上下移動，其材料選用低導磁率鋁合金Al7075。為了實現在插入件內進行束流的軌道矯正，在內大梁上纏繞聚酰亞胺漆包線線圈來產生矯正磁場。2臺插入件軌道矯正長線圈的相關參數相同，列表于2。

表2 插入件軌道矯正長線圈參數Table 2 Long coil parameters for rectifying orbit

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

為減小磁場墊補和束流的尾場效應，內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50μm。對于IVW80，最大磁吸引力將達到86kN。法國同步光源（SOLEIL）設計真空內扭擺器時采用過反磁力陣列平衡和彈簧組件平衡2種方案［2-3］以確保內大梁的變形要求以及波紋管吊桿的使用安全。針對本臺IVW80尺寸限制，在內大梁裝配結構上作了優化設計：內大梁采用工字型截面，在下梁上的磁陣列兩側對稱安裝2列彈簧組件并在上梁安裝對應頂頭來平衡巨大的磁力。此結構相比于SOLEIL，優點是結構緊湊，減小了主真空室內徑，安裝方便。彈簧組件在內大梁上的裝配如圖6所示。

圖6 真空內插入件內大梁和磁陣列結構Fig.6 Inner girder and magnet array structure in IDs

彈簧有長、短2種類型，長彈簧剛度為100N／m，單側18個，在磁間隙為21mm 時開始起作用，短彈簧剛度為130N／m，單側17個，在磁間隙為10mm 時也開始起作用。內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，需要對內大梁變形和應力進行校核。由圖7可看出，在磁間隙為5.2mm 時，磁力達到86kN，彈簧力達到78kN 左右，合力約8kN。此時需校核內大梁的應力，在磁間隙為20 mm 時，合力達到最大12kN，此時需校核內大梁的變形。通過ANSYS進行模擬，得到的結果如圖8所示。由圖8 可看出：內大梁上產生的最大應力為20.7 MPa；內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值分別為17μm和12μm，差值為5μm 左右，均滿足設計要求。

圖7 IVW80內大梁上的合力Fig.7 Resultant force on IVW80inner girder

圖8 IVW80內大梁應力（a）與變形（b）Fig.8 Stress（a）and deformation（b）of IVW80inner girder

3 真空內插入件的氣載與泵

2臺真空內插入件內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制作零件，在磁化塊和磁極上鍍膜以密封材料內的氣體［1］；其次在零件結構設計時均留有通氣孔；工藝上主真空室和FTT 真空室在安裝前均進行高溫退火，安裝磁陣列后再進行120 ℃、24h烘烤，以使得真空室內各零件充分出氣。查真空手冊材料放氣率表［4］，真空內插入件的主要零件材料放氣率列于表3。

計算得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 復合泵以及MKS公司的非蒸散型吸氣劑（NEG）組合進行抽氣。復合泵對H2、N2的抽速高，NEG 對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。通過計算，理論上IVU20和IVW80的真空度分別能達到3.5×10-9Pa和5.8×10-9Pa，滿足技術要求。

這2臺真空內插入件的總長均不超過2m，真空室管徑又大，室內真空度基本一致。在主真空室中段留有2個真空測量點，分別安裝1個低真空規和1個高真空規，可滿足真空內插入件內真空度的測量。

表3 真空內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 結語

本文介紹了SSRF 為CLS 研制的2 臺真空內插入件真空系統設計，包括主真空室和FTT 屏蔽結構、內大梁-磁陣列組件結構的設計和氣載計算、泵的選擇。為矯正束流軌道在內大梁上安裝了矯正長線圈結構；針對IVW80巨大的磁力設計了磁力平衡彈簧結構；最后通過多種類型泵的組合選用來進行抽氣。總體設計上滿足了這2臺真空內插入件對真空系統的技術要求。

［1］ 蔣迪奎，陳永林，盧裕.上海光源真空波蕩器的特殊真空問題［J］.真空，2010，47（4）：104-107.JIANG Dikui，CHEN Yonglin，LU Yu.Special vacuum problems of IVU25Bfor SSRF［J］.Vacuum，2010，47（4）：104-107（in Chinese）.

［2］ MARCOUILLE O，BRUNELLE P，CHUBAR O，et al.An in vacuum wiggler WSV50for producing hard X-rays at SOLEIL［C］∥Proceedings of EPAC08.Genoa，Italy：［s.n.］，2008.

［3］ MARCOUILLE O，BECHU N，BERTEAUD P，et al.In vacuum permanent magnet wiggler optimized for the production of hard X rays［J］.Phys Rev ST Accel Beams，2013，16：050702-1-050702-10.

［4］ 達道安.真空設計手冊［M］.北京：國防工業出版社，2004.