CLS真空内插入件真空系统设计

汤启升，胡 晓，李雪军，蒋志强

（中国科学院 上海应用物理研究所，上海 201800）

加拿大光源（CLS）准备在其储存环的一个直线节上安装2台真空内插入件，包括1台真空内波荡器（IVU20）和1 台真空内扭摆器（IVW80），都将由上海同步辐射光源（SSRF）完成设计制造。IVU20、IVW80最小磁间隙均为5.2mm，真空系统总长分别不超过1 970 mm和1 900mm。这2台插入件的真空系统设计目标是在满足真空度的前提下，实现上、下磁结构阵列的间隙可调，并保障束流能平滑、顺利通过。插入件的真空部件包括主真空室、上下游柔性屏蔽过渡段（FTT）、内大梁-磁阵列结构、波纹吊杆、真空泵、支撑座、温度测量、真空测量等。本文对CLS的这2台真空内插入件的真空系统进行了设计研究。

1 真空内插入件设计参数

根据CLS方提出的技术要求，2台插入件的真空系统设计参数列于表1。

表1 IVU20和IVW80的真空系统设计参数Table 1 Vacuum system design parameters for IVU20and IVW80

2 真空内插入件结构

2.1 真空部件组成

两台插入件的真空部件总装如图1所示。

主真空室内有上、下内大梁-磁阵列结构，通过上下两组波纹管吊杆与外大梁连接，实现磁间隙的调整并隔离真空；内大梁上缠绕无氧铜冷却水管，以确保内大梁上的温度分布均匀，水管通过引出结构形成与真空隔离的冷却水回路；主真空室水平两侧安装真空泵、水管引出结构、角阀、真空测量规管等。主真空室上、下游端连接FTT 结构。

2.2 主真空室和FTT结构

主真空室为插入件的上、下内大梁和磁阵列结构提供真空环境和磁隙调节空间，其材料选用304不锈钢。2台插入件主真空室的内径分别为300mm 和450mm，壁厚分别为4mm 和5mm。在主真空室柱面的两侧分别对称焊有2列波纹管吊杆法兰通口，另两侧焊接泵抽口、冷却水管引出口、角阀口等。上、下游两端通过DN 阶梯法兰与真空室连接。主真空室内部焊置两条平行导轨，用于安装内梁-磁结构阵列组件。2台插入件主真空室结构相似，只是抽口数量和位置、吊杆通口数量不同，如图2所示。

图1 真空内插入件真空部件总装Fig.1 Vacuum components assembly of in-vacuum IDs

图2 真空内插入件主真空室Fig.2 Main vacuum chamber of in-vacuum IDs

主真空室上各法兰孔位置需根据实际数量和安装空间需求以及在大气压下的变形等进行合理优化，确保在任何工作气隙下真空室壁不会与内部零部件发生干涉。经优化后的IVU20和IVW80主真空室在1个大气压下最大变形位置处的变形分别为86μm 和78μm，均满足要求。ANSYS模拟的主真空室在大气压下的变形分布如图3所示。

图3 主真空室在大气压下的变形Fig.3 Chamber deformation under atmosphere pressure

真空内插入件的上、下游的FTT 结构用来为电子束提供屏蔽通道，保障束流顺利进入和离开磁结构阵列。FTT 结构由端部真空室、屏蔽片结构、水冷结构组成。屏蔽采用0.5mm厚的Be-Cu片。在屏蔽片两端分别采用独立的水冷结构，通过真空室上法兰通口引出。与内大梁-磁结构阵列组件相连的连接板与内大梁固定，外部水管接头与外大梁固定，并通过波纹管与真空隔离，确保在调节磁间隙过程中水管与大梁保持相对静止，避免疲劳硬化。两台插入件的FTT 屏蔽结构相似，如图4所示。

图4 真空内插入件FTT 屏蔽结构Fig.4 FTT shield structure of in-vacuum IDs

2.3 内大梁-磁结构阵列组件

SSRF已研制出多台真空内波荡器，所设计的磁结构在磁场相位误差和垫补上均满足要求，出光效果很好。本台IVU20同样采用这种磁化块、磁极材料以及磁体支撑结构，仅在数量上改变以满足磁周期要求，详细情况参见文献［1］。本文主要介绍IVW80的磁结构设计。

IVW80每根内大梁上的磁结构由32个主磁化块组件和33个主磁极组件周期交替排列而成的磁阵列以及端部的磁化块、磁极组件组成。主磁化块支撑架由铝合金U 型主支撑件、铝合金侧压块、不锈钢顶压块组成。主磁极因磁力大，在底面留有螺纹孔，通过2个螺栓连接在铝合金支撑架上。磁化块和磁极的支撑架通过螺栓固定在内大梁上。IVW80 磁结构组件如图5所示。

图5 IVW80磁结构组件Fig.5 Magnet components assembly in IVW80

内大梁用来固定磁结构阵列，并通过缠绕在其上的冷却水管来带走热量，通过2列波纹管吊杆实现梁的上下移动，其材料选用低导磁率铝合金Al7075。为了实现在插入件内进行束流的轨道矫正，在内大梁上缠绕聚酰亚胺漆包线线圈来产生矫正磁场。2台插入件轨道矫正长线圈的相关参数相同，列表于2。

表2 插入件轨道矫正长线圈参数Table 2 Long coil parameters for rectifying orbit

IVU20的矫正长线圈缠绕在内大梁上跑道型凹槽中，上面被磁阵列覆盖，接头通过安装在一个FTT 真空室上的Feedthrough 电极法兰引出。IVW80的矫正长线圈缠绕在弹簧组件和顶块组件的支撑座上。IVU20、IVW80内大梁-磁结构阵列组件装配分别如图6所示。

为减小磁场垫补和束流的尾场效应，内大梁垂直于束流方向上由变形引起的梁面高低差不得超过50μm。对于IVW80，最大磁吸引力将达到86kN。法国同步光源（SOLEIL）设计真空内扭摆器时采用过反磁力阵列平衡和弹簧组件平衡2种方案［2-3］以确保内大梁的变形要求以及波纹管吊杆的使用安全。针对本台IVW80尺寸限制，在内大梁装配结构上作了优化设计：内大梁采用工字型截面，在下梁上的磁阵列两侧对称安装2列弹簧组件并在上梁安装对应顶头来平衡巨大的磁力。此结构相比于SOLEIL，优点是结构紧凑，减小了主真空室内径，安装方便。弹簧组件在内大梁上的装配如图6所示。

图6 真空内插入件内大梁和磁阵列结构Fig.6 Inner girder and magnet array structure in IDs

弹簧有长、短2种类型，长弹簧刚度为100N／m，单侧18个，在磁间隙为21mm 时开始起作用，短弹簧刚度为130N／m，单侧17个，在磁间隙为10mm 时也开始起作用。内大梁上承受的合力示于图7。在弹簧的作用下，磁隙为5.2mm时合力减小到12kN 以下。

在巨大的磁力和弹簧力的作用下，需要对内大梁变形和应力进行校核。由图7可看出，在磁间隙为5.2mm 时，磁力达到86kN，弹簧力达到78kN 左右，合力约8kN。此时需校核内大梁的应力，在磁间隙为20 mm 时，合力达到最大12kN，此时需校核内大梁的变形。通过ANSYS进行模拟，得到的结果如图8所示。由图8 可看出：内大梁上产生的最大应力为20.7 MPa；内大梁安装磁阵列面垂直方向上的最大变形处与最小变形处数值分别为17μm和12μm，差值为5μm 左右，均满足设计要求。

图7 IVW80内大梁上的合力Fig.7 Resultant force on IVW80inner girder

图8 IVW80内大梁应力（a）与变形（b）Fig.8 Stress（a）and deformation（b）of IVW80inner girder

3 真空内插入件的气载与泵

2台真空内插入件内均装有大量磁块组件、弹簧组件等，气源多，气载大。为了满足真空度要求，首先选择用放气率低的材料来制作零件，在磁化块和磁极上镀膜以密封材料内的气体［1］；其次在零件结构设计时均留有通气孔；工艺上主真空室和FTT 真空室在安装前均进行高温退火，安装磁阵列后再进行120 ℃、24h烘烤，以使得真空室内各零件充分出气。查真空手册材料放气率表［4］，真空内插入件的主要零件材料放气率列于表3。

计算得IVU20和IVW80的总放气量分别为3.5×10-5Pa·L／s和7.3×10-5Pa·L／s。选用安捷伦公司的大抽速SIP＋TSP 复合泵以及MKS公司的非蒸散型吸气剂（NEG）组合进行抽气。复合泵对H2、N2的抽速高，NEG 对H2、CO 的抽速高。IVU20和IVW80泵的选用列于表4，安装方式如图1所示。通过计算，理论上IVU20和IVW80的真空度分别能达到3.5×10-9Pa和5.8×10-9Pa，满足技术要求。

这2台真空内插入件的总长均不超过2m，真空室管径又大，室内真空度基本一致。在主真空室中段留有2个真空测量点，分别安装1个低真空规和1个高真空规，可满足真空内插入件内真空度的测量。

表3 真空内插入件主要零件材料放气率Table 3 Material leak rate of in-vacuum IDs main components

表4 IVU20和IVW80泵的选用Table 4 Pumps for IVU20and IVW80

4 结语

本文介绍了SSRF 为CLS 研制的2 台真空内插入件真空系统设计，包括主真空室和FTT 屏蔽结构、内大梁-磁阵列组件结构的设计和气载计算、泵的选择。为矫正束流轨道在内大梁上安装了矫正长线圈结构；针对IVW80巨大的磁力设计了磁力平衡弹簧结构；最后通过多种类型泵的组合选用来进行抽气。总体设计上满足了这2台真空内插入件对真空系统的技术要求。

［1］ 蒋迪奎，陈永林，卢裕.上海光源真空波荡器的特殊真空问题［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］ 达道安.真空设计手册［M］.北京：国防工业出版社，2004.