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合肥先进光源前端光子吸收器的设计及热分析

马文静 赵壮 王思慧 张善才 范乐 洪远志 尉伟

马文静, 赵壮, 王思慧, 等. 合肥先进光源前端光子吸收器的设计及热分析[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202234.220057
引用本文: 马文静, 赵壮, 王思慧, 等. 合肥先进光源前端光子吸收器的设计及热分析[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202234.220057
Ma Wenjing, Zhao Zhuang, Wang Sihui, et al. Design and thermal analysis of front-end photon absorber at HALF[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202234.220057
Citation: Ma Wenjing, Zhao Zhuang, Wang Sihui, et al. Design and thermal analysis of front-end photon absorber at HALF[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202234.220057

合肥先进光源前端光子吸收器的设计及热分析

doi: 10.11884/HPLPB202234.220057
基金项目: 国家自然科学基金项目(12175225)
详细信息
    作者简介:

    马文静,mawenjing@mail.ustc.edu.cn

    通讯作者:

    张善才,shancai@ustc.edu.cn

    尉 伟,weiwei@mail.iasf.ac.cn

  • 中图分类号: TL76

Design and thermal analysis of front-end photon absorber at HALF

  • 摘要: 合肥先进光源(HALF)将建设成为1台第四代衍射极限储存环光源。HALF的引出光具有更高亮度,能给储存环带来更高的热负载。引光段需设置光子吸收器,以限定引出光的尺寸和吸收其余未使用的同步光,同时减少同步光热负载对储存环超高真空系统的影响。紧凑的衍射极限储存环的物理设计及光子吸收器与真空室连接方式的选择给光子吸收器的设计带来了一系列挑战。在插入式双片型吸收器结构的基础上,综合考虑吸收面形状、水冷结构、安装定位等因素,设计了一种基于CuCrZr材料、与真空室一体、无需单独定位的光子吸收器,并计算其位于弯转角2.74°的弯转磁铁下游光引出段处,被同步光照射的光斑尺寸和辐射功率;采用有限元分析方法对光子吸收器进行热、热力学模拟,得到辐照后的最高温度约为80 ℃,最大应力为20.8 MPa,最大热变形为0.05 mm。结合制作材料CuCrZr在高热负载下的许用准则,确定了光子吸收器结构的合理性。此研究为合肥先进光源中前端区光子吸收器的设计提供了重要的理论依据。
  • 图  1  光子吸收器模型

    Figure  1.  Model of photon absorber

    图  2  水冷结构

    Figure  2.  Structural drawing of the cooling channel

    图  3  BSR在垂直张角内的功率分布

    Figure  3.  BSR power distribution in vertical open angle

    图  4  BSR光束示意图

    Figure  4.  Diagram of BSR beam

    图  5  网格划分及热流率施加

    Figure  5.  Mesh and heat flow

    图  6  冷却水温度分布云图

    Figure  6.  Cooling water temperature distribution map

    图  7  温度、变形和应力应变分布云图

    Figure  7.  FEA map

    图  8  校核温度、变形及应力应变分布云图

    Figure  8.  Calibrated FEA map

    表  1  材料力学参数[13]

    Table  1.   Mechanical parameters of materials

    materialdensity/
    (kg·m−3)
    elastic modulus/
    GPa
    Poisson’s ratioyield stress/
    MPa
    thermal conductivity/
    (W·m−1·℃−1)
    thermal expansion
    coefficient/℃−1
    OFHC
    Glidcop
    CuCrZr
    8940
    8900
    8900
    115
    130
    128
    0.343
    0.33
    0.33
    340
    420
    350
    391
    365
    330
    17.7×10−6
    16.6×10−6
    17.0×10−6
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    表  2  冷却水进出口温差计算参数

    Table  2.   Calculated parameters of cooling water between inlet and outlet

    P/Wρ/(kg·m−3)c/(J·kg−1·K−1)d/mv/(m·s−1)
    1 588.7100042000.0053
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    表  3  工程材料许用标准[13]

    Table  3.   Engineering conservative acceptance criteria of material[13]

    materialmaximum temperature/℃maximum von-Mises stress/MPa
    CuCrZr≤250≤350
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-02-25
  • 修回日期:  2022-03-30
  • 网络出版日期:  2022-04-18

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