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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, 2022, 34: 104007. 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, 2022, 34: 104007. 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, 2022, 34: 104007. 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, 2022, 34: 104007. 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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  • [1] 陈丽萍, 蒋迪奎, 殷立新, 等. 上海光源储存环光子吸收器布局设计[J]. 核技术, 2009, 32(5):326-332

    Chen Liping, Jiang Dikui, Yin Lixin, et al. Layout of photon absorbers in the SSRF storage ring[J]. Nuclear Techniques, 2009, 32(5): 326-332
    [2] 陈丽萍. 上海光源储存环光子吸收器结构设计与研制[J]. 真空科学与技术学报, 2009, 29(5):546-551 doi: 10.3969/j.issn.1672-7126.2009.05.18

    Chen Liping. Photon absorber development for storage ring of Shanghai synchrotron radiation facility[J]. Chinese Journal of Vacuum Science and Technology, 2009, 29(5): 546-551 doi: 10.3969/j.issn.1672-7126.2009.05.18
    [3] 李勇军. 上海光源高热负载前端区的系统设计与研究[D]. 上海: 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所), 2016

    Li Yongjun. Design and study of high heat load front-end at SSRF[D]. Shanghai: University of Chinese Academy of Sciences (Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences), 2016
    [4] Herbert J D, Malyshev O B, Middleman K J, et al. Design of the vacuum system for Diamond, the UK third generation light source[J]. Vacuum, 2004, 73(2): 219-224. doi: 10.1016/j.vacuum.2003.12.019
    [5] Quispe M, Campmany J, Casas J J, et al. Study, design and optimization analysis of the ALBA LOREA dipole vacuum chamber and crotch absorbers based on finite element analysis[C]//Proceedings of the 9th Edit. of the Mech. Eng. Des. of Synchrotron Radiat. Equip. and Instrum. Conference. Barcelona, Spain, 2016: 191-193.
    [6] Mochizuki T, Sakurai Y, Shu D, et al. Design of compact absorbers for high-heat-load X-ray undulator beamlines at SPring-8[J]. Journal of Synchrotron Radiation, 1998, 5(4): 1199-1201. doi: 10.1107/S0909049598000387
    [7] Jaski Y. New front-end design for multiple in-line undulators at the advanced photon source[J]. AIP Conference Proceedings, 2004, 705(1): 356-359.
    [8] Jaski Y. Thermal analysis of the components of the insertion device front ends FEv1.2 and FEv1.5[R]. ANL/APS/TB-50, 2005.
    [9] 王纳秀. 同步辐射光束线热缓释技术研究及冷却技术的应用[D]. 上海: 中国科学院上海应用物理研究所, 2006

    Wang Naxiu. Research on cooling technique of SR beamline components and application of cooling technique[D]. Shanghai: Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, 2006
    [10] Quispe M, Campmany J, Gevorgyan, et al. Design of an integrated crotch absorber for ABLA synchrotron light source[C]//Proceedings of MEDSI 2018. Paris, France, 2018.
    [11] Rodrigues A R D, Arroyo F, Bagnato O R, et al. SIRIUS status report[C]//Proceedings of IPAC 2016. Busan, Korea, 2016: 2811-2814.
    [12] Sheng I C, Chang C C, Chan C K, et al. The development of CuCrZr high heat load absorber in TPS[C]//Proceedings of 9th Edit. of the Mech. Eng. Des. of Synchrotron Radiat. Equip. and Instrum. Conf. Barcelona, Spain, 2016.
    [13] Jin Limin, Li Yongjun, Zhu Wanqian, et al. Thermal analysis of the first ultra-high heat-load front-end absorbers for the ultra-hard multi-functional X-ray beam-line at SSRF[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2021, 989: 164955. doi: 10.1016/j.nima.2020.164955
    [14] 蒋迪奎, 殷立新. 多极扭摆磁铁同步辐射光的功率分布[J]. 中国科学技术大学学报, 1997, 27(4):440-444

    Jiang Dikui, Yin Lixin. Synchrotron radiation power distribution from multipole wiggler magnet[J]. Journal of University of Science and Technology of China, 1997, 27(4): 440-444
    [15] 陈龙康. 同步辐射光源的尺寸、散射角和中心亮度计算[J]. 强激光与粒子束, 1998, 10(3):467-472

    Chen Longkang. Calculation of a few parameters of Hefei Synchrotron Light Source[J]. High Power Laser and Particle Beams, 1998, 10(3): 467-472
    [16] 薛莹洁. 平面磁控溅射靶的优化设计及膜厚均匀性分析[D]. 西安: 陕西科技大学, 2017

    Xue Yingjie. Optimization design of planar magnetron sputtering target and analysis of film thickness uniformity[D]. Xi’an: Shaanxi University of Science & Technology, 2017
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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
  • 刊出日期:  2022-08-22

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