國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室的合肥光源為了適應(yīng)科學(xué)研究的發(fā)展，自2009 年開始進(jìn)行重大維修改造項(xiàng)目。新的合肥光源注入器要求工作在800 MeV，為滿足注入器的性能提升，直線加速器的真空系統(tǒng)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)及安裝調(diào)試，指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，目前運(yùn)行狀態(tài)良好，為合肥光源的滿能量模式調(diào)試提供必要的技術(shù)支持。

　　作為合肥光源升級(jí)改造項(xiàng)目的一部分，對(duì)合肥光源電子儲(chǔ)存環(huán)的注入器—電子直線加速器在2009 年至2013 年進(jìn)行了升級(jí)改造工作，其目的是將直線加速器的能量由原200 MeV 升高至800 MeV 以實(shí)現(xiàn)滿能量注入，為此采取了新的電子槍、加速管以及磁鐵聚焦結(jié)構(gòu)，因而直線加速器的真空系統(tǒng)也進(jìn)行了全新的設(shè)計(jì)及調(diào)試^[1，2]。

1、概述

　　合肥光源的直線加速器，其束流軸線部件主要組成部分為電子槍、預(yù)聚束器、聚束器、8 個(gè)六米加速段，以及真空、束流測(cè)量部件組成，同時(shí)還有為加速管提供微波功率的微波波導(dǎo)系統(tǒng)。其中除八套微波功率源系統(tǒng)(包括調(diào)制器、速調(diào)管)和六臺(tái)能量倍增器(SLED) 位于速調(diào)管走廊內(nèi)，其他各部分位于半地下坑道內(nèi)。直線加速器各組成部分都要求工作在真空狀態(tài)，各主要部件運(yùn)行的真空指標(biāo)如表1 所示^{[1，3，4]}。

　　為滿足不同組件對(duì)真空度的要求，將真空系統(tǒng)分為加速管真空系統(tǒng)和波導(dǎo)真空系統(tǒng)兩部分，二者之間由微波陶瓷窗分隔。局部的直線加速器真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

表1 直線加速器各主要部件要求的工作真空度

1.電子槍；2.全金屬插板閥；3.聚束器；4.六米加速段；5.濺射離子泵；6.陶瓷窗；7.波導(dǎo)系統(tǒng)

圖1 合肥光源直線加速器真空系統(tǒng)局部

2、真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　為得到符合要求的真空系統(tǒng)，需要綜合考慮其技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性，為此合肥光源的直線加速器真空系統(tǒng)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。

2.1、相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算

　　在真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初需要對(duì)真空獲得系統(tǒng)泵分布，壓強(qiáng)曲線等進(jìn)行計(jì)算，從而得到滿足要求的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。對(duì)于直線加速管，其核心部件是由兩個(gè)三米加速管組成的六米加速段，每個(gè)3 米加速段由86 個(gè)不同尺寸的加速腔串聯(lián)焊接而成，與細(xì)長(zhǎng)管道的壓強(qiáng)分布類似，其中心真空度取決于端口真空度及腔體形狀和材料特性，其計(jì)算公式如下^{[2，3，5]}：

　　其中：pn 為加速管中心單腔壓強(qiáng)，每個(gè)單腔的流導(dǎo)為cx，每個(gè)單腔放氣為Qx。p0 為加速管入口單腔處壓強(qiáng)，Sp 為在第一個(gè)單腔抽氣口側(cè)的離子泵有效抽速。

　　將無氧銅等梯度加速管的參數(shù)代入公式，所得的計(jì)算結(jié)果如下圖2 所示。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.lalazzu.cn/)據(jù)此進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)(選泵、泵位置、抽氣結(jié)構(gòu)等)設(shè)計(jì)。

圖2 加速管中壓降隨腔數(shù)變化曲線

2.2、真空獲得系統(tǒng)

　　為實(shí)現(xiàn)電子槍安全高效運(yùn)行，電子槍真空系統(tǒng)是直線真空系統(tǒng)中要求最高的部分。同時(shí)電子槍類型為柵控?zé)彡帢O電子槍，在運(yùn)行時(shí)其出氣負(fù)載也相應(yīng)提高，為此我們采用一臺(tái)抽速為200 L/s的濺射離子泵(SIP)作為主抽泵，電子槍系統(tǒng)通過一只CF35 全金屬閘板閥與下游聚束器段真空室相連，此外安裝有全金屬角閥用于分子泵機(jī)組對(duì)電子槍系統(tǒng)的預(yù)抽。電子槍系統(tǒng)必須在經(jīng)過離線調(diào)試后，真空和物理性能符合要求后安裝于預(yù)定位置。電子槍隔斷閥門和直線加速器末端隔斷閥門之間直線加速管、真空部件、束測(cè)元件構(gòu)成了直線加速器真空系統(tǒng)，軸向全長(zhǎng)約為73 米。設(shè)計(jì)除加速管及特殊要求真空室外均采用內(nèi)徑為35 mm的不銹鋼管道，并采用濺射離子泵作為主真空泵。真空系統(tǒng)部件包括加速管、Q 鐵真空室、漂移段真空室、刮束器、束測(cè)元件真空室、波紋管、離子泵、閥門、真空計(jì)、分子泵接口和充氣閥。隔斷閥門采用全金屬閘板閥；分子泵接口閥門采用全金屬角閥；濺射離子泵不放置在直線加速器管道軸線上，而是在每個(gè)6 米段加速管的兩個(gè)微波耦合輸入接口處各放置一只100 L/S 的濺射離子泵泵站，這樣，每個(gè)6 米段是由2 只離子泵完成高真空獲得；由于每個(gè)加速管之間由Q 鐵真空室或漂移段真空室連接，除在較長(zhǎng)的真空管道處布置一臺(tái)濺射離子泵外，長(zhǎng)度小于1 米的連接段不布置離子泵站；系統(tǒng)粗抽由分子泵機(jī)組通過分子泵接口完成，真空度好于1×10^-3 Pa 時(shí)啟動(dòng)濺射離子泵。經(jīng)過改造的合肥光源直線加速器共布置濺射離子泵48 臺(tái)，全金屬插板閥4 只，全金屬角閥20 只。

2.3、真空測(cè)量系統(tǒng)

　　由于不同的部分要求的真空度不同，一般來說電子束運(yùn)行其中的直線加速器束流軌道部分要求的真空度較好，而供微波功率通過的波導(dǎo)系統(tǒng)的真空度要求相對(duì)較低，而且加速管的真空度測(cè)量點(diǎn)布置不能影響電子束束流，并能長(zhǎng)期工作在輻射環(huán)境之中。

　　綜合考慮以上要求和成本，在合肥光源的改造工程中直線加速器的主要部分，包括電子槍、預(yù)聚束器、8 只六米加速段以及8 只速調(diào)管波導(dǎo)系統(tǒng)均設(shè)置一個(gè)真空測(cè)量點(diǎn)，共18 個(gè)測(cè)量點(diǎn)。我們選用測(cè)量下限為1×10^-8 Pa 的冷陰極規(guī)管(CCG)IKR060 作為直線加速器真空度的測(cè)量規(guī)管，其安裝位置位于直線加速器坑道內(nèi)，同時(shí)采用測(cè)量下限為1×10^-7 Pa 的冷陰極規(guī)管IKR050測(cè)量波導(dǎo)部分真空度，其安裝位置位于速調(diào)管走廊內(nèi)。真空計(jì)選用與之配套的TPG300 真空計(jì)，通過配用不同的測(cè)量插板完成測(cè)量，真空規(guī)管與真空計(jì)之間采用高壓電纜SYS-75-5 以及SHV 高壓接頭相連，在每臺(tái)真空計(jì)上還配有通訊接口板以完成真空度數(shù)據(jù)與控制系統(tǒng)的接口，同時(shí)輸出設(shè)定真空閾值的繼電器信號(hào)以完成連鎖保護(hù)。

2.4、真空連鎖保護(hù)系統(tǒng)

　　在合肥光源的直線加速器運(yùn)行中，真空度是系統(tǒng)運(yùn)行的必要條件，如果有突發(fā)事件的發(fā)生，對(duì)真空系統(tǒng)造成劇烈影響導(dǎo)致真空度降低的同時(shí)會(huì)造成電子槍以及功率部件的損壞，因此將真空度引入連鎖保護(hù)系統(tǒng)中。通過真空計(jì)配用的通訊接口板，輸出真空閾值的繼電器信號(hào)，只有在真空度滿足設(shè)定值時(shí)，其測(cè)量點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的功率部件才能處于工作狀態(tài)。這一連鎖保護(hù)系統(tǒng)在直線加速器以及波導(dǎo)系統(tǒng)的老煉過程中起到了無可替代的重要作用，在完成工作的同時(shí)保護(hù)了功率器件和波導(dǎo)元件。

　　為防止突發(fā)事件，將閥門控制系統(tǒng)也引入連鎖保護(hù)之中。在真空度急劇變差時(shí)，電子槍及直線加速器部分的4 只全金屬插板閥將落下，將直線加速器分成4 個(gè)獨(dú)立部分，以期將損失盡量減小。此控制由EPICS 控制系統(tǒng)完成。

圖3 改造之后的合肥光源直線加速器

3、合肥光源直線加速器真空系統(tǒng)的安裝調(diào)試

　　直線加速器器真空系統(tǒng)的真空閥門和真空規(guī)管、真空計(jì)等在2012 年初已經(jīng)到貨完畢。由外協(xié)廠家加工的真空系統(tǒng)部件，包括各種離子泵及真空室于2012 年6 月交貨。到貨后的真空系統(tǒng)部件為方便隨后進(jìn)行的安裝工作，進(jìn)行了如下一些準(zhǔn)備工作：

　　1. 按照?qǐng)D紙?jiān)O(shè)計(jì)，將系統(tǒng)包含的固定組件，如離子泵泵站段，包括真空室，規(guī)管，角閥，法蘭等進(jìn)行組裝；

　　2. 組裝的組件按照相應(yīng)的安裝位置進(jìn)行標(biāo)號(hào)，即每一件對(duì)應(yīng)單獨(dú)的安裝位置，在安裝時(shí)可將其運(yùn)送至安裝位置附近，便于管理，在隨后的安裝中證明這是非常有效的，提高了工作效率；

　　3. 部分組件進(jìn)行真空氦質(zhì)譜檢漏；

　　4. 真空計(jì)、插板按照現(xiàn)場(chǎng)要求進(jìn)行組裝，并全部通電測(cè)試，并由控制組人員測(cè)試通訊及與控制系統(tǒng)的接口。

　　全部離線調(diào)試工作于2012 年7 月完成。為配合電子槍電子學(xué)系統(tǒng)的調(diào)試工作，首先在核物理大廳組裝了電子槍真空系統(tǒng)并進(jìn)行真空調(diào)試，電子槍真空系統(tǒng)調(diào)試后的真空度達(dá)到1.0×10^-7 Pa。

　　2012 年12 月開始進(jìn)行直線加速器安裝，期間出現(xiàn)的主要問題是發(fā)現(xiàn)部分波導(dǎo)密封面出現(xiàn)問題，導(dǎo)致真空檢漏未通過，為此將有關(guān)部件返廠修理。在2013 年5 月下旬，全部波導(dǎo)到貨并安裝完成，隨后將核物理大廳的電子槍真空系統(tǒng)及組件搬運(yùn)至坑道安裝。由于整個(gè)真空系統(tǒng)為幾個(gè)獨(dú)立部分，烘烤階段維持用分子泵機(jī)組數(shù)量有限，因此分幾步完成真空烘烤過程。6 月初完成直線加速器真空烘烤及離子泵啟動(dòng)，6 月中旬分兩組完成速調(diào)管波導(dǎo)真空系統(tǒng)烘烤及離子泵啟動(dòng)。安裝之后的直線加速器系統(tǒng)真空度隨時(shí)間變化，隨著加速管及波導(dǎo)系統(tǒng)在經(jīng)過微波功率老煉后波導(dǎo)元件器壁放氣量的降低，真空度也不斷變好。下表為直線加速器各測(cè)量點(diǎn)的真空度，其中老煉前真空度為經(jīng)過2 個(gè)月的離子泵排氣后測(cè)得真空度，為靜態(tài)真空度，而老煉后的真空度為在有微波功率以及電子束流的正常工作狀態(tài)下測(cè)得數(shù)值，為動(dòng)態(tài)真空度，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.lalazzu.cn/)認(rèn)為由此可見HLSII 的直線加速器真空系統(tǒng)優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)，滿足直線加速器系統(tǒng)的運(yùn)行要求。

表2 合肥光源直線加速器各部分真空度 單位：Pascal

4、總結(jié)

　　合肥光源的直線加速器真空系統(tǒng)為符合合肥光源改造工作的要求進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，新的直線加速器真空系統(tǒng)已經(jīng)安裝調(diào)試完成，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。目前已經(jīng)投入運(yùn)行，工作穩(wěn)定可靠，為合肥光源800 MeV 直線加速器的運(yùn)行提供良好的真空環(huán)境和有力保障。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 合肥光源重大維修改造項(xiàng)目注入器預(yù)研報(bào)告(內(nèi)部)，2009.

　　[2] 裴元吉.電子直線加速器設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2012.

　　[3] 崔遂先，王榮宗，編著.超高真空[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

　　[4] 鄧秉林，周錦寶，薛紀(jì)欽，等.BEPCⅡ直線加速器真空系統(tǒng)[J].真空，2007，44(2)：12-14.

　　[5] 達(dá)道安.真空設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1995.