超導(dǎo)波蕩器熱負(fù)荷測試裝置超高真空系統(tǒng)

李 煒，許皆平，崔 劍，李 明，張正臣

(中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所，上海 201204)

0 引言

超導(dǎo)波蕩器(SCU)具有周期短、磁間隙小、磁場強度高和極化方式調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點。將超導(dǎo)波蕩器和同步輻射光源結(jié)合，可產(chǎn)生高強度和高亮度的x射線，開展生物分子結(jié)構(gòu)測定、癌癥早期診斷及治療等，極大地提升同步輻射光源的綜合研究能力。目前國外很多同步輻射機構(gòu)正在開展超導(dǎo)波蕩器的樣機研制，但是在研制過程中遇到很多困難，其中一個關(guān)鍵的問題是束流產(chǎn)生的熱負(fù)荷不能準(zhǔn)確估算，以至于無法確定選擇何種形式的超導(dǎo)波蕩器低溫冷卻方式。超導(dǎo)波蕩器熱負(fù)荷測試裝置就是用實驗的方法較準(zhǔn)確的測量出束流產(chǎn)生的熱負(fù)荷，為超導(dǎo)波蕩器低溫系統(tǒng)的研制提供依據(jù)。由于超導(dǎo)波蕩器熱負(fù)荷測試裝置最終安裝在光源儲存環(huán)真空系統(tǒng)一段直線節(jié)上，所以，超導(dǎo)波蕩器熱負(fù)荷測試裝置同時必須是超高真空系統(tǒng)，必須滿足光源儲存環(huán)真空系統(tǒng)的要求。

1 超高真空系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

光源儲存環(huán)真空系統(tǒng)對超導(dǎo)波蕩器熱負(fù)荷測試裝置超高真空系統(tǒng)提出的技術(shù)指標(biāo)是: 常溫下真空系統(tǒng)壓力≤1.3×10-7Pa；

2 熱負(fù)荷測試裝置超高真空系統(tǒng)

熱負(fù)荷測試裝置如圖1所示，主要由低溫系統(tǒng)、超高真空系統(tǒng)、機械支撐系統(tǒng)、測量控制系統(tǒng)所組成，通過使用溫度計和加熱器，采用熱對抗法來測量束流經(jīng)過時所引起的熱負(fù)荷。超高真空系統(tǒng)是熱負(fù)荷測試裝置不可或缺的工作環(huán)境，是關(guān)鍵系統(tǒng)之一，超高真空系統(tǒng)的好壞直接影響光源的運行穩(wěn)定和束流壽命的長短。

超高真空系統(tǒng)如圖2所示包括UHV 真空室、低溫脈沖管制冷機、50 K低溫吸附冷屏、400 L離子泵、SAES D400-2 吸氣劑泵、四極質(zhì)譜計、UHV-24 規(guī)管等組件。

圖1 熱負(fù)荷測試裝置

1. 測量控制系統(tǒng)；2. 低溫系統(tǒng)；3. 超高真空系統(tǒng)；4.機械支撐系統(tǒng)

2.1 常溫下超高真空獲得

初次進(jìn)行超高真空調(diào)試時，使用1臺400 L/s的離子泵作為主泵，離子泵以無油、無震動、極限真空高的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于加速器真空系統(tǒng)中。在常溫下熱負(fù)荷測試裝置超高真空系統(tǒng)的主要氣載是真空室內(nèi)壁及真空室內(nèi)部件內(nèi)外表面的熱脫附氣載，包括真空室內(nèi)表面，50 K冷屏內(nèi)外表面等。對以上項目進(jìn)行統(tǒng)計計算得：不銹鋼真空室內(nèi)表面積ASS=2.65 m2；50 K冷屏的表面積AOFHC=3.48 m2，常溫下不銹鋼和無氧銅的表面出氣率[2-3]分別取2.76×10-10Pa·L/s·cm2和9.04×10-10Pa·L/s·cm2；總氣載Q=3.88×10-5Pa·L/s；要獲得1.3×10-7Pa的極限真空，需要離子泵的有效抽速是298 L/s，從計算結(jié)果來看，一臺400 L/s離子泵勉強夠用但冗余太小。常溫下(制冷機關(guān)閉)對真空系統(tǒng)進(jìn)行極限真空調(diào)試。對于烘烤溫度的選擇，通常情況，超高真空系統(tǒng)的烘烤溫度是200～250 ℃，但對本系統(tǒng)由于有50 K冷屏等低溫部件，為增加傳導(dǎo)，零件連接處使用大量的金屬銦，而金屬銦的熔點是156 ℃，所以，烘烤溫度不超過150℃，最后選擇是，真空室烘烤溫度150 ℃，內(nèi)部50 K冷屏的烘烤溫度控制在120 ℃，分別通過安裝在真空室和50 K冷屏上的溫度計控制溫度。對真空室進(jìn)行150 ℃，44 h的烘烤，離子泵同時進(jìn)行烘烤，時間30 h，烘烤時間達(dá)到后,開始降溫。24 h 后，由VARIAN UHV-24 電離規(guī)測的極限壓力是5.3×10-6Pa，未達(dá)到1.3×10-7Pa的系統(tǒng)真空度要求，壓力隨時間變化曲線如圖3所示。

圖3 壓力隨時間變化曲線

通過分析認(rèn)為，真空室未進(jìn)行真空爐高溫烘烤除氣、真空調(diào)試烘烤時間過短及一臺400 L/s離子泵有效抽速冗余小是造成真空度不能達(dá)標(biāo)的主要原因。根據(jù)真空基本公式P=Q/S可知,要想獲得更低的壓力P有兩個途徑，即盡可能減少氣載Q和盡可能增大有效抽速S。減少氣載可對真空室進(jìn)行真空爐高溫烘烤除氣處理和盡可能延長烘烤時間，由于真空室設(shè)計尺寸過大，不能放入真空爐，所以真空室高溫烘烤除氣未能進(jìn)行，只能通過延長真空調(diào)試烘烤時間來減少氣載。增大抽速可在真空室適當(dāng)增加離子泵等抽氣泵，可是真空室設(shè)計時未留CF150接口，所以離子泵無法增加。真空室側(cè)邊有兩個CF63備用接口，利用這兩個接口,通過CF35-CF63轉(zhuǎn)接法蘭，安裝兩臺意大利SAES公司D400-2 吸氣劑泵。D400-2吸氣劑泵的主要材料是St172(Zr-V-Fe)，通過CF35法蘭直接裝入真空系統(tǒng)，能獲得最佳的抽氣性能。對氫的抽速是400 L/s,對一氧化碳的抽速是180 L/s。吸氣劑泵通常的使用流程是真空系統(tǒng)調(diào)試到啟動離子泵前夕，啟動吸氣劑泵除氣程序，除氣電流2.6 A，時間2 h。然后啟動離子泵，當(dāng)烘烤停止，溫度降到100 ℃左右時，可啟動吸氣劑泵的激活程序，激活電流5.6 A,時間1 h。這里要注意的是，吸氣劑泵激活時，由于氣載較大，可能導(dǎo)致離子泵保護，所以應(yīng)該事先接入分子泵機組幫助抽氣，直到離子泵能夠重新啟動為止。

經(jīng)過改進(jìn)后，常溫下(制冷機關(guān)閉)對真空系統(tǒng)進(jìn)行第二次極限真空調(diào)試。對真空室進(jìn)行150 ℃，176 h的烘烤后，離子泵同時進(jìn)行烘烤，時間160 h，烘烤時間達(dá)到后開始降溫，24 h 后，由VARIAN UHV-24 電離規(guī)測的極限壓力是7.8×10-8Pa優(yōu)于1.3×10-7Pa的系統(tǒng)真空度要求。壓力隨時間變化曲線如圖4所示。

圖4 壓力隨時間變化曲線

2.2 低溫下超高真空獲得

系統(tǒng)常溫下極限真空調(diào)試獲得后，分別開啟兩臺低溫制冷機進(jìn)行降溫。系統(tǒng)使用兩臺脈沖管低溫制冷機，脈沖管低溫制冷機工作可靠，使用壽命長，因其低溫段無運動部件，所以幾乎沒有震動，這是與其他類型低溫制冷機相比最大的優(yōu)點。光源儲存環(huán)對震動要求非?？量蹋允褂妹}沖管制冷機非常合適。經(jīng)過24 h降溫，系統(tǒng)基本平衡，50 K冷屏溫度降到57 K; 由VARIAN UHV-24 電離規(guī)測的系統(tǒng)真空度是1.7×10-8Pa。壓力、溫度隨時間變化曲線如圖5、6 所示。降溫后系統(tǒng)壓力進(jìn)一步下降，因為冷屏溫度下降到50 K左右時，冷屏的內(nèi)外表面就如同一臺冷凝泵，在平衡溫度下能產(chǎn)生每秒數(shù)千升的抽速，對系統(tǒng)壓力進(jìn)一步降低提供幫助。

圖5 壓力隨時間變化曲線

圖6 溫度隨時間變化曲線

3 結(jié)論

熱負(fù)荷測試裝置超高真空系統(tǒng)常溫下極限真空調(diào)試達(dá)到7.8×10-8Pa，優(yōu)于光源儲存環(huán)真空系統(tǒng)1.3×10-7Pa的真空度要求。通過兩次常溫下真空調(diào)試說明，使用在加速器上的真空室，如條件允許，應(yīng)進(jìn)行真空爐高溫烘烤除氣處理，從而降低材料表面出氣率，因為材料表面出氣是系統(tǒng)主要氣載。如受真空系統(tǒng)尺寸限制不能進(jìn)行真空爐高溫烘烤除氣，必須保證100～150 ℃的烘烤溫度，時間在150～200 h。另外，有效抽速的計算值必須有較大的冗余，系統(tǒng)開始所配泵抽速偏小，后增加兩臺400 L/s吸氣劑泵，效果明顯。熱負(fù)荷測試裝置超高真空系統(tǒng)常溫下真空度優(yōu)于光源真空系統(tǒng)要求，是降低材料表面出氣率和增加系統(tǒng)抽速兩方面作用的結(jié)果。低溫系統(tǒng)工作后可進(jìn)一步降低系統(tǒng)真空度。所以，即使低溫系統(tǒng)發(fā)生故障，也不會影響光源加速器正常運行，因為常溫真空已經(jīng)達(dá)到所要求的指標(biāo)。

目前，熱負(fù)荷測試裝置已在光源儲存環(huán)上工作了1年多的時間，超高真空系統(tǒng)各項指標(biāo)工作正常。

參考文獻(xiàn)：

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