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同步加速器真空室

设计同步加速器真空室的主要参数有:孔径、工作压力、抽气设备布局、辐射条件、主导磁场特性等。而这些原始数据是由加速器物理方案及技术经济效果统筹考虑来确定的。
同步加速器对真空室要求比较苛刻,有些要求还相互矛盾。通常对设计真空室提出的主要要求有:
①在磁铁间隙中设置真空室时,应该考虑对磁场干扰最小,一般不可超过中心磁场的1%。所以,真空室的材料应该是非磁性的,并要有低的电导率。为使涡流引起的扰动场不超过允许值,真空室的金属部分应有良好的形状及尺寸以利于导电。
②真空室器壁有足够的导电性,以传走人射到壁上的粒子产生的静电荷,使表面电位近似等于地电位。
③真空室壁要薄,以保证充分利用磁铁间隙及减小涡流。
④器壁材料在强烈电磁辐射及微粒子辐射下出气率要小。
⑤器壁材料在粒子辐射下,机械性能、电学特性、磁特性要稳定。
⑥真空室工艺要简单,检修方便,造价要低。满足上述要求最好是薄壁波纹管状真空室,波纹管材为1Cr18Ni9Ti不锈钢,或者电阻高的非磁性合金及铝材。波纹管壁厚、波高、波距取决于磁场特性。波形真空室可以用不同方法成型,如机械滚压、液压成型、焊接成型等。
波形真空室成功地用于能量为7GeV质子同步加速器上。此加速器真空室由112段处于磁铁间隙中的曲线节及相同数量直线节构成。大部分曲线节是椭圆形截面,轴长分别为114m及84mm,两端焊上法兰,总长约2m。除椭圆管外,还有圃管,是用0.3mm不锈钢板滚压成型,再用接触焊焊制。此波纹管波高3mm,波距7mm。
为了消除波纹管的机械应力,曲线节在真空炉中加热到800t,进行真空退火。
相似结构的真空室还用于能量76GeV的质子同步加速器中。加速器真空室共有120段,每段长约llm。曲线节是椭圆形截面焊接波纹管,轴长分别为195m及115mm,波高为5.8mm,波距为10.8mm,壁厚为0.4mm,材料为1Cr18Ni9Ti不锈钢。
同步加速器椭圆形截面真空室,在静截荷(大气压、安装截荷)和动载荷(电磁铁振动)联合作用下,材料产生复杂的应力,又要受到涡流加热。因而,建造这种薄壁真空室时,必须仔细核算真空室壁的持久强度及稳定性。
在电子同步加速器中,加速循环频率变为10Hz。在此条件下,由于磁场畴变及真空室受到涡流加热,甚至采用波纹管状真空室也很困难了。因此,这类加速器常采用内表面为金属的电介质材料真空室。苏联 EPI 1电子同步加速器便采用了这类材料。加速器每段由48个曲线节构成,其截面为椭回形,轴长分别为120m及42mm,长为380mm。曲线节里布有金属骨
架,并有径向切口,口宽为0.3mm^-0.5mm,节距为12mm,骨架壁厚1.5mm。切口尺寸及位置的选择需考虑对磁场影响。金属骨架的外面是环载树脂枯接的玻瑞纤维层,此层是在专用设备上,在150℃一1601温度下,经28h加热压制而成的。砚盖层1mm厚便可以满足当时气密性要求。但是真空室运转了四年,发现气密性变差,改为氧化铝陶瓷材料。脚瓷成分为97%A1203,1.5%Si02。以及少A的MnO.MgO,TtOO。每个曲线节长350mm,两端封接钢镍合金管,再用等离子体焊制成大的曲线节,每节长3700mmo陶瓷内壁涂有金属层,电阻约4013,此电阻兼做电阻式加热器,用于烘烤。真空室可拆卸部分,用截面直径2mm铝丝密封。
同步加速器真空室很长,制造时需要分为若干段,分别时应考虑抽气机组的布置,以改善真空室中的压力分布。有的真空室使用嵌人式溅射离子泵,可以得到每米100L/s的抽速。这样,既利用了磁极的边缘磁场,又改善了压力分布。
电子贮存环(即高能电子同步加速器)由于存在较强的同步辐射,高通童光子打到真空室壁上,能I密度高达10kW/cm2。因而,真空室必须采用水冷却,把热里带走。此外,同步辐射还会使真空室壁产生激发解吸,比通常的热解吸高得多。如束流在真空室回旋时,系统的压力可升高三个数t级。
在大型电子贮存环中,有时瞬时束流高达2000A,这种高强束流在真空室截面变化处,如波纹管、法兰等可能产生激发式高频寄生损失,将导致来流不稳定及真空元件过热。为此电子贮存环的真空室不能设计成不规则或有台阶的。真空室截面变化处要有良好的水冷。


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