上海光源前端高熱負載擋光器的結構設計與優(yōu)化

李勇軍，張　敏，薛　松*，賈丹丹，金利民

(1.中國科學院 上海應用物理研究所， 上海 201204；2.中國科學院大學， 北京 100049)

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上海光源前端高熱負載擋光器的結構設計與優(yōu)化

李勇軍1，2，張敏1，薛松1*，賈丹丹1，金利民1

(1.中國科學院 上海應用物理研究所， 上海 201204；2.中國科學院大學， 北京 100049)

為了有效處理上海光源前端擋光器接收的高熱負載，研究了擋光器的結構設計及其優(yōu)化方法。選用高導熱性、高強度的GlidCop AL-15制造擋光器吸收體，采用直接水冷和掠入射結構提高其熱緩釋能力。以對流換熱系數(shù)和壓力降為評價指標，選用佩圖克方程和達爾西-韋斯巴赫方程優(yōu)化冷卻水路，通過熱分析得到了不同參數(shù)下?lián)豕馄鞯臏囟群蜔釕Ψ治鼋Y果，從而確定了擋光器的結構設計優(yōu)化參數(shù)。優(yōu)化后擋光器的水路直徑為6 mm，水路到光照面的距離為9 mm，光照面接線處圓角≥2 mm，且水路與光束方向基本平行。與初始結構相比，優(yōu)化后擋光器的最高整體溫度和最高冷卻壁溫度分別下降約8%和1/4，最大等效應力降低了1/2左右，完全滿足上海光源前端部件的設計要求。目前，應用優(yōu)化參數(shù)設計的擋光器已應用于上海光源實際工程中。

上海光源；高熱負載；擋光器；前端；結構設計；熱分析

1　引　言

上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility，SSRF)作為先進的第三代同步輻射裝置，是目前我國最大的國家科學工程項目，其電子儲存環(huán)能量為3.5 GeV，設計流強為300 mA。波蕩器和扭擺器(統(tǒng)稱插入件)安裝在電子儲存環(huán)的直線節(jié)上，可為光束線站提供高性能的同步光，是上海光源的主要發(fā)光器件，也是第三代同步輻射裝置的標志性設備[1-4]。前端介于儲存環(huán)和光束線站之間，是集機械、真空、控制聯(lián)鎖、輻射防護等為一體的綜合系統(tǒng)，主要用于吸收彎轉磁鐵或插入件輻射的高功率同步光，同時具有真空過渡與保護、光束位置測量和人身防護等功能[5-7]。

上海光源二期工程中，BL12SW超硬多功能光束線站將首次采用超導扭擺器光源(Super Conducting Wiggler， SCW)，用于產(chǎn)生高能X射線，最高光子能量將由目前的72.5 keV擴展到150 keV，極大地挖掘出上海光源的產(chǎn)業(yè)應用潛力。該超導扭擺器的峰值功率密度約44.95 kW/mrad2，總功率超過43.3 kW，疊加上、下游彎轉磁鐵的輻射功率后，前端承受的總功率高達45 kW，是上海光源二期熱負載最大的前端。與上海光源一期前端相比，BL12SW前端吸收的輻射功率要高出4～50倍。

擋光器包括固定光闌和光子光閘，是同步輻射前端的核心部件，用于逐級吸收上游儲存環(huán)輸入的高功率同步輻射，同時定義輸出到下游光束線站的光束張角。因長期承受高熱負載同步輻射的直接照射，會造成較高的溫度和熱應力，如何有效處理高熱負載成了擋光器結構設計的關鍵。國際上大多采用增加擋光器數(shù)量和減小掠入射角的方式稀釋同步光功率，如美國先進光子光源(Advanced Photon Source)前端，最大吸收總功率約17.6 kW，共配置了6個擋光器，單個擋光器的縱向長度為690 mm[8]。而上海光源前端的空間有限，無法通過增加擋光器數(shù)量的方式處理高熱負載，加之插入件輻射功率的大幅度提升，BL12SW前端單個擋光器的吸收功率高達14 kW。因此，在實際工況下，通過不斷優(yōu)化擋光器的結構參數(shù)，從而最大限度地提高其熱緩釋能力，成為了解決高熱負載問題的唯一途徑。

本文首先介紹了BL12SW前端的物理要求和總體設計，通過光學追跡得到了擋光器的具體參數(shù)和熱負載分配情況。以對流換熱系數(shù)和壓力降為評價指標，選用佩圖克方程和達爾西-韋斯巴赫方程優(yōu)化冷卻水路，得到了擋光器水路直徑的優(yōu)化范圍和精確的對流換熱系數(shù)。以熱負載最大的固定光闌2為例，采用ANSYS軟件進行熱分析，得到了固定光闌2優(yōu)化前、后的溫度和熱應力結果，從而確定了擋光器的結構設計優(yōu)化參數(shù)。通過對BL12SW其他擋光器的驗算，證明了優(yōu)化參數(shù)的可行性，為上海光源前端高熱負載擋光器的設計提供了技術支撐。

2　擋光器技術要求

BL12SW前端同時承受超導扭擺器和彎轉磁鐵發(fā)出的同步輻射。在進行擋光器結構設計前，必須首先計算光源的輻射總功率和功率密度，并在前端總體布局基礎上，合理分配加載到各個擋光器上的熱負載，進而確定擋光器的技術要求。

2.1光源參數(shù)

表1所示為上海光源儲存環(huán)和超導扭擺器光源的基本參數(shù)。SCW發(fā)出的同步輻射功率密度在水平、垂直方向均近似高斯分布，其輻射功率密度角分布如式(1)所示[9-10]。彎轉磁鐵發(fā)出的輻射功率密度相對較小[11]。

表1　上海光源儲存環(huán)和超導扭擺器參數(shù)

(1)

式中：G(K)為插入件干涉因子，fK(θ，ψ)為輻射功率密度隨水平角度θ和垂直角度ψ的分布函數(shù)。

；

采用日本SPring-8開發(fā)的Spectra軟件，計算得到超導扭擺器的總功率為43.3 kW，峰值功率密度約44.95 kW/mrad2，具體功率密度分布如圖1所示。

圖1　超導扭擺器功率密度分布

2.2擋光器技術要求

BL12SW前端的引入張角為8×1.5 mrad2，為滿足光束線站使用要求，引出張角限定為1.2×0.3 mrad2。上海光源前端空間有限，插入件光束張角通過3個固定光闌逐級約束，1個光子光閘用于阻擋中心光錐。在前端總體布局基礎上，結合光學追跡和功率計算，優(yōu)化得到4個擋光器的技術參數(shù)如表2所示，表中最后一列為光束垂直入射時的峰值功率密度。圖2所示為光束在水平方向的光學追跡，綜合考慮了束流在直線節(jié)和上、下游彎轉磁鐵中的漂移。

3　擋光器初步設計

3.1材料選擇

熱傳導和對流是前端擋光器的主要換熱方式。為提高導熱效率，吸收體材料大多選用無氧銅或者彌散強化銅合金GlidCop AL-15，其材料屬性如表3所示[12]，本文選用強度更高的GlidCop AL-15。

從工程實際出發(fā)，上海光源前端GlidCop AL-15擋光器必須同時滿足以下設計準則：

(1)最大等效應力≤ 420 MPa。

(2)整體最高溫度≤ 300℃。

(3)冷卻壁最高溫度≤ 100℃。

3.2擋光器初步設計

BL12SW前端的4個擋光器均采用整體型直接水冷結構，可以避免使用真空內(nèi)水的封接結構。為了降低功率密度，同步輻射以掠入射方式照射在吸收體內(nèi)部的傾斜平面上，擋光器縱向長度≤580 mm。圖3所示為固定光闌的初始設計結構，由吸收體、蓋板、水管接頭、接管和法蘭等組成，各部分通過電子束焊和釬焊形成密封的真空腔體，吸收體的水路直徑D=8 mm，水路到光照面的距離H=8 mm，光照面接線處圓角R=0.5 mm，水路與光束方向基本垂直。

圖3　擋光器初始結構

上海光源使用去離子水冷卻前端擋光器，水流量為8 L/min，進水溫度為30℃，供水壓力和回水壓力分別為7×105Pa和2.5×105Pa。為提高換熱效率，首先需要優(yōu)化水路直徑，以確保冷卻水處于湍流狀態(tài)，進而獲得較高的對流換熱系數(shù)。同時需要考慮水流的壓力降，確保冷卻水的單向流動。

佩圖克方程適用于管內(nèi)湍流流動[13-14]，可以用于計算流體的對流換熱系數(shù)h：

(2)

式中：D為水路直徑，k為流體的導熱系數(shù)，Pr為普朗特數(shù)；f為摩擦因子，可由穆迪圖查出；ReD=VD/ν為雷諾數(shù)，其中V和ν分別為流體的平均流速和運動黏度。實際工況下，水路直徑是影響對流換熱系數(shù)的決定性因素。

式(3)為達爾西-韋斯巴赫方程[15-16]，用于計算流體的沿程壓力降：

(3)

式中：L為水路長度，ρ為流體密度?？芍?，水路直徑是沿程壓力降的主要影響因素。

圖4所示為水路直徑D與對流換熱系數(shù)h和壓力降ΔP的關系。在水流量一定的情況下，隨著D的減小，對流換熱系數(shù)h會逐漸增大，然而壓力降ΔP也會不斷升高。因此，D為6～9 mm 是比較合理的選擇。

圖4　水路直徑與h和ΔP的關系

4　擋光器的熱分析與結構優(yōu)化

吸收體直接承受同步輻射的照射，是擋光器的主體部分，熱分析時只需對吸收體進行有限元建模。其水路直徑D、水路到光照面的距離H、光照面接線處圓角R以及水路方向是主要的結構參數(shù)和優(yōu)化對象。通過熱分析，可以獲得吸收體在同步輻射正常入射和光束漂移時的溫度和熱應力結果，進而調(diào)整并得到吸收體的優(yōu)化設計參數(shù)。

4.1熱分析

為進行吸收體的熱分析，首先使用Spectra軟件計算從插入件和彎轉磁鐵發(fā)出的同步輻射功率的空間分布，并存入TABLE表中。利用ANSYS軟件的參數(shù)化設計語言和表格加載技術，將功率密度分布數(shù)據(jù)直接加載到有限元模型上，避免了函數(shù)擬合引起的誤差，提高了熱負載加載精度。根據(jù)3.2擋光器初步設計的計算結果，輸入精確的對流換熱系數(shù)值，得到吸收體的整體溫度分布和冷卻壁溫度分布。最后通過熱-應力耦合分析得到吸收體的熱應力分布。該方法得到的結果比實際測量值偏大，可以保證擋光器在工程應用中的可靠和安全[17]。

4.2熱分析結果

固定光闌2是熱負載和峰值功率密度最大的擋光器，圖5所示為水路直徑D為6～9 mm的熱分析結果，當D=6 mm時，吸收體的最大等效應力、最高整體溫度和最高冷卻壁溫度都最低。從加工工藝性考慮，也可以采用方形水路，水路邊長為6 mm仍然是最佳選擇。

圖5　水路直徑對熱分析結果的影響

同理，熱分析結果顯示，水路到光照面的距離H越小，吸收體的等效應力越低，但冷卻壁溫度越高；隨著光照面接線處圓角R的減小，等效應力急劇增大，說明R是影響等效應力的主要因素；相比與光束方向垂直的水路結構，水路與光束方向基本平行時的等效應力和溫度都更低。圖6所示為固定光闌2的優(yōu)化結構示意圖，即D=6 mm，H=9 mm，R=2.5 mm，水路與光束方向基本平行。

圖6　擋光器優(yōu)化結構

固定光闌2初始結構和優(yōu)化結構在光束漂移時的整體溫度、冷卻壁溫度、等效應力分布云圖分別如圖7～9所示。兩種結構的最高整體溫度均位于接收的最高功率密度處；最高冷卻壁溫度靠近最高整體溫度點；最大等效應力均位于光照面接線處，與最高溫度位置并不重合。這說明擋光器的最大等效應力主要是由于熱膨脹在結構凹角處引起的應力集中，而原始熱應力所占的比重較小。

(a)優(yōu)化前

(b)優(yōu)化后

(a)優(yōu)化前

(b)優(yōu)化后

(a)優(yōu)化前

(b)優(yōu)化后

表4所示為固定光闌2在同步輻射正常入射和漂移時的熱分析結果。光束漂移時，初始結構的最大等效應力為374.5 MPa，接近失效閾值，而優(yōu)化結構的最大等效應力僅182.1 MPa，下降幅度達192.4 MPa，下降比例超過了51%；最高整體溫度和最高冷卻壁溫度分別下降約8%和25%。同步輻射正常入射時，優(yōu)化結構同樣明顯優(yōu)于初始結構，最高溫度和最大等效應力的下降比例與光束漂移時相當。相比正常入射，光束漂移時會造成更高的溫度和等效應力。

表4　固定光闌2的熱分析結果

固定光闌3和光子光閘位于前端下游，其通光孔徑逐漸縮小，光照面接線處圓角也相應減小，造成更嚴重的應力集中，因而最大等效應力比固定光闌2更高。光束漂移時，由于功率密度的急劇上升，固定光闌3和光子光閘的最高整體溫度和冷卻壁溫度都有一定的提升，但都滿足上海光源前端擋光器的設計準則。表5所示為3個擋光器的熱分析結果。

表5　光束漂移時的熱分析結果

5　結　論

針對上海光源二期熱負載最大的BL12SW前端，選用佩圖克方程和達爾西-韋斯巴赫方程優(yōu)化冷卻水路，采用ANSYS軟件進行熱分析，得到了擋光器的結構設計優(yōu)化參數(shù)：水路直徑D=6 mm，水路到光照面的距離H=9 mm，光照面接線處圓角R≥2 mm，且水路與光束方向基本平行。如不便于加工圓形水路，同樣可以采用邊長為6 mm的方形水路。

熱分析結果顯示，與初始結構相比，光束漂移時固定光闌2優(yōu)化結構的最大等效應力從374.5 MPa 下降到182.1 MPa，其熱負載能力提高了一倍；最高整體溫度和最高冷卻壁溫度分別下降約8%和25%。采用上述優(yōu)化參數(shù)后，所有擋光器的最大等效應力和最高溫度均滿足上海光源前端的設計準則，證明了優(yōu)化參數(shù)的可行性，并已應用于上海光源實際工程中。

[1]JIANG M H， YANG X， XU H J，etal.. Shanghai synchrotron radiation facility [J].ChineseScienceBulletin， 2009， 54(22)： 4171-4181.

[2]高颯颯， 盧啟鵬， 彭忠琦， 等. 超高真空精密四刀狹縫的結構原理及有限元分析[J]. 光學 精密工程， 2013， 21(7)： 1741-1747.

GAO S S， LU Q P， PENG ZH Q，etal.. Principal and finite element analysis on UHV four-knife precision slit structure [J].Opt.PrecisionEng.， 2013， 21(7)： 1741-1747.(in Chinese)

[3]馬磊， 盧啟鵬， 彭忠琦. 譜學顯微光束線光斑水平漂移分析與檢測[J]. 光學 精密工程， 2012， 20(3)： 514-519.

MA L，LU Q P， PENG ZH Q. Analysis and test of light spot transversal transfer of spectromicroscopic beamline [J].Opt.PrecisionEng.， 2012， 20(3)： 514-519.(in Chinese)

[4]盧啟鵬， 馬磊， 彭忠琦. 變包含角平面光柵單色器掃描轉角精度的檢測[J]. 光學 精密工程， 2010， 18(7)： 1548-1553.LU Q P，MA L， PENG ZH Q. Rotation-angle-accuracy measurement of scanning mechanism in variable included angle plane grating monochromater [J].Opt.PrecisionEng.， 2010， 18(7)： 1548-1553.(in Chinese)

[5]吳冠原. 上海光源前端區(qū)工程設計報告[R]. 2006.

WU G Y.EngineeringdesignreportforSSRFfront-end[R]. 2006.(in Chinese)

[6]SHU D M， RAMANATHAN M. Design studies of the APS canted undulator beamline front ends [J].ReviewofScientificInstruments， 2002， 73(3)： 1580-1582.

[7]SAKURAI Y， OURA M， TAKAHASHI S，etal.. Present status and performance of SPring-8 front ends [J].JournalofSynchrotronRadiation， 1998， 18(5)： 1195-1198.

[8]JASKI Y.ThermalanalysisofthecomponentsoftheinsertiondevicefrontendsFEv1.2andFEv1.5 [R]. 2005.

[9]徐朝銀. 同步輻射光學與工程[M]. 合肥： 中國科學技術大學出版社， 2013.

XU CH Y.OpticsandEngineeringofSynchrotronRadiation[M]. Hefei： Press of University of Science and Technology of China， 2013.(in Chinese)

[10]麥振洪. 同步輻射光源及其應用[M]. 北京： 科學出版社， 2013.MAI ZH H.SynchrotronRadiationandItsApplication[M]. Beijing： Science Press， 2013.(in Chinese)

[11]XU ZH M， FENG X K， WANG N X，etal.. Thermal analysis of the first canted-undulator front-end components at SSRF [J].NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchA， 2015， 774： 94-102.

[12]North American Hoganas High Alloys LLC.GlidCoptechnicalbook[OL]. http：//www.hoganas.com/NAH.[13]GNIELINSKI V. New equations for heat and mass transfer in turbulent pipe and channel flow [J].InternationalChemicalEngineering， 1976， 16(2)： 359-368.

[14]王厚華， 周根民， 李新禹. 傳熱學[M]. 重慶： 重慶大學出版社， 2006.

WANG H H， ZHOU G M， LI X Y.HeatTransfer[M]. Chongqing： Chongqing University Press， 2006.(in Chinese)

[15]KUAN C K， SHENG I C， LIN H Y，etal.. Heat-transfer analysis of a water-cooled channel for the TPS front-end components [C].ProceedingsoftheFourthInternationalParticleAcceleratorConference，Shanghai，P.R.China： IPAC， 2013： 3466-3468.

[16]張也影. 流體力學[M]. 北京： 高等教育出版社， 1999.

ZHANG Y Y.FluidDynamics[M]. Beijing： Higher Education Press， 1999.(in Chinese)

[17]王納秀， 劉石磊， 徐中民， 等. SSRF活動光子擋光器的模擬與實驗結果比較[J]. 核技術， 2011， 34(3)： 165-168.

WANG N X， LIU SH L， XU ZH M，etal.. Comparison of photon shutter temperature measured in the front end of insertion devices at SSRF with the FEA simulation results [J].NuclearTechniques， 2011， 34(3)： 165-168.(in Chinese)

李勇軍(1983-)，男，湖南益陽人，博士研究生，助理研究員，2006年于中南大學獲得學士學位，2009年于中國科學院研究生院獲得碩士學位，主要從事同步輻射光學工程方面的研究。E-mail： liyongjun@sinap.ac.cn

導師簡介：

薛松(1962-)，男，天津人，研究員，博士生導師，1984年于東北工學院獲得學士學位，主要從事同步輻射光學工程方面的研究。E-mail： xuesong@sinap. ac.cn

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Structure design and optimization of high heat load absorbers in SSRF front-end

LI Yong-jun1，2， ZHANG Min1， XUE Song1*， JIA Dan-dan1， JIN Li-min1

(1.ShanghaiInstituteofAppliedPhysics，ChineseAcademyofSciences，Shanghai201204，China；2.UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049，China)

*Correspondingauthor，E-mail：xuesong@sinap.ac.cn

To handle the high heat load obtained by photon absorbers located in the front-end of Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF), the structure design and optimization of photon absorbers were researched. The dispersion strengthened copper called GlidCop AL-15 was used to manufacture the absorbers. Direct water cooling and grazing incidence structures were used to improve thermal controlled-release ability of the front-end photon absorbers. The Petukhov formula and Darcy-Weisbach formula were selected to optimize cooling water channels. After thermal analysis with ANSYS for the temperature and thermal stress distributions of photon absorbers with different structure parameters, the structure optimization parameters of photon absorbers were determined. It shows that the diameter of cooling channels is 6 mm, the distance of photon confining surfaces to cooling channel walls is 9 mm, corner radiuses of two adjacent photon confining surfaces are bigger than 2 mm and the directions of cooling channels are parallel to the beam approximately. As compared to the original ones, the maximum temperatures of the photon absorbers and their cooling channel walls have declined by 8% and 1/4 respectively, the maximum equivalent stresse is only by half of the original ones. These results entirely satisfy the design requirements of SSRF front-end.

Shanghai Synchrotron Radiation Facility(SSRF); high heat load; photon absorber; front-end; structure design; thermal analysis

2016-01-18；

2016-02-26.

上海光源線站工程關鍵技術預制研究資助項目(No.1173001402)

1004-924X(2016)07-1640-07

TL632

Adoi:10.3788/OPE.20162407.1640