【文章內(nèi)容簡介】 械加工焊接類型。由于儲(chǔ)存環(huán)對(duì)撞段真空管彎轉(zhuǎn)半徑小、角度大，采用型材彎曲成形易造成較大尺寸誤差，且難以保證對(duì)撞段真空管間的一致性，而機(jī)械加工焊接類型能夠保證高精度對(duì)撞段真空管尺寸，且對(duì)撞段真空管強(qiáng)度高。在對(duì)對(duì)撞段真空管結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行一系列分析的基礎(chǔ)上，參考國外相似現(xiàn)有對(duì)撞段真空管主要工藝類型，結(jié)合國內(nèi)鋁合金部件加工工藝狀況，確定儲(chǔ)存環(huán)對(duì)撞段真空管采用機(jī)械加工焊接工藝類型。對(duì)撞段真空管主體由上下兩片組成，單片對(duì)撞段真空管零件由整塊板材通過機(jī)械加工方法形成內(nèi)外表面，上下兩片扣合后沿側(cè)面輪廓對(duì)焊形成整體對(duì)撞段真空管結(jié)構(gòu)，其橫截面如圖所示。1．8 影響真空室設(shè)計(jì)的物理因素分析儲(chǔ)存環(huán)物理設(shè)計(jì)是真空室設(shè)計(jì)的根本前提，在物理設(shè)計(jì)中對(duì)真空室的設(shè)計(jì)提出了各種直接的及間接的要求，同時(shí)物理設(shè)計(jì)及由其確定的相關(guān)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)真空室的選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了各種限制條件。真空室的設(shè)計(jì)是在保證物理設(shè)計(jì)要求，并與各相關(guān)系統(tǒng)不斷相互協(xié)調(diào)下進(jìn)行的。在進(jìn)行真空室設(shè)計(jì)中，明確與儲(chǔ)存環(huán)真空室相關(guān)的各類基本物理關(guān)系與要求是十分必要的，同時(shí)也是真空室設(shè)計(jì)研究的基礎(chǔ)。1．8．1 束流通道尺寸束流通道截面尺寸是真空室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要首先確定的重要參數(shù)，該尺寸是綜合考慮了束流清晰區(qū)尺寸、真空室的加工公差與安裝誤差、磁鐵造價(jià)及縱向氣體流導(dǎo)等多種因素后確定的。束流清晰區(qū)被定義為束流在儲(chǔ)存環(huán)中循環(huán)運(yùn)行而不受阻擋的最小空間范圍。物理設(shè)計(jì)中束流清晰區(qū)定為長軸96mm、短軸為，束流清晰區(qū)是束流通道尺寸確定的最重要因素[2]。 束流清晰區(qū)1．8．2 阻抗和束流不穩(wěn)定性在BEPCII改進(jìn)中，總流強(qiáng)強(qiáng)度及其穩(wěn)定性是非常重要的課題。真空室的阻抗和由單束集體效應(yīng)引起的各種束流不穩(wěn)定性對(duì)物理設(shè)計(jì)有很重要的影響。由于BEPCII與目前世界上已建成的粒子工廠型對(duì)撞機(jī)如KEKB[57]，PEPII[58]，和DAFNE[59] 的設(shè)計(jì)指標(biāo)相比總流強(qiáng)及單束團(tuán)粒子數(shù)相當(dāng)（見表21），因而需對(duì)單束團(tuán)不穩(wěn)定性暨束團(tuán)長度拉伸問題和多束團(tuán)耦合不穩(wěn)定性作仔細(xì)研究并加以抑制，以保證實(shí)現(xiàn)BEPCII的高亮度指標(biāo)。與KEKB和PEPII相比，BEPCII的單束團(tuán)流強(qiáng)較高，束團(tuán)數(shù)目較少。這意味著BEPCII中單束團(tuán)效應(yīng)相對(duì)較嚴(yán)重，必須嚴(yán)格控制寬帶阻抗。物理設(shè)計(jì)首先從束流穩(wěn)定性角度對(duì)阻抗提出限制，然后對(duì)那些可能產(chǎn)生較大阻抗的主要真空部件的阻抗作計(jì)算，并給出全環(huán)的阻抗預(yù)算。對(duì)真空部件作阻抗計(jì)算和利用束流測(cè)量的結(jié)果都表明，目前BEPC儲(chǔ)存環(huán)的縱向耦合阻抗約4 W [60]，比BEPCII的阻抗閾值大很多。因此在BEPCII工程中必須設(shè)計(jì)低阻抗的真空室，盡量屏蔽真空室壁上的不連續(xù)結(jié)構(gòu)。表21 BEPCII與其它對(duì)撞機(jī)的束流強(qiáng)度比較BEPCIIPEPII (LER)KEKB (LER)DAFNE單環(huán)流強(qiáng) (mA)910214026005200單束團(tuán)粒子數(shù) (1010)單束團(tuán)流強(qiáng) (mA)44束團(tuán)間距 (m)束團(tuán)數(shù)目9316585000120需要注意的是，阻抗除了引起束流不穩(wěn)定性之外，還會(huì)導(dǎo)致束流的寄生模能量損失（parasitic loss），引起真空室局部發(fā)熱。 cm，這時(shí)束團(tuán)的頻譜將覆蓋到阻抗的高頻成分，由束流在真空室部件中感應(yīng)的高次模功率將很大。高次模可能被俘獲（trappedmode）在真空室中幾毫米量級(jí)的不連續(xù)結(jié)構(gòu)，如束流位置探測(cè)器（BPM）處，以及對(duì)撞區(qū)的同步阻擋塊之間，引起多束團(tuán)不穩(wěn)定性和高次模發(fā)熱。因此除了盡可能減小各真空室部件的耦合阻抗外，還必須避免有可能導(dǎo)致俘獲高次模的真空室不光滑結(jié)構(gòu)。BEPCII儲(chǔ)存環(huán)中對(duì)縱向?qū)拵ё杩褂兄饕暙I(xiàn)的真空部件是高頻腔、BPM、波紋管、真空抽氣孔、法蘭、雙環(huán)交叉的“Y”型結(jié)構(gòu)，以及束流準(zhǔn)直器（collimator）等。在BEPCII方案中，這些部件將盡可能參照當(dāng)前國際先進(jìn)設(shè)計(jì)以減小阻抗。物理設(shè)計(jì)時(shí)利用解析公式和數(shù)值計(jì)算程序ABCI、MAFIA對(duì)BEPCII的主要真空部件的阻抗和損失參數(shù)作了計(jì)算，給出BEPCII的阻抗預(yù)算表。由于BEPCII是在BEPC基礎(chǔ)上的改進(jìn)，計(jì)算了目前BEPC的一些真空部件對(duì)應(yīng)BEPCII束流參數(shù)時(shí)的損失參數(shù)，物理設(shè)計(jì)說明對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)的必要性及可能性。1．9 對(duì)撞段真空管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)撞段真空管總體結(jié)構(gòu)是根據(jù)儲(chǔ)存環(huán)磁聚焦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、光束線前端設(shè)計(jì)、真空系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及相關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定的。主要依照二極磁鐵（彎轉(zhuǎn)鐵）、四極磁鐵、六極磁鐵的布局來進(jìn)行分段設(shè)計(jì)。再依據(jù)對(duì)撞束流及同步輻射專用束流形狀，考慮制造工藝的可行性，在保證同步輻射不會(huì)對(duì)對(duì)撞段真空管形成額外熱負(fù)載情況下，確定了對(duì)撞段真空管外輪廓形狀，對(duì)撞段真空管之間用波紋管連接。根據(jù)物理對(duì)束流清晰區(qū)的要求、引出光狹縫尺寸的要求以及磁鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的限定，并且考慮到加工制造上的限制，：(一) 前排氣室?guī)щ娏Ｗ邮髟趦?chǔ)存環(huán)中運(yùn)動(dòng)發(fā)出同步光，光子打在對(duì)撞段真空管壁上產(chǎn)生光電子，光電子在束流電場(chǎng)中獲得能量，被束流加速可能打在管道的另一內(nèi)壁上而導(dǎo)致二次電子產(chǎn)生。二次電子的產(chǎn)額與電子能量以及管道材料有關(guān)。同步光打在前室末端壁上產(chǎn)生光電子，從前室中逃逸出的光電子數(shù)目將按照出射角度正弦規(guī)律變化。有前室的真空室，大部分同步光直接打在前室內(nèi)，光電子大部分在前室中產(chǎn)生，能從前室中逃逸出的光電子都具有較大水平速度，否則它將丟失在前室內(nèi)。因此，在電子云分布中可以發(fā)現(xiàn)，前室中的電子云密度較大，而在束流對(duì)撞段真空管道中密度大的區(qū)域更多的位于水平軸附近。改變二次電子產(chǎn)額，結(jié)果表明當(dāng)二次電子產(chǎn)額增加后，電子云中心密度迅速增加。所以得出，利用增大前室寬度可以降低電子云密度，前室寬度增大到其高度的5倍時(shí)，電子云平衡線密度降低23倍，中心體密度降低了5倍，但其寬度尺寸根據(jù)各磁鐵布局沿真空室縱向變化，為真空室抽真空主要排氣通道，采用前室型對(duì)撞段真空管，將在很大程度上降低光電子產(chǎn)額。(二) 引出光狹縫位于束流室與排氣室間，為狹窄區(qū)域，用于引出同步輻射﹑高頻隔離束流室與排氣室，并由此對(duì)束流室排氣。經(jīng)物理計(jì)算，要求俠縫高度為15mm()(三) 束流室區(qū)物理設(shè)計(jì)給出的束流清晰區(qū)極限尺寸為水平方向96mm，垂直方向42mm?？紤]到對(duì)撞段真空管在大氣壓下的變形、制造及安裝誤差等因素，在束流清晰區(qū)與對(duì)撞段真空管物理孔徑之間必須保留一定空間，由此確定束流通道物理尺寸為：水平方向108mm，垂直方向52mm。為了減小加工工藝難度，保證表面質(zhì)量，同時(shí)簡化束流位置探測(cè)器結(jié)構(gòu)，將束流室截面形狀設(shè)計(jì)成八邊形，恰好夠容納BPM 組件，其強(qiáng)度也比其他形狀（如跑道型截面）高。該束流室橫截面形狀沿束流軌道方向在每一段單元對(duì)撞段真空管內(nèi)部均保持一致（插入件對(duì)撞段真空管除外）。(四) 對(duì)撞段真空管的厚度與強(qiáng)度考慮到磁鐵及其線包間距、真空室壁上螺栓孔及對(duì)撞段真空管總體強(qiáng)度，儲(chǔ)存環(huán)對(duì)撞段真空管盒體總厚度定為100mm。由于內(nèi)腔結(jié)構(gòu)及外部各區(qū)域輪廓形狀的不同，對(duì)撞段真空管體上下壁厚度在不同區(qū)域相差較大，局部區(qū)域最小對(duì)撞段真空管壁厚度僅為4mm（與六極鐵極頭對(duì)應(yīng)處）。雖然局部壁厚很小，對(duì)撞段真空管跨度很大，由于磁鐵槽間的間隔的存在，實(shí)際上起到了加強(qiáng)筋的作用。所以強(qiáng)度可以保證.(五) 對(duì)撞段真空管與磁鐵系統(tǒng)元件的設(shè)計(jì)為提高對(duì)撞段真空管的強(qiáng)度，減小對(duì)撞段真空管在真空狀態(tài)下由于大氣壓引起的對(duì)撞段真空管凹陷變形，同時(shí)為吸收器的設(shè)計(jì)留有一定的垂直空間位置，將對(duì)撞段真空管的總厚度設(shè)計(jì)為100mm，分上下兩片，每片厚度50mm。由于對(duì)撞段真空管總體厚度大于磁鐵極頭氣隙及四極鐵、六極鐵的線包間距，在對(duì)撞段真空管的設(shè)計(jì)中，在對(duì)撞段真空管上對(duì)應(yīng)于各磁鐵的位置按照磁鐵鐵芯、線包的尺寸并留有一定的間隙加工合適的凹槽，使得磁鐵的鐵芯、線包與對(duì)撞段真空管相適應(yīng)，凹槽的尺寸依據(jù)磁鐵的縱向、橫向尺寸來設(shè)計(jì)。對(duì)撞段真空管上機(jī)加工凹槽輪廓形狀與相應(yīng)的磁極及線包形狀相適應(yīng)。凹槽輪廓截面分四種形狀，分別對(duì)應(yīng)于儲(chǔ)存環(huán)上四種磁鐵，即二極磁鐵、四極磁鐵、六極磁鐵。設(shè)計(jì)中，在保證對(duì)撞段真空管外壁與磁極間有足夠的間隙以容納對(duì)撞段真空管的制造誤差并方便安裝的情況下，盡量減小磁鐵孔徑以降低磁鐵造價(jià)。設(shè)計(jì)的最小間隙為3mm。對(duì)撞段真空管凹槽縱向尺寸主要取決于相對(duì)應(yīng)的各磁鐵的縱向尺寸，除了要保證安裝間隙大于5mm外，同時(shí)要考慮烘烤過程中對(duì)撞段真空管將以固定點(diǎn)為原點(diǎn)沿縱向向兩側(cè)伸長，依據(jù)對(duì)烘烤過程中對(duì)撞段真空管變形的計(jì)算分析結(jié)果，進(jìn)行對(duì)撞段真空管上磁鐵槽縱向尺寸設(shè)計(jì)。各磁鐵槽相對(duì)于磁鐵中心為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其中靠近固定支撐點(diǎn)一側(cè)留有對(duì)撞段真空管運(yùn)動(dòng)空間，保證其縱向邊緣與磁鐵間距在整個(gè)烘烤過程中大于5mm，以避免兩者之間發(fā)生相互干涉。由于相對(duì)于固定支撐點(diǎn)的距離不同，各磁鐵槽預(yù)留的空間尺寸各不相同。在遠(yuǎn)離固定支撐點(diǎn)一側(cè)僅需按靜態(tài)狀況留出足夠間距。這樣可以使得磁鐵槽間保留的隔斷盡量寬，對(duì)對(duì)撞段真空管的強(qiáng)度有利。(六) 對(duì)撞段真空管的烘烤結(jié)構(gòu) 為了降低熱出氣率，迅速達(dá)到超高真空狀態(tài)，需對(duì)對(duì)撞段真空管進(jìn)行150℃真空烘烤。目前設(shè)計(jì)采用電加熱器烘烤方案，根據(jù)對(duì)撞段真空管與磁鐵的空間位置關(guān)系，沿對(duì)撞段真空管外側(cè)壁或外側(cè)上下面設(shè)計(jì)有加熱器固定螺孔用于固定條形加熱器。(七) 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于設(shè)計(jì)中選材及成型工藝要求，鋁合金超高真空焊接是儲(chǔ)存環(huán)對(duì)撞段真空管制造中的一個(gè)關(guān)鍵工藝，而焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是保證焊縫密封性能﹑減小焊接變形的關(guān)鍵。對(duì)撞段真空管焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：由于鋁合金焊接中容易出現(xiàn)裂紋、氣孔等焊接缺陷，易產(chǎn)生真空泄漏，加之對(duì)撞段真空管管體龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為確保一旦出現(xiàn)泄漏時(shí)可以進(jìn)行方便的補(bǔ)焊，在對(duì)撞段真空管設(shè)計(jì)中未按照常規(guī)超高真空工藝要求采用內(nèi)焊工藝，而是全部焊縫采用外焊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為了避免外焊可能形成的內(nèi)部封閉空間，減小夾縫氣源，在焊縫內(nèi)部開設(shè)排氣槽，同時(shí)在選擇焊接參數(shù)時(shí)保證能夠盡量形成穿透焊接。鋁合金材料熱傳導(dǎo)率高，熱影響區(qū)域大，為減小焊接中高熱量輸入，減小熱變形，設(shè)計(jì)采用凸出薄焊嘴型焊縫工藝結(jié)構(gòu)。另外，一旦發(fā)生焊縫泄漏時(shí)，可以方便地剔除局部材料，為補(bǔ)焊留出余量。對(duì)撞段真空管端部與法蘭頸部間均采用與側(cè)壁相同的凸嘴型焊接結(jié)構(gòu)，端面與側(cè)面及法蘭頸間均采用大園角過渡方案，以利于焊縫間的自然過渡，防止在直角焊縫搭接處形成泄漏。 焊接邊1．9．1 設(shè)計(jì)的基本性能要求 在儲(chǔ)存環(huán)物理和真空設(shè)計(jì)總的基礎(chǔ)上，綜合兩者的要求考慮，對(duì)真空室提出了如下機(jī)械性能要求：(1)對(duì)撞段真空管在未抽真空狀態(tài)下的形狀、尺寸、精度、表面粗糙度等應(yīng)滿足工程設(shè)計(jì)圖紙中的各項(xiàng)要求。(2) 對(duì)撞段真空管在總裝完成后，內(nèi)部處于真空狀態(tài)下（10Torr）, 。(3)機(jī)械尺寸滿足與相關(guān)系統(tǒng)間的配合關(guān)系要求，真空室平面度，束流室內(nèi)表面粗糙度。(4)焊縫表面均勻、光潔，無夾渣、氣孔及焊瘤，焊縫以外無燒熔斑點(diǎn)。(5) 對(duì)撞段真空管外表面光潔、美觀，無污染及操作。(6)法蘭密封面不得有任何操作、劃痕。