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题名:
上海光源高热负载前端区的系统设计与研究
作者: 李勇军
学位类别: 博士
答辩日期: 2016
授予单位: 中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)
导师: 薛松
关键词: 高热负载 ; 前端区 ; 光子吸收器 ; 数值模拟 ; 电子束焊
中文摘要: 上海光源(Shanghai synchrotron radiation facility, SSRF)是一台先进的第三代中能同步辐射装置,其电子储存环能量为3.5GeV,设计流强为300mA,自然发散度为3.9nm-rad。前端区是同步辐射装置的重要组成部分,介于电子储存环和光束线之间,是一个集机械、真空、控制联锁、辐射防护等为一体的综合系统。光子吸收器是前端区的核心部件,主要用于吸收弯转磁铁或插入件辐射的高功率同步光,同时定义输出到光束线的光束张角。上海光源线站工程(二期)中,超硬多功能光束线站首次采用超导扭摆器光源,前端区接收的辐射总功率高达44.7kW,峰值功率密度约45kW/mrad2,是目前第三代同步辐射装置热负载最高的前端区。与SSRF已运行前端区相比,超硬多功能前端区吸收的辐射功率要高出4至64倍。热负载的大幅提升,对前端区系统设计,尤其是光子吸收器的研制提出了前所未有的挑战。本文针对超硬多功能前端区,首先完成了系统的两种总体设计,包括总体布局、光学追迹、功率分配和真空设计,并最终确定了各个光子吸收器的技术要求。两种总体设计下,辐射功率分别由4个光子吸收器(简称4A布局)和5个光子吸收器(简称5A布局)逐级吸收。从传热学基本理论出发,选用高导热性高强度的Glidcop Al-15制造前端区光子吸收器的吸收体,采用直接水冷和掠入射结构提高光子吸收器的热缓释能力。以对流换热系数和压力降为评价指标,选用佩图克方程和达尔西-韦斯巴赫方程优化冷却水路,得到了光子吸收器水路管径的优化范围和精确的对流换热系数。采用有限元分析软件ANSYS进行数值模拟,得到了超硬多功能前端区光子吸收器不同参数下的温度和热应力分析结果,进而优化并确定其结构参数为:水路管径为6mm,水路到受光表面的距离为9mm,内腔圆角半径≥2mm,受光表面粗糙度≤6.3μm,且水路与光轴基本平行。数值模拟结果表明,5A布局中的光子吸收器不满足设计准则的要求,而4A布局仍有较大的安全系数,甚至可以吸收电子储存环电子束流强升至500mA时的热负载。光子吸收器的工艺研究是超硬多功能前端区成功与否的关键。国外同类装置大多采用增加光子吸收器数量的方式处理高热负载,而SSRF前端区空间有限,本文首次提出电子束焊接式光子吸收器的设计方案,在确保加工精度的前提下,可以有效加大吸收体的纵向长度,从而降低同步辐射的功率密度,大幅提高光子吸收器的热缓释能力。利用金相显微镜和扫描电子显微镜分析了Glidcop钎焊接头和电子束焊接头的微观组织,通过真空密封试验得到了焊接接头的真空性能。通过拉伸试验和疲劳试验得到了焊接接头在20℃、100℃和200℃下的拉伸力学性能和疲劳性能,进而整理并首次提出了Glidcop电子束焊接头的设计准则。结果表明,Glidcop焊接接头完全满足SSRF前端区的超高真空要求;相比钎焊接头,电子束焊接头的强度更高,塑性更好,焊接性能更稳定,可以应用于超硬多功能前端区的固定光阑1和固定光阑2。中走丝线切割是高热负载光子吸收器的另一种工艺方案。相比焊接式方案,中走丝型光子吸收器兼顾机械强度和加工工艺性,但尺寸精度低于慢走丝型光子吸收器,可以应用于超硬多功能前端区的光子光闸。通过不断调整工艺参数,现已完成光子光闸的实际研制,实现了中走丝在同步辐射前端区的首次应用。
语种: 中文
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/26080
Appears in Collections:中科院上海应用物理研究所2011-2017年_学位论文

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作者单位: 中国科学院上海应用物理研究所

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李勇军. 上海光源高热负载前端区的系统设计与研究[D]. 中国科学院研究生院(上海应用物理研究所). 2016-01-01.
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