HEPS储存环真空系统的创新设计与实现：薄壁CuCrZr真空室挤压成型与NEG涂层技术的突破

本文推荐研究人员针对第四代同步辐射光源HEPS储存环面临的超高真空维持难题，创新性地采用薄壁CuCrZr真空室挤压成型技术和内表面Ti-Zr-V非蒸散型吸气剂(NEG)磁控溅射涂层方案。通过优化22 mm内径真空管道的传导限制设计，实现了3×10-8Pa的静态真空度（优于设计指标），成功解决了同步辐射热负载（6 GeV/200 mA）导致的动态压力升高问题。该成果为全球亮度最高的同步辐射设施之一提供了核心真空技术支撑。

　　

在建设第四代同步辐射光源的竞赛中，中国的高能光子源(HEPS)项目面临着一个关键挑战：如何为周长1360米、束流能量6 GeV的储存环构建能承受极端同步辐射热负载的真空系统？传统方案在应对200 mA束流强度时，既无法解决22 mm小孔径真空室的气体传导限制，也难以处理34.2 pm·rad超低发射度束流引发的阻抗问题。更棘手的是，紧凑磁铁布局留给真空泵的安装空间不足，而同步辐射功率密度高达每米数千瓦——这些矛盾直接威胁着装置的性能指标。

为解决这一系列难题，中国科学院高能物理研究所的研究团队开创性地将航空材料CuCrZr合金薄壁挤压工艺与真空技术相结合。通过设计渐变过渡的真空室轮廓（斜度≤1/10，台阶≤0.1 mm），配合内表面Ti-Zr-V非蒸散型吸气剂(NEG)磁控溅射涂层，实现了三重突破：既提供分布式抽速又降低二次电子产额，同时满足0.3 mm的安装公差要求。2023年11月至2024年7月的安装调试中，团队用自制工具完成了4500个真空组件的精准定位，通过原位烘烤和NEG膜激活，使静态真空达到3×10^-8Pa。截至2025年1月，在累计30 Ah束流剂量下，系统动态压力持续优化，12 mA束流稳定运行标志着HEPS加速器里程碑式的进展。

关键技术方法包括：1) 基于7BA消色差晶格的48标准单元真空系统布局设计；2) CuCrZr合金薄壁真空室挤压成型与NEG磁控溅射涂层集成工艺；3) 101个射频扇形阀分段真空控制技术；4) 4类光子吸收体(ABS1-4)的热负载管理系统；5) 14组射频屏蔽波纹管的低阻抗设计。

【真空设备布局与动态压力分布】
储存环采用48个标准单元设计，每个单元包含6.15米直线段和22.2米弧段。通过18个电子束真空室、6个光束引出室的模块化布局，配合离子泵和规管的智能分布，实现了优于1.3×10^-7Pa的动态压力控制，使束流寿命超过100小时。

【真空系统关键组件】
创新设计的弧形真空室采用1.5 mm薄壁CuCrZr合金，经特殊挤压工艺成型后内表面沉积500 nm厚NEG膜。测试表明该组合使热出气率降低两个数量级，同步辐射光致解吸系数控制在10^-6分子/光子水平。

【NEG涂层技术】
磁控溅射沉积的Ti-Zr-V薄膜在200-250°C激活后，对H₂、CO等主要残留气体的抽速达0.1 L/s·cm²。该技术特别适用于4代光源的小孔径管道，相比传统溅射离子泵节省90%空间。

【安装与调试】
针对毫米级安装空间限制，开发了20余种专用工具完成法兰装配。真空系统经9个月调试后，所有单元漏率低于1×10^-10 Pa·m³/s，NEG膜激活成功率100%。

【总结与展望】
该研究证实了NEG涂层薄壁真空室在极端条件下的可靠性，为全球同步辐射设施建设提供了中国方案。随着束流剂量积累，动态压力有望进一步降低至5×10^-8Pa量级。未来可拓展该技术至衍射极限环和自由电子激光器等更前沿领域。作者团队（Saike Tian、Fei Sun等）特别指出，COVID-19疫情期间的供应链中断促使本土化真空部件研发取得突破，这一经验对重大科学装置建设具有普适参考价值。