上海光源前端高热负载挡光器的结构设计与优化

李勇军，张　敏，薛　松*，贾丹丹，金利民

(1.中国科学院 上海应用物理研究所， 上海 201204；2.中国科学院大学， 北京 100049)



上海光源前端高热负载挡光器的结构设计与优化

李勇军1，2，张敏1，薛松1*，贾丹丹1，金利民1

(1.中国科学院 上海应用物理研究所， 上海 201204；2.中国科学院大学， 北京 100049)

为了有效处理上海光源前端挡光器接收的高热负载，研究了挡光器的结构设计及其优化方法。选用高导热性、高强度的GlidCop AL-15制造挡光器吸收体，采用直接水冷和掠入射结构提高其热缓释能力。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，通过热分析得到了不同参数下挡光器的温度和热应力分析结果，从而确定了挡光器的结构设计优化参数。优化后挡光器的水路直径为6 mm，水路到光照面的距离为9 mm，光照面接线处圆角≥2 mm，且水路与光束方向基本平行。与初始结构相比，优化后挡光器的最高整体温度和最高冷却壁温度分别下降约8%和1/4，最大等效应力降低了1/2左右，完全满足上海光源前端部件的设计要求。目前，应用优化参数设计的挡光器已应用于上海光源实际工程中。

上海光源；高热负载；挡光器；前端；结构设计；热分析

1　引　言

上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility，SSRF)作为先进的第三代同步辐射装置，是目前我国最大的国家科学工程项目，其电子储存环能量为3.5 GeV，设计流强为300 mA。波荡器和扭摆器(统称插入件)安装在电子储存环的直线节上，可为光束线站提供高性能的同步光，是上海光源的主要发光器件，也是第三代同步辐射装置的标志性设备[1-4]。前端介于储存环和光束线站之间，是集机械、真空、控制联锁、辐射防护等为一体的综合系统，主要用于吸收弯转磁铁或插入件辐射的高功率同步光，同时具有真空过渡与保护、光束位置测量和人身防护等功能[5-7]。

上海光源二期工程中，BL12SW超硬多功能光束线站将首次采用超导扭摆器光源(Super Conducting Wiggler， SCW)，用于产生高能X射线，最高光子能量将由目前的72.5 keV扩展到150 keV，极大地挖掘出上海光源的产业应用潜力。该超导扭摆器的峰值功率密度约44.95 kW/mrad2，总功率超过43.3 kW，叠加上、下游弯转磁铁的辐射功率后，前端承受的总功率高达45 kW，是上海光源二期热负载最大的前端。与上海光源一期前端相比，BL12SW前端吸收的辐射功率要高出4～50倍。

挡光器包括固定光阑和光子光闸，是同步辐射前端的核心部件，用于逐级吸收上游储存环输入的高功率同步辐射，同时定义输出到下游光束线站的光束张角。因长期承受高热负载同步辐射的直接照射，会造成较高的温度和热应力，如何有效处理高热负载成了挡光器结构设计的关键。国际上大多采用增加挡光器数量和减小掠入射角的方式稀释同步光功率，如美国先进光子光源(Advanced Photon Source)前端，最大吸收总功率约17.6 kW，共配置了6个挡光器，单个挡光器的纵向长度为690 mm[8]。而上海光源前端的空间有限，无法通过增加挡光器数量的方式处理高热负载，加之插入件辐射功率的大幅度提升，BL12SW前端单个挡光器的吸收功率高达14 kW。因此，在实际工况下，通过不断优化挡光器的结构参数，从而最大限度地提高其热缓释能力，成为了解决高热负载问题的唯一途径。

本文首先介绍了BL12SW前端的物理要求和总体设计，通过光学追迹得到了挡光器的具体参数和热负载分配情况。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，得到了挡光器水路直径的优化范围和精确的对流换热系数。以热负载最大的固定光阑2为例，采用ANSYS软件进行热分析，得到了固定光阑2优化前、后的温度和热应力结果，从而确定了挡光器的结构设计优化参数。通过对BL12SW其他挡光器的验算，证明了优化参数的可行性，为上海光源前端高热负载挡光器的设计提供了技术支撑。

2　挡光器技术要求

BL12SW前端同时承受超导扭摆器和弯转磁铁发出的同步辐射。在进行挡光器结构设计前，必须首先计算光源的辐射总功率和功率密度，并在前端总体布局基础上，合理分配加载到各个挡光器上的热负载，进而确定挡光器的技术要求。

2.1光源参数

表1所示为上海光源储存环和超导扭摆器光源的基本参数。SCW发出的同步辐射功率密度在水平、垂直方向均近似高斯分布，其辐射功率密度角分布如式(1)所示[9-10]。弯转磁铁发出的辐射功率密度相对较小[11]。

表1　上海光源储存环和超导扭摆器参数

(1)

式中：G(K)为插入件干涉因子，fK(θ，ψ)为辐射功率密度随水平角度θ和垂直角度ψ的分布函数。

；

采用日本SPring-8开发的Spectra软件，计算得到超导扭摆器的总功率为43.3 kW，峰值功率密度约44.95 kW/mrad2，具体功率密度分布如图1所示。

图1　超导扭摆器功率密度分布

2.2挡光器技术要求

BL12SW前端的引入张角为8×1.5 mrad2，为满足光束线站使用要求，引出张角限定为1.2×0.3 mrad2。上海光源前端空间有限，插入件光束张角通过3个固定光阑逐级约束，1个光子光闸用于阻挡中心光锥。在前端总体布局基础上，结合光学追迹和功率计算，优化得到4个挡光器的技术参数如表2所示，表中最后一列为光束垂直入射时的峰值功率密度。图2所示为光束在水平方向的光学追迹，综合考虑了束流在直线节和上、下游弯转磁铁中的漂移。

3　挡光器初步设计

3.1材料选择

热传导和对流是前端挡光器的主要换热方式。为提高导热效率，吸收体材料大多选用无氧铜或者弥散强化铜合金GlidCop AL-15，其材料属性如表3所示[12]，本文选用强度更高的GlidCop AL-15。

从工程实际出发，上海光源前端GlidCop AL-15挡光器必须同时满足以下设计准则：

(1)最大等效应力≤ 420 MPa。

(2)整体最高温度≤ 300℃。

(3)冷却壁最高温度≤ 100℃。

3.2挡光器初步设计

BL12SW前端的4个挡光器均采用整体型直接水冷结构，可以避免使用真空内水的封接结构。为了降低功率密度，同步辐射以掠入射方式照射在吸收体内部的倾斜平面上，挡光器纵向长度≤580 mm。图3所示为固定光阑的初始设计结构，由吸收体、盖板、水管接头、接管和法兰等组成，各部分通过电子束焊和钎焊形成密封的真空腔体，吸收体的水路直径D=8 mm，水路到光照面的距离H=8 mm，光照面接线处圆角R=0.5 mm，水路与光束方向基本垂直。

图3　挡光器初始结构

上海光源使用去离子水冷却前端挡光器，水流量为8 L/min，进水温度为30℃，供水压力和回水压力分别为7×105Pa和2.5×105Pa。为提高换热效率，首先需要优化水路直径，以确保冷却水处于湍流状态，进而获得较高的对流换热系数。同时需要考虑水流的压力降，确保冷却水的单向流动。

佩图克方程适用于管内湍流流动[13-14]，可以用于计算流体的对流换热系数h：

(2)

式中：D为水路直径，k为流体的导热系数，Pr为普朗特数；f为摩擦因子，可由穆迪图查出；ReD=VD/ν为雷诺数，其中V和ν分别为流体的平均流速和运动黏度。实际工况下，水路直径是影响对流换热系数的决定性因素。

式(3)为达尔西-韦斯巴赫方程[15-16]，用于计算流体的沿程压力降：

(3)

式中：L为水路长度，ρ为流体密度。可知，水路直径是沿程压力降的主要影响因素。

图4所示为水路直径D与对流换热系数h和压力降ΔP的关系。在水流量一定的情况下，随着D的减小，对流换热系数h会逐渐增大，然而压力降ΔP也会不断升高。因此，D为6～9 mm 是比较合理的选择。

图4　水路直径与h和ΔP的关系

4　挡光器的热分析与结构优化

吸收体直接承受同步辐射的照射，是挡光器的主体部分，热分析时只需对吸收体进行有限元建模。其水路直径D、水路到光照面的距离H、光照面接线处圆角R以及水路方向是主要的结构参数和优化对象。通过热分析，可以获得吸收体在同步辐射正常入射和光束漂移时的温度和热应力结果，进而调整并得到吸收体的优化设计参数。

4.1热分析

为进行吸收体的热分析，首先使用Spectra软件计算从插入件和弯转磁铁发出的同步辐射功率的空间分布，并存入TABLE表中。利用ANSYS软件的参数化设计语言和表格加载技术，将功率密度分布数据直接加载到有限元模型上，避免了函数拟合引起的误差，提高了热负载加载精度。根据3.2挡光器初步设计的计算结果，输入精确的对流换热系数值，得到吸收体的整体温度分布和冷却壁温度分布。最后通过热-应力耦合分析得到吸收体的热应力分布。该方法得到的结果比实际测量值偏大，可以保证挡光器在工程应用中的可靠和安全[17]。

4.2热分析结果

固定光阑2是热负载和峰值功率密度最大的挡光器，图5所示为水路直径D为6～9 mm的热分析结果，当D=6 mm时，吸收体的最大等效应力、最高整体温度和最高冷却壁温度都最低。从加工工艺性考虑，也可以采用方形水路，水路边长为6 mm仍然是最佳选择。

图5　水路直径对热分析结果的影响

同理，热分析结果显示，水路到光照面的距离H越小，吸收体的等效应力越低，但冷却壁温度越高；随着光照面接线处圆角R的减小，等效应力急剧增大，说明R是影响等效应力的主要因素；相比与光束方向垂直的水路结构，水路与光束方向基本平行时的等效应力和温度都更低。图6所示为固定光阑2的优化结构示意图，即D=6 mm，H=9 mm，R=2.5 mm，水路与光束方向基本平行。

图6　挡光器优化结构

固定光阑2初始结构和优化结构在光束漂移时的整体温度、冷却壁温度、等效应力分布云图分别如图7～9所示。两种结构的最高整体温度均位于接收的最高功率密度处；最高冷却壁温度靠近最高整体温度点；最大等效应力均位于光照面接线处，与最高温度位置并不重合。这说明挡光器的最大等效应力主要是由于热膨胀在结构凹角处引起的应力集中，而原始热应力所占的比重较小。

(a)优化前

(b)优化后

(a)优化前

(b)优化后

(a)优化前

(b)优化后

表4所示为固定光阑2在同步辐射正常入射和漂移时的热分析结果。光束漂移时，初始结构的最大等效应力为374.5 MPa，接近失效阈值，而优化结构的最大等效应力仅182.1 MPa，下降幅度达192.4 MPa，下降比例超过了51%；最高整体温度和最高冷却壁温度分别下降约8%和25%。同步辐射正常入射时，优化结构同样明显优于初始结构，最高温度和最大等效应力的下降比例与光束漂移时相当。相比正常入射，光束漂移时会造成更高的温度和等效应力。

表4　固定光阑2的热分析结果

固定光阑3和光子光闸位于前端下游，其通光孔径逐渐缩小，光照面接线处圆角也相应减小，造成更严重的应力集中，因而最大等效应力比固定光阑2更高。光束漂移时，由于功率密度的急剧上升，固定光阑3和光子光闸的最高整体温度和冷却壁温度都有一定的提升，但都满足上海光源前端挡光器的设计准则。表5所示为3个挡光器的热分析结果。

表5　光束漂移时的热分析结果

5　结　论

针对上海光源二期热负载最大的BL12SW前端，选用佩图克方程和达尔西-韦斯巴赫方程优化冷却水路，采用ANSYS软件进行热分析，得到了挡光器的结构设计优化参数：水路直径D=6 mm，水路到光照面的距离H=9 mm，光照面接线处圆角R≥2 mm，且水路与光束方向基本平行。如不便于加工圆形水路，同样可以采用边长为6 mm的方形水路。

热分析结果显示，与初始结构相比，光束漂移时固定光阑2优化结构的最大等效应力从374.5 MPa 下降到182.1 MPa，其热负载能力提高了一倍；最高整体温度和最高冷却壁温度分别下降约8%和25%。采用上述优化参数后，所有挡光器的最大等效应力和最高温度均满足上海光源前端的设计准则，证明了优化参数的可行性，并已应用于上海光源实际工程中。

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李勇军(1983-)，男，湖南益阳人，博士研究生，助理研究员，2006年于中南大学获得学士学位，2009年于中国科学院研究生院获得硕士学位，主要从事同步辐射光学工程方面的研究。E-mail： liyongjun@sinap.ac.cn

导师简介：

薛松(1962-)，男，天津人，研究员，博士生导师，1984年于东北工学院获得学士学位，主要从事同步辐射光学工程方面的研究。E-mail： xuesong@sinap. ac.cn

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Structure design and optimization of high heat load absorbers in SSRF front-end

LI Yong-jun1，2， ZHANG Min1， XUE Song1*， JIA Dan-dan1， JIN Li-min1

(1.ShanghaiInstituteofAppliedPhysics，ChineseAcademyofSciences，Shanghai201204，China；2.UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049，China)

*Correspondingauthor，E-mail：xuesong@sinap.ac.cn

To handle the high heat load obtained by photon absorbers located in the front-end of Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF), the structure design and optimization of photon absorbers were researched. The dispersion strengthened copper called GlidCop AL-15 was used to manufacture the absorbers. Direct water cooling and grazing incidence structures were used to improve thermal controlled-release ability of the front-end photon absorbers. The Petukhov formula and Darcy-Weisbach formula were selected to optimize cooling water channels. After thermal analysis with ANSYS for the temperature and thermal stress distributions of photon absorbers with different structure parameters, the structure optimization parameters of photon absorbers were determined. It shows that the diameter of cooling channels is 6 mm, the distance of photon confining surfaces to cooling channel walls is 9 mm, corner radiuses of two adjacent photon confining surfaces are bigger than 2 mm and the directions of cooling channels are parallel to the beam approximately. As compared to the original ones, the maximum temperatures of the photon absorbers and their cooling channel walls have declined by 8% and 1/4 respectively, the maximum equivalent stresse is only by half of the original ones. These results entirely satisfy the design requirements of SSRF front-end.

Shanghai Synchrotron Radiation Facility(SSRF); high heat load; photon absorber; front-end; structure design; thermal analysis

2016-01-18；

2016-02-26.

上海光源线站工程关键技术预制研究资助项目(No.1173001402)

1004-924X(2016)07-1640-07

TL632

Adoi:10.3788/OPE.20162407.1640