阅读说明：本技术 一种组合式真空差分结构 (Combined vacuum differential structure ) 是由 刘俊男 王楠 陈明 祝万钱 薛松 于 2019-11-19 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种组合式真空差分结构,其包括波纹管和差分管,所述波纹管的上游端与一双面刀口法兰相连,所述双面刀口法兰的中央处设有通孔,所述差分管设于波纹管的腔体内且一端固定于该双面刀口法兰的通孔处。本发明的组合式真空差分结构由于差分管伸入波纹管内部,该结构节省了空间,相当于增加了差分距离,提高了差分比,可以最大限度地利用设备间的有效距离,提高差分效率,进而在有限的空间内完成同步辐射光束线中不同设备间在超高真空环境中的工作压力过渡,结构紧凑,占用空间小；同时可以满足设备相对运动需求,以满足不同模式切换需求。(The invention provides a combined vacuum differential structure, which comprises a corrugated pipe and a differential pipe, wherein the upstream end of the corrugated pipe is connected with a double-sided knife edge flange, a through hole is formed in the center of the double-sided knife edge flange, the differential pipe is arranged in a cavity of the corrugated pipe, and one end of the differential pipe is fixed at the through hole of the double-sided knife edge flange. The combined vacuum differential structure saves space because the differential tube extends into the corrugated tube, equivalently, the differential distance is increased, the differential ratio is improved, the effective distance between the devices can be utilized to the maximum extent, the differential efficiency is improved, and further the work pressure transition between different devices in the synchrotron radiation beam line in the ultrahigh vacuum environment is completed in a limited space, the structure is compact, and the occupied space is small; meanwhile, the requirement of relative movement of equipment can be met, so that the requirements of switching different modes can be met.)

一种组合式真空差分结构

技术领域

本发明涉及同步辐射光束线领域，具体涉及一种真空差分结构。

背景技术

同步辐射光束线的主要功能为通过各种设备将加速器产生的同步光进行进一步处理，最终传输至实验站以满足不同实验应用需求。由于同步光的传输环境必须为高真空甚至超高真空，传输区域内所有的关键设备及元件所用材料和加工清洗工艺均需进行严格的把控，然而由于功能和结构的复杂程度不同，各个关键设备所能达到的极限真空度不尽相同，有的甚至相差1个量级以上。

为了保证设备间正常运行时互不干涉，即保持相对稳定的工作压力，通常采用铍窗直接隔离或者通过真空差分两种方法来实现稳定的工作压力。由于软X射线采用铍窗隔离会造成低能光子的损失，必须通过真空差分来实现压力梯度的过渡。真空差分的方法为在高压至低压过渡区间内，采用差分结构(小孔或管道)限流，并在低压区配以一定抽速的真空获得设备达到不同差分比要求。若采用一级差分难以实现所需差分比，还可以通过多级差分方法实现。

光束线真空差分的设计难点主要为差分结构孔径和差分距离以及获得设备的限制。首先，差分结构必须允许光束顺利通过，故差分孔径不可无限制缩小。其次，差分距离决定了差分管路的有效长度，但是有些光束线中，差分设备间所能够设置的最大距离非常有限。获得设备的选取在高真空和超高真空差分区域主要为分子泵、离子泵等，须综合考虑获得设备外型、造价等因素确定合适的抽速。在上述难点同时存在的前提下，若差分设备间存在相对运动，则对真空差分设计提出了更高的要求。

目前现有的差分方法都是适用于固定设备之间的压力过渡，差分结构通常采用小孔或直管道。对于难以保证光束准直精度要求的差分结构设计(指某些场合下需要极小的差分孔，相对于光斑尺寸而言不能保留充足的准直余量)，还须在各级差分结构上游或下游增加波纹管以适应位置调整需求，这样直接导致了差分距离的增加。请参考图1，图1是现有的真空差分结构的典型结构。如文献【刘俊男,吴仁智,薛松,等.一种压强稳定的多级真空差分系统[J].真空科学与技术学报,2017(10)】中介绍的这种真空差分结构，采用多级差分方式，即采用多个圆截面管道的差分管3’和波纹管1’串联并最终与上游设备100’、下游设备200’相连，配以合适的抽速，进而达到压强梯度过渡的目的。从图中可以看出这种结构差分距离很长，占用空间很大。设备之间的空间决定了差分距离的长短，这个空间是物理设计所决定的，不可随意更改，因此现有的差分方法不适用于空间极小的差分场合。此外，设备间可能存在相对运动，以满足不同模式切换需求，但现有的差分结构的上下游设备100’、200’须为固定状态，无相对运动。

综上，如何在非常有限的空间里实现对存在相对运动的设备之间的真空差分是迫切需要解决的技术难题。

发明内容

本发明的核心是提供一种组合式真空差分结构，以实现不同设备的工作压力梯度的过渡，节省差分空间，并满足设备相对运动的需求。

为了实现上述目的，本发明提供一种组合式真空差分结构，其包括波纹管和差分管，所述波纹管的上游端与一双面刀口法兰相连，所述双面刀口法兰的中央处设有通孔，所述差分管设于波纹管的腔体内且一端固定于该双面刀口法兰的通孔处。

所述波纹管为焊接波纹管，其包括硬管接头、以及分别设于其上游端和下游端的两个单面刀口法兰。

所述设于波纹管的上游端的单面刀口法兰为松套法兰，且其法兰连接孔为通孔。

所述双面刀口法兰包括板状的本体和分别设于本体的两个侧面上的刀口密封槽，所述双面刀口法兰的法兰连接孔为螺纹孔，其中一个刀口密封槽与所述波纹管的上游端的单面刀口法兰通过螺栓固定，另一个刀口密封槽用于密封连接上游设备。

所述通孔的截面尺寸与差分管的配合截面外轮廓尺寸一致，且所述差分管的一端焊接固定于双面刀口法兰的通孔处。

所述差分管为圆截面，且所述差分管一端加工为具有凸缘的管道，该凸缘上设有密封用刀口，该密封用刀口与双面刀口法兰的刀口通过铜垫圈密封固定。

所述差分管为的截面为圆形或矩形。

所述差分管的长度l为：

l≦2δ₁+δ₂+(D-d)L/2Δ，

其中，d为差分管的圆截面外径，单位为mm，δ₁为双面刀口法兰和波纹管相连接的法兰厚度，单位为mm，δ₂为波纹管的硬管接头的长度，单位为mm，L为波纹管的长度，单位为mm，D为波纹管的内径，单位为mm，±Δ为波纹管的横向运动位移，单位为mm。

所述差分管的长度至多为波纹管的长度。

所述波纹管、双面刀口法兰和差分管的材料均为不锈钢。

本发明的组合式真空差分结构由于差分管伸入波纹管内部，结构紧凑，节省了空间，相当于增加了差分距离，提高了差分比，可以最大限度地利用设备间的有效距离，提高差分效率，进而在有限的空间内完成同步辐射光束线中不同设备间在超高真空环境中的工作压力过渡；同时，本发明中伸进去的差分管管径相对于光斑尺寸不是很小，保留了足够的准直余量，可以满足设备相对运动需求，以满足不同模式切换需求，加工时保证差分管与双面刀口法兰之间的垂直度即可。此外，本发明的双面刀口法兰可与其他尺寸的标准法兰任意连接，且差分管不需要设计独立的支撑结构。二者结合可应用于任何光束线差分设备之间,只需要在设计时根据不同的物理设计需求而采用不同的差分管孔径、长度以及波纹长度即可。

附图说明

图1是现有技术的差分结构的安装工况图；

图2是根据本发明的一个实施例的组合式真空差分结构的结构示意图；

图3是如图2所示的组合式真空差分结构的装配示意图；

图4是本发明的组合式真空差分结构在安装后其上下游设备的真空度变化曲线图。

具体实施方式

下面结合结构图和具体案例对本发明进行进一步的说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。

如图2-图3所示为本发明的组合式真空差分结构，该真空差分结构包括波纹管1、与该波纹管1的上游端相连的双面刀口法兰2以及设于波纹管1的腔体内的差分管3，双面刀口法兰2的中央处设有通孔211，该差分管3的一端固定于该双面刀口法兰2的通孔211处，另一端悬空并伸入波纹管1的腔体内。

在本实施例中，在满足特制双面刀口法兰2和差分管3的加工精度和超高真空清洗处理要求的条件下，差分管3在焊接于该双面刀口法兰2上时应当保证焊接精度以及焊缝的质量，其中，焊接精度主要保证双面刀口法兰2的法兰端面相对于差分管3间的垂直度，一般差分管3与双面刀口法兰2的焊接精度小于等于±0.2mm即可，焊接时避免造成夹渣和气孔，进而影响设备的极限真空度。此外，波纹管1、双面刀口法兰2和差分管3的材料均选择不锈钢。

如图3所示，波纹管1的结构与现有的波纹管一致，波纹管本身有两种类型焊接型和压制型，所述波纹管1为焊接波纹管，相对于压制波纹管在横向、轴向力作用下可以产生较大的位移，包括硬管接头11、以及分别设于其上游端和下游端的两个单面刀口法兰12、13，其中波纹管1要与单面刀口法兰12、13焊接，故需要一段硬管接头11连接波纹和法兰两部分。波纹管1的上游端的单面刀口法兰12为松套法兰，使得该波纹管1的上游端通过松套法兰与双面刀口法兰2相连，该波纹管1的上游端的单面刀口法兰12的法兰连接孔为通孔，以便于安装。波纹管1的下游端的单面刀口法兰13为内焊法兰，且波纹管1的下游端通过内焊法兰与下游设备200相连，进而通过波纹管的横向变形实现下游设备200工作位置的切换运动。

双面刀口法兰2可采用标准盲板法兰改制，将其单侧刀口变为双侧刀口而成，其包括板状的本体21和分别设于本体21的两个侧面上的刀口密封槽22、23，双面刀口法兰2的法兰连接孔须为螺纹孔，其中一个刀口密封槽22与波纹管1上游端的单面刀口法兰12通过螺栓固定，从而实现双面刀口法兰2与波纹管1的相连，另一个刀口密封槽23用于密封连接上游设备100。双面刀口法兰2的中央处的通孔211的截面尺寸与差分管3的配合截面外轮廓尺寸一致以便于焊接，差分管3的一端焊接固定于双面刀口法兰2的通孔211处，从而实现差分管3和上游设备100经双面刀口法兰2的通孔211的连通。

差分管3为一管道，其截面为圆形或矩形。

其中，差分管3的截面的孔径的设计应在保证光束顺利通过的前提下，留有充分余量，避免光束漂移照射到管壁，造成设备安全隐患，在满足上述条件的情况下，应尽可能缩小孔径以达到最佳限流效果，因此，差分管3的截面的孔径优选为保证光束在漂移时顺利通过的最小孔径。

差分管3的长度的设计应考虑波纹管的1结构尺寸及运动参数要求。具体地，以差分管3的截面为圆形为例，此时差分管3的长度l须满足：

l≦2δ₁+δ₂+(D-d)L/2Δ，

其中，d为差分管3的圆截面外径，δ₁,为双面刀口法兰2和波纹管1相连接法兰厚度，δ₂为波纹管1的硬管接头11的长度，L为波纹管1的长度，D为波纹管1的内径，±Δ为波纹管1的横向运动位移，单位均为mm。由此，保证相连接设备运动时差分管3与波纹管1不会相互干涉。

此外，尽管差分管3的长度应尽可能长以提高差分效率，但是须注意不能与上下游设备中的结构产生干涉，因此，差分管3的长度l至多为波纹管1的长度。

差分管3的长度稍长时，为了保证其刚性，需要增加差分管3的壁厚，壁厚的选择与管道的加工方式、焊接夹持固定方法、焊接工艺水平均有关系，需要综合各种因素确定，壁厚充分时还可以留有足够的焊接余量，以保证焊缝宽度不会影响有效的通光孔径。

下面具体说明上文所述的组合式真空差分结构的安装方式。以能源材料研究光束线为例，上游设备DCM(液氮双晶单色器)和下游设备PGM2(光栅单色器)两个关键设备的真空腔体直接相连，上游设备DCM的工作压力为1×10^-6Pa，下游设备PGM2的工作压力为小于1×10^-7Pa。若不设置真空差分，下游设备PGM2的工作真空度将直接受到上游设备DCM的影响，然而二者之间的连接距离仅有350mm，而且上游设备DCM还需要实现Si(111)晶体和Si(311)晶体间的水平切换功能，切换行程为±40mm。若采用普通差分方法，在350mm距离内难以同时实现1个量级以上的差分比和上游设备DCM运动需求，而采用本发明结构可以轻松实现这两个功能。计算可得，在满足光斑尺寸要求的前提下，设置差分方管内孔长度35mm×宽度15mm，深度150mm。将此差分管置于DN100长度350mm的波纹管内，即可同时实现上游设备DCM±40mm的运动需求。本发明的组合式真空差分结构由于其差分管3设置于波纹管1内部，而不是如常规差分设计那样直接连接于波纹管1外部，因此相当于直接增加了一个差分管3的距离，实现了常规差分设计350+150mm的连接距离才能实现差分效果，因此可以将PGM2的极限真空度控制在1×10^-7Pa以内(此时PGM2配泵为：500L/s离子泵+2000L/s NEG非蒸散型吸气剂泵)，如图4所示。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化，例如在差分管截面为圆形的情况下，双面刀口法兰和差分管之间的连接形式可以加以改变，固定方式可由焊接方式转变为刀口密封形式，即差分管采用一根棒料直接加工为一端加工为具有凸缘的管道，凸缘上设有密封用刀口，并通过该密封用刀口与双面刀口法兰上加工的刀口通过铜垫圈密封固定，甚至在漏率对差分比影响较小时，差分管的凸缘可以不具有刀口,仅为平面接触连接。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。