本文根據(jù)北京放射性核素裝置(BRIF)-100 MeV 緊湊型回旋加速器主真空特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套插入式低溫冷板模擬抽氣系統(tǒng)。該插入式低溫冷板抽氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)抽速為15 000 l/ s，包括兩塊冷板片，擋板，半開半閉屏蔽罩，及兩套制冷機(jī)，制冷機(jī)一級(jí)功率83W@80K，二級(jí)功率7.5W@20K。抽速和極限壓力測(cè)試采用定壓法，測(cè)試了不帶活性炭和帶活性炭不同情況下的抽速及對(duì)不同氣體的抽速。不帶活性炭平均抽速14 500 l/s；帶有活性炭平均抽速為16 000 l/s，冷板對(duì)氮?dú)夂蜌錃獾钠骄�抽速分別為16 000 l/s 和12 000 l/s。本文還對(duì)極限壓強(qiáng)、容量、降溫時(shí)間等低溫冷板的性能參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明該套模擬抽氣系統(tǒng)極限壓力可達(dá)5. 8E-6Pa，抽速16 000 l/s，可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行100 MeV 回旋加速器主真空低溫抽氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

引言

　　北京放射性核素裝置-100 MeV 強(qiáng)流緊湊型回旋加速器的主磁鐵扇型谷區(qū)直徑4 m，夾角為35度，高度為500 mm，其可以利用的抽氣空間和流導(dǎo)有限僅為4 個(gè)500mm 的孔，負(fù)氫粒子在加速時(shí)的束流損失小于0.5% ，要求加速腔內(nèi)的真空度為5E-6 Pa，需要抽速為140 000 l/s。采用外置泵無(wú)法滿足抽速要求，

　　因此，需要采用內(nèi)置式低溫冷板抽氣系統(tǒng)。為了模擬100 MeV 強(qiáng)流回旋加速器所需低溫冷板抽氣系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一套低溫冷板抽氣模擬實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置根據(jù)在100 MeV 回旋加速器上實(shí)際使用的條件和對(duì)抽速的要求，設(shè)計(jì)成半開放式低溫冷板抽氣系統(tǒng)。它可直接插入真空室內(nèi)，充分利用低溫冷板的抽氣面積和屏蔽板、擋板的流導(dǎo)，以獲取最大的抽氣速率。

1、實(shí)驗(yàn)低溫冷板抽氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　1. 1、低溫冷板抽氣面積計(jì)

　　設(shè)計(jì)抽速為15 000 l/s。低溫冷板的有效抽速是根據(jù)冷凝面的理論抽速、捕獲幾率和輻射擋板的流導(dǎo)三個(gè)因素來(lái)確定的。不考慮輻射擋板，低溫冷板的理論抽速公式如下式所示：

　　式中，Sid為理論比抽速(l/ s·cm²)；A 為低溫冷板的表面積(cm²)；T 為被抽氣體的溫度(K)；M 為被抽氣體的摩爾質(zhì)量(g/mol)，在這里被抽氣體主要是氮?dú)�，因此�?8；R為氣體普適常數(shù)；考慮到輻射擋板的流導(dǎo)和捕獲幾率時(shí)，有效抽速公式如下

　　α，粘附幾率，其意義是氣體分子與低溫抽氣面相碰撞，氣體分子被捕獲的幾率。對(duì)于氮?dú)舛�言，一般�?duì)20K的冷凝面，氮?dú)饫淠�到抽氣面后不再逃逸出�?lái)，這是一種理想抽氣狀態(tài)，因此可以按照理想狀態(tài)處理，取α=1；w，氣體分子從低溫冷板的入口進(jìn)入低溫冷板表面的傳輸幾率(取決于擋板和屏蔽板的結(jié)構(gòu))，對(duì)于90度的人字型擋板，常取流導(dǎo)幾率w=0.48；S為泵的有效抽速(l/s)。由于系統(tǒng)要求有效抽速S為15 000 l/s，將(1)和(3)代入(2)中可得滿足抽速要求的最小抽氣面為0.5 m²。

　　1.2、實(shí)驗(yàn)低溫冷板抽氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

　　低溫冷板抽氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖1 所示，該低溫冷板抽氣系統(tǒng)由兩塊低溫冷板(如圖2所示)、一塊擋板、一個(gè)半開放式的屏蔽罩、兩臺(tái)GM 制冷機(jī)(一級(jí)83W@80K，二級(jí)7.5W@20K)等組成。系統(tǒng)通過接管固定在安裝法蘭上。低溫冷板材料為無(wú)氧銅，它由上下低溫冷板、連接板組裝而成，如圖2 所示。低溫冷板的外表面經(jīng)鍍鎳拋光達(dá)到鏡面，內(nèi)表面粘有活性炭。兩塊冷凝板的有效面積0.56 m²，大于要求的最小抽氣面積。擋板和屏蔽板外表面鍍鎳拋光達(dá)到鏡面，內(nèi)表面鍍黑。

2、性能測(cè)試

　　2.1、測(cè)試罩

　　低溫冷板抽氣系統(tǒng)性能測(cè)試裝置如圖3 所示，抽速測(cè)試采用定壓法，通過流量計(jì)測(cè)得的進(jìn)氣流量Q，測(cè)得測(cè)試罩中的壓力P1，抽速S 可以由下面關(guān)系式得：

　　此處P0為在圖3 測(cè)試裝置中的最低工作壓力。

　　低溫冷板實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)極限壓力為5E-6Pa。一般抽速測(cè)試的起始?jí)毫σ�低于極限壓力2個(gè)量級(jí)，所以測(cè)試抽速的壓力范圍為5E-4Pa ~1E-2Pa。在圖3 測(cè)試裝置上測(cè)量了低溫冷板對(duì)不同氣體的抽氣容量及降溫時(shí)間，抽氣容量是指對(duì)某種氣體的抽氣總量，即當(dāng)抽速降低到初始抽速一半時(shí)，低溫冷板能抽走的氣體總量。低溫冷板的降溫時(shí)間是指低溫冷板從室溫降低到二級(jí)冷頭溫度所用的時(shí)間。

　　2.2、測(cè)試結(jié)果

　　2.2.1、極限真空

　　低溫冷板系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行24 hrs，測(cè)試罩中的壓力測(cè)試結(jié)果如下：低溫冷板沒粘活性炭時(shí)，分子泵(80 l/s)和冷板組合工作，經(jīng)24 hrs 后，測(cè)試裝置中壓力為7.2E-6Pa，當(dāng)關(guān)閉插板閥時(shí)，測(cè)試裝置中的壓力明顯上升。低溫冷板粘有28g椰殼活性炭時(shí)，打開制冷機(jī)4hrs 關(guān)閉分子泵口插板閥，經(jīng)24hrs，測(cè)試裝置中壓力為5.8E-6Pa。

　　2.2.2、抽速

　　抽速測(cè)量采用CS100流量計(jì)控制進(jìn)入測(cè)試罩中的氣體量；高真空測(cè)量采用BA規(guī)(ZJ-12)，測(cè)量范圍1E-7Pa～1E-2 Pa，低真空測(cè)量采用電阻規(guī)(ZJ-52T)，測(cè)量范圍1.0E-2～1E-5 Pa，配ZDF-5214 真空計(jì)。對(duì)氮?dú)鉁y(cè)試結(jié)果如圖4 所示。圖4 中“◇”是冷板沒粘活性炭工作時(shí)對(duì)氮?dú)獾某樗偾�線，平均抽速14 500 l/s；“□”是其中一個(gè)冷板內(nèi)側(cè)粘有28g椰殼活性炭的抽速曲線，平均抽速16 000 l/ s。壓力在1E-4Pa 范圍時(shí)，由于用定壓法測(cè)試抽速時(shí)，很小的流量(> >本底出氣量)都會(huì)導(dǎo)致壓力的大幅度變化，所以導(dǎo)致在5E-4 Pa 到2E-3 Pa 大幅度的變化。

圖4　不同冷板組合的壓力抽速曲線

圖5　冷板對(duì)不同氣體的抽速曲線

　　100 MeV 回旋加速器離子源是負(fù)氫離子源，來(lái)自離子源的氫氣也是主真空室主要?dú)廨d之一，所以也對(duì)該套低溫冷板系統(tǒng)對(duì)氫氣的抽速進(jìn)行測(cè)試。圖5 是粘有活性炭后低溫冷板對(duì)氮?dú)夂蜌錃獾某樗偾�線，實(shí)線是氮?dú)猓�虛線是氫氣，平均抽速分別為16 000 l/ s和12 000 l/ s。

　　2.2.3、抽氣容量

　　對(duì)低溫冷板抽氣裝置的抽氣容量進(jìn)行測(cè)試。低溫冷板沒粘活性炭時(shí)對(duì)氮?dú)獾某闅馊萘繛?.48 E+5 Pal；兩個(gè)低溫冷板中的其中一個(gè)粘貼有28 g 活性炭時(shí)，對(duì)氮?dú)獾某闅馊萘看笥?.26E+6 Pal，同時(shí)對(duì)氫氣的抽氣容量也達(dá)到2.58E +5 Pal。

　　2.2.4、降溫時(shí)間及冷板溫度

　　經(jīng)測(cè)試，低溫冷板系統(tǒng)降溫時(shí)間為4 hrs。低溫冷板上溫度測(cè)量采用銠鐵傳感器(測(cè)量范圍1K ～305 K)，經(jīng)4 hrs 低溫冷板溫度達(dá)到17.25 K。

3、結(jié)論

　　經(jīng)過測(cè)試，實(shí)驗(yàn)低溫冷板抽氣系統(tǒng)在粘活性炭的條件下，運(yùn)行24 hrs 后測(cè)試罩的極限壓力為5.8E-6 Pa，對(duì)氮?dú)獾钠骄�抽�?6 000 l/s，大于設(shè)計(jì)抽速15 000 l/s，該結(jié)果為100 MeV 回旋加速器主真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考。

4、致謝

　　低溫冷板實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)得到吳德忠老師的指導(dǎo)和幫助，在裝置安裝調(diào)試期間，串列加速器升級(jí)工程部機(jī)修組同事給予大力支持和幫助，在此對(duì)他們一并表示深深的感謝。