加速器真空系统常用材料是不锈钢、铜和铝。由于铜有低的光子解吸量，高的电导性，并且能够有效地防止光子从真空盒穿透而损坏磁铁和其它硬件，因而被广泛地应用到加速器真空系统中。铝有较好的热导性和低的磁导率，但高温烘烤后容易变形并强度下降^[5]。不锈钢具有高强度和低磁导率，容易加工，制造费用比铜和铝低，但热导性（导热系数约15 W/(m·K)）比较差。

HEPS加速器储存环真空盒设计时受到两个方面条件的约束：一是高能同步辐射光源在最高流强200 mA运行时，储存环48个弧区的真空设备分别承受约12 kW的同步辐射功率^[6]，除去光子吸收器的份额，真空盒需要承受约7.5 kW的同步辐射功率，真空盒内壁功率密度最高达38 W/mm²，所以常用的不锈钢和铝材料无法满足该工况。二是由于磁铁孔径和束流清晰区的限制，真空盒的基本截面形状定为φ24 mm×φ1 mm （壁厚）的圆截面，同步光引出区域为圆截面加前室结构，考虑到束流阻抗和加工焊接成本，拉制一体成型的各类型号的管坯为首选。

表1统计了加速器真空系统常用铜合金的机械性能参数。氧化铝弥散强化铜（C15715）各项性能表现优秀，但是市场价格太高，不适合大范围加工使用。第四代光源中瑞典的MAX IV^[6]和巴西的SIRIUS^[7] 使用含银无氧铜（C10700）真空盒，因为C10700有好的导热性，在其热周期中可以保持高的强度，不容易变软。但HEPS预研前期使用C10700材料拉制的前室真空盒样件在250℃烘烤实验中出现塑性变形，前室部分塌陷明显。

考虑到加工成本和HEPS储存环镀吸气剂膜的真空盒激活温度可能达到250℃，HEPS真空盒选用软化温度在500℃的铬锆铜（C18150）材料进行挤压成型并拉制成特定的形状。因为铬锆铜具有较高的强度和硬度，较好的导电性和导热性，软化温度高，出气率低。经时效处理后硬度、强度、导电性和导热性均显著提高，易于焊接^[9]。

采用生产商提供的棒料制成的试验件进行抗拉强度试验，模拟实际使用工况（实际工况加热循环：极限真空 200℃@48 h、镀吸气剂膜110℃@8 h、激活250℃@24 h）进行反复升降温5次，可以看到未烘烤时的屈服强度时约450 Mpa，经过几轮烘烤后，屈服强度逐渐降低至原来的70%，也满足使用要求，如图1所示。5条曲线没有逐渐依次降低的原因是由于棒料的径向不同位置硬度和强度不一致，没有按同一半径取料导致。

由于C18150软化温度约550℃，为了保证机械强度不采用钎焊工艺进行铬锆铜同种材料之间和异种材料（法兰材料SS316 LN）之间的焊接。而采用各类自熔焊进行试验。

委托哈工大材料结构精密焊接与连接全国重点实验室进行焊接实验，经过焊接实验，认为在不添加焊丝进行材料直接对接的情况下，316 LN奥氏体不锈钢和C18150铬锆铜合金薄壁管之间氩弧焊焊接具有相当大的难度，难以获得令人满意的焊接接头。激光焊焊缝成型较好，但焊缝成型状况略差于电子束焊^[10-11]。以下主要对C18150、SS316 LN和Inconel625 （拟采用的过渡材料）三种材料同种和异种之间的电子束焊结果做对比。

将所有管材样件进行焊前500目砂纸打磨，去除铁锈及氧化膜，并用丙酮清洗表面去除油污。为确定异种材料管材对接试验的焊接参数，首先对同种材料的管材进行了不填丝电子束堆焊试验，根据C18150、SS316 LN和Inconel625的物理性能（熔点、热导率等）来预测电子束堆焊实验参数，堆焊试验参数列于表2中。由于最终要完成异种管材的对接，因此本实验所采用的焊接速度保持为600 mm/min不变，且由于管材壁厚较薄，因此采用电子束聚焦于管材表面的表面聚焦方式。

经过多次试验，按表2中的焊接参数三组同种材料焊缝外观获得比较满意效果。SS316 LN和Inconel625对接焊缝表面光滑，鱼鳞纹致密且细腻，焊缝具有一定的余高。在焊缝的收弧处可见明显的痕迹，在收弧处余高降低。在管材内壁可见明显的焊缝痕迹，焊缝背面熔宽适中，无未焊透现象。在5 mA束流下可以实现单面焊双面成形（图2）。

由于C18150具有较高的热导率，因此在焊接速度不变的情况下，焊接束流需要大幅度提高。因此，C18150对接焊缝采取10 mA的束流进行堆焊，焊缝表面光滑，无飞溅与毛刺，焊缝下塌现象不明显，且由于铜管较高的导热率，使得收弧处对焊缝几乎无影响。

经过多次试验，表3中列出三组异种材料焊缝外观获得比较满意效果的参数^[10]。由于异种材料的导热性能差别较大，钢/铜和镍/铜采用偏束焊接，偏向铜一侧。可以看到，铜/钢和镍/铜焊缝表面和背面均无下凹和下塌现象，焊接接头内部成形良好，无焊接缺陷。但铜/钢焊缝钢侧熔化区较小化，焊缝中心成分以铜为主，晶粒粗大。镍/铜焊缝内部由树枝晶构成，铜侧热影响区晶粒粗大，焊缝内部分散着圆球形的组织，镍管一侧也发生了一定的熔化，焊缝强度优于前者（图3、图4、图5）。试验结果可以看到铜钢之间加镍管作为过渡进行焊接比较理想，但会多一道焊缝。之后做了C18150和Inconel625的管件焊缝拉伸试验，屈服强度约为130 Mpa，抗拉强度约为270 Mpa，样件断裂在铜侧热影响区。最终确定使用电子束焊进行真空盒铬锆铜材料相关焊缝的焊接。

考虑到镍合金（Inconel625）的硬度为220~450 HV，高于不锈钢，直接用作法兰材料，既可以保证刀口硬度，又能减少焊缝数量。

真空盒加工制造中的铬锆铜材料管坯的拉制工艺较复杂。根据材料特性拉制过程较长，因为过程中会有加工硬化，通常需要多道次拉拔才能达到目标尺寸，当硬化严重时中途需要退火，还需前期固溶处理和后期时效强化。所以，加工周期较长，管坯试制成功后需要提前定制。

铬锆铜硬度高，硬化快，拉制过程中的废品率和模具损耗率也比较高。综合估算成本约是无氧铜管的3~4倍。

HEPS储存环周长1360.4 m，采用24个双7BA单元消色散Lattice设计，束流发射度是34.2 pm·rad，HEPS储存环分为48个标准单元，一个单元弧度是7.5°。每个标准单元里22.2 m长的标准弧区用于安装各类磁铁，每个标准弧区单元包括24根真空盒（18根束流真空盒、6根引光真空盒）（图6）。全环真空盒通用位置和特殊位置总共46种型号，如表4所示。

储存环铬锆铜（C18150）束流线真空盒内径22 mm，两条引光线前的弧区真空盒有引光前室，前室高度均为7 mm；引光线真空盒截面为跑道型，尺寸多种规格。真空盒法兰和较正磁铁处的薄壁（0.5 mm）管道使用镍合金（Inconel625）材料。真空盒束流出口设计有挡块，用于遮挡同步辐射光，避免下游BPM屏蔽波纹管组件同步光沉积；铬锆铜真空盒管身外侧和挡块有冷却水管和水套，水冷管对侧设计有加热丝卡槽，用于固定铠装加热丝。水冷管和加热丝卡槽使用镉基钎料（牌号：HL503，熔化温度338℃~393℃）与管身钎焊（图7、图8、图9）。

由于弧区磁铁布局紧凑，束流线上几乎没有空间安装离子泵，所以弧区的四个光子吸收器和大部分离子泵设计安装在与两条引光线不干涉的前室真空盒外侧。鉴于此处真空盒需要设计引光前室，并预留法兰接口用以安装光子吸收器和离子泵，整体加工和焊接难度较大，则相关的弯转磁铁（VC02/14/17）和多通真空盒（VC04）采用不锈钢（SS316 LN）材料，方便加工并提高安全系数。不锈钢真空盒的束流通道内径22 mm，电镀无氧铜膜（<20 μm），以减少束流阻抗。弯转磁铁（VC02/14/17）前室高度开口7 mm，为了增大流导，前室高度向外侧逐渐增大。外侧和光子吸收器下方留有CF法兰泵口，用于安装离子泵、预抽机组和各类真空测量元件。弯转磁铁内部结构较复杂，主体采用上下两半整体加工，四级铁薄壁管道处采用慢走丝线切割，使用激光焊进行主题焊接，辅助以氩弧焊（图10）。

多通真空盒（VC04）（图11）主体束流通道处设计有铬锆铜材料屏蔽，保证束流通道截面无突变，用于减小束流阻抗^[12]。

由于安装空间狭小，真空盒法兰采用侧面开槽及螺母嵌入的形式，束流入口为活套法兰，出口挡块处为固定法兰。法兰侧面留有支架固定螺孔和准直靶标座定位盲孔。

由于HEPS储存环每个标准弧区有约12 kW的同步辐射光功率沉积，其中四个光子吸收器可以分担约5 kW功率，其余约7 kW功率会不均匀分布在真空盒内壁及末端挡块上。具体数据见图12。所以，对同步光功率沉积集中的真空盒进行了热结构耦合分析，通过计算结果进行了设计方案的优化，确保真空盒温度、位移和应力的分布在相对安全范围。除了个别位置之外，绝大多数真空盒的最高温度小于80℃、最大位移小于0.3 mm、最大应力小于150 MPa。

VC10铬锆铜真空盒和其末端挡块（MSK7）是同步光功率沉积最大的地方，分别为1.672 kW和1.434 kW。由于末端挡块（MSK7）承受功率较大，功率密度高，将该挡块迎光面加长到300 mm，可以将功率密度降到到40 W/mm²以下。确保在其在最大功率状态下的安全运行。VC10的温度、位移和应力分布如图13-图15所示。

由于HEPS储存环的两个特殊插入件（AK&MANGO）下游的同步光张角较大，相关真空盒（VC02&VC03&VC04）和同步光引出真空盒（VCBL02&VCBL03）的上下内表面会受到较强同步光照射，对此进行了相应的设计调整。VC02（SID）真空盒采用C18150和Inconel625材料加工并在同步光扫过的三分之一前室段增加了挡光面以降低同步光功率，下游为了挡光也增加了长挡块设计，同时相关各真空盒进出口前室高度也做了增大并平滑过渡，避免真空盒之间的波纹管受光照射。

真空盒加工和安装误差叠加会导致真空盒上下内表面受光功率密度和总功率发生变化。通过对各工况下相关真空盒的热结构耦合仿真计算以及设计方案的调整，确保真空盒温度、位移和应力的分布在允许范围（最高温度小于80℃、最大位移小于0.3 mm、最大应力小于150 MPa）以内，并规定最大允许的束流轨道偏差和真空盒加工安装误差。

真空盒采用末端完全固定，前端可在束流方向滑动约束方式，施加同步光功率，大气压、重力载荷进行热结构耦合仿真计算。图16-图19显示了VC02（SID）和VCBL02（SID）真空盒在极端工况下的位移和应力的计算结果（表5）。

2023年8月历时一个月进行了储存环弧区真空设备试安装试验。真空盒安装过程基本顺利，真空设备整体漏率小于5 × 10⁻¹¹ Pa·m³/s。同时进行了烘烤实验（使用HEPS标准NEG膜激活烘烤流程），检查验证了真空盒在加热伸长后滑动端支架滑动正常，屏蔽波纹管的伸缩量可以吸收真空盒长度的变化。真空系统未镀吸气剂膜烘烤后的最终平均真空度约为7.5 ×10⁻⁸ Pa （图20）。所有真空盒内壁按不同材料经过超高真空清洗，质谱检测无污染（图21）。

根据HEPS储存环同步光沉积功率分布情况，选定了铬锆铜（C18150）和不锈钢（SS316 LN）作为真空盒的主要加工材料，法兰及少量过渡材料使用镍合金（Inconel625）。并通过各类焊接实验确定电子束焊作为铬锆铜和镍合金的焊接方式，分上下两半加工的不锈钢真空盒采用激光焊和氩弧焊两种方式。

按照储存环标准弧区的磁铁布局，设计了24种标准真空盒，其中包括20种铬锆铜真空盒和4种不锈钢真空盒。真空盒束流孔径22 mm，前室高度7 mm；引光真空盒截面为跑道型。铬锆铜真空盒末端设计有同步光挡块，外壁分别焊接有冷却水管和加热丝卡槽；不锈钢真空盒采用上下两半整体加工并焊接，安装在弯转磁铁内部，侧面空间为光子吸收器和离子泵设计开口。所有真空盒束流通道开孔处均设计有屏蔽结构。为满足特殊插入件和束流测量的需求，另外设计了22种特殊真空盒，全环真空盒共计46种型号。通过有限元分析软件对同步光功率沉积较多的真空盒进行热结构耦合分析，确认其温度、位移和应力的最大值在安全范围内。

真空盒批量加工前，进行了储存环弧区真空系统试安装试验，确认了各非标硬件设备接口匹配，使用HEPS标准NEG膜激活烘烤流程进行了储存环弧区真空系统烘烤实验，真空系统未镀吸气剂膜烘烤后的最终平均真空度约为7.5×10⁻⁸ Pa，质谱检测无污染（图22）。

储存环真空系统于2023年11月开始正式安装，并于2024年7月完成。储存环真空系统经过在线烘烤和吸气剂膜激活，平均压强优于5×10⁻⁸ Pa，达到静态真空设计要求^[13]。