成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文）
第一章 对撞段真空管结构设计
1．1 储存环真空系统分析
对于储存环来说束流寿命和稳定性十分重要，被储存的粒子与残余气体分子相互作用将导致粒子损失并引起探测器性能不稳定，因此在真空系统设计时计算需要的压力是必要的[65]。在储存环真空系统中引起压力上升的原因除了材料的热放气外，主要是来自于同步辐射光打在真空室内壁上引起的光子解吸。对于BEPCII，为了达到设计亮度，要求正负电子环的流强各自都达到0.91 A，能量为1.89 GeV。在高流强的电子储存环中，粒子在弯转时沿切线方向产生同步辐射光，高能量的光子打在真空室上将引起真空室温度和压强上升。这样就限制了束流寿命。因此，储存环的抽气系统必须能达到需要的真空度。 另外，真空系统设计表明为了减少光电子不稳定性，真空室制造成带前室的结构是必要的，并且真空室内表面要镀氮化钛，以减小二次电子产生率。
1．1 .1真空物理要求
对于BEPCII储存环真空系统来说，基本的真空物理要求是：
(1) 储存环的动态压強优于5?10-9 Torr，满足由于残余气体与被储存的粒子相互作用导致的束流寿命大于15 hrs的要求 (E = 1.89 GeV，I = 0.91 A)；当束流开始储存时，好的束流寿命能很快达到；
(2) 系统某一区段暴露大气后，能较快地恢复真空； (3) 真空室内壁应尽可能地光滑，以减小阻抗；
(4) 真空室应有好的冷却方式，以消除同步辐射和高次模损失产生的热负载。光子吸收器能够把同步辐射光屏蔽掉，以免其它的部件受到损伤。
1．1．2 真空系统特点
BEPCII是由BEPC单环发展成正负电子双环，仍然要使用BEPC原有的隧道空间，同时要考虑到充分利用BEPC原有磁铁、插入件和同步辐射光束线，因此在BEPCII储存环真空系统设计中有了许多新特点：
为了减小光电子和二次电子对正电子束的影响，要求正电子环弧区真空室制造成带有前室的真空室，以便增加同步辐射光产生的光电子和二次电子与正电子束间的距离，减小它们之间的相互作用。
(1) 由于铝真空室表面固有的氧化层，在铝真空室表面产生的二次电子数要
6
成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文）
比大多数金属高3?5倍，因此在正电子环束流通道内表面镀氮化钛，以减小光电子倍增产生的电子云对正电子束的影响。
(2) 考虑到正负电子环非常紧张的安装空间，正负电子真空室之间的距离仅为1.1 m，又为了方便束流位置探头标定和正电子环真空室镀氮化钛，正负电子环的真空室制造成三米长。
(3) 在同步辐射模式下，正电子环的半环有负电子通过，运动方向与正电子方向相反，产生的同步光也相反，需要用光子吸收器把所有无用的同步光挡住。因此在正负电子环真空室上安装大量的垂直光子吸气器，避免同步光直接打到波纹管、真空室和法兰焊缝处。同时在光子吸收器的上下安装真空泵，能有效地抽除同步辐射光产生的气载。
(4) 在对撞区，由于非常有限的空间，需安装抽速大、体积小的NEG泵，以减少束流与残余气体相互作用产生的探测器本底。
1.2 储存环单元结构
BEPCII储存环是由正电子（e+）环和负电子（e-）环组成，周长都是237.53 m，两环束流中心距离是1.179 m。它们在南北两点交叉，距离是65.83 m，在南交叉点进行对撞，该处安装北京谱仪 (BESIII)。在北交叉点通过旁路管道将正电子环和负电子环的外半环连在一起，形成一个外环供同步辐射专用模式使用，周长是241.13 m，其形状像一个跑道，长轴是76 m，短轴是66.18 m。
RFSRRFIINorthIeeIIIIVIP
7
成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文）
我们这里所设计的对撞真空管为上图正电子环其中的一个对撞段的对撞段真空管。BEPCII储存环是由许多单元组成，每个单元是由支架、二极磁铁（B铁）、四极磁铁（Q铁）、六级磁铁（S铁）、真空室、束流位置探头（BPM）、光子吸收器、真空泵等设备组装而成。
真空室装配结构图
8
成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文）
BEPCII外环使用原BEPC二极磁铁，内环用新做的二极磁铁。为了实现BEPCII正负电子环对称、南北对称，考虑到BEPC隧道空间的限制，直线节较短，经仔细研究与设计，决定正、负电子环的弧区采用前室真空室，真空室总体结构是根据储存环磁聚焦结构设计、光束线前端设计、真空系统总体设计及相关系统结构设计确定的。四极磁铁和六极磁铁全部新做。在BEPCII南、北对撞区和正负电子注入区采用原BEPC四极铁并进行线圈改造。根据BEPCII的Lattice特性，内环、外环两相邻B铁出口与入口之间的直线节长度都是1702.55 mm，但由于外环B铁（旧磁铁）线圈较长，因此外环两相邻B铁之间的有效使用长度比内环两相邻B铁之间的有效使用长度短大约94 mm。 故我们对于正负电子环上各束流设备的布置，全部按有效直线节短的外环进行研究与设计。真空室受到储存环其它各空间设备限制，其外形状如图2.2所示。
满足真空室物理和真空设计要求的情况下，对储存环束流线上各设备的最大外形尺寸进行了限制，由于空间限制，所以希望束流线上各设备尺寸越小越好。对新做二极铁的尺寸要求是：上下极头间隙最小为67 mm，上下线圈之间的最小距离是110 mm，线圈长度最大为1605 mm，形状为C型，模型与工程图如图1.4和1.5所示。
二极磁铁极头
图1.4新环弯转磁铁三维图 图1.5 新环弯转磁铁工程四极磁铁极头
9
成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文）
对新做四极铁的尺寸要求是：内接圆直径最小是?105 mm，上下极头的最小气隙是35 mm，上下线圈的最小距离是64 mm，铁芯内侧距磁铁中心最小是320 mm，线圈外部长度最大是422 mm，如图2.5和2.6。
对新做六极铁的尺寸要求是：内接圆直径最小是?130 mm，上下极头的最小气隙是35 mm，上下线圈的最小距离是40 mm，铁芯内侧距磁铁中心最小是320 mm，线圈外部长度最大是200 mm，其模型与工程图如图1.6和1.7所示。
四极磁铁极头
图1.6四极磁铁的三维图 图1.7四极磁铁的工程图
六极磁铁极头
图1.8六极磁铁三维图 图1.9六极磁铁的工程图
10