用于大尺度團(tuán)簇交叉碰撞實(shí)驗(yàn)的差分抽氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與真空監(jiān)測(cè)

　　本研究是給大尺度團(tuán)簇與微團(tuán)簇交叉碰撞實(shí)驗(yàn)提供一套性能穩(wěn)定、真空度高的差分抽氣系統(tǒng)。介紹了差分抽氣系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、真空泵以及真空測(cè)量與自動(dòng)記錄系統(tǒng)的性能。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了差分抽氣系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定真空的時(shí)間等參量，分析了第二級(jí)差分抽氣區(qū)真空值異動(dòng)的原因。用脈沖噴射的實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)試了差分抽氣系統(tǒng)工作性能及指標(biāo)，并對(duì)裝置可以改進(jìn)的方面做了一些探討。

　　大尺度團(tuán)簇與微團(tuán)簇交叉碰撞實(shí)驗(yàn)是實(shí)現(xiàn)起來難度非常高的實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)采用超聲噴射的方法，將幾十個(gè)大氣壓的液態(tài)Ar 由磁控噴嘴噴出，在靶室中心形成Ar 團(tuán)簇靶。團(tuán)簇靶與加速到MeV 的微團(tuán)簇發(fā)生交叉碰撞，由靜電分析儀對(duì)交叉碰撞產(chǎn)物進(jìn)行分析，可以探究微團(tuán)簇粒子的結(jié)構(gòu)及相關(guān)性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)用脈沖噴射方法在靶室中產(chǎn)生大尺度團(tuán)簇，導(dǎo)致靶室真空度瞬間劇烈變化，然而粒子加速器以及靜電分析儀器等設(shè)備，都是對(duì)真空度變化敏感且昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。為了保護(hù)這些設(shè)備不被損壞，需要一套差分抽氣系統(tǒng)，既能夠控制靶室真空變化在適當(dāng)范圍內(nèi)，又能迅速恢復(fù)到穩(wěn)定真空，使脈沖實(shí)驗(yàn)可以連續(xù)進(jìn)行。一般的差分真空系統(tǒng)的作用，是為實(shí)現(xiàn)一定距離內(nèi)的真空過渡。例如蘭州重離子加速器裝置的SFC 真空系統(tǒng)，是為了實(shí)現(xiàn)從100 Pa 到10^-7 Pa 的真空過渡。又如中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)光譜輻射標(biāo)準(zhǔn)及計(jì)量測(cè)試光束線實(shí)驗(yàn)站上使用的，在0.6 m 段達(dá)到四個(gè)量級(jí)的真空差分而設(shè)計(jì)的差分系統(tǒng)。本套差分系統(tǒng)主要作用在于迅速抽出交叉碰撞后的剩余團(tuán)簇以及碰撞碎片，降低靶室在脈沖過程中的真空變化的劇烈程度。

1、三級(jí)差分抽氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與裝配

　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要設(shè)計(jì)裝配完成的一套三級(jí)差分抽氣系統(tǒng)(如圖1)，從團(tuán)簇源到差分抽氣系統(tǒng)的末端(第三級(jí)差分區(qū))，系統(tǒng)長(zhǎng)度為3.2 m。全部結(jié)構(gòu)采用不銹鋼制造，組裝前經(jīng)過清洗、加熱方法對(duì)金屬進(jìn)行除氣處理。所有差分法蘭內(nèi)半徑、管道內(nèi)半徑均為60 mm。為了實(shí)時(shí)掌握靶室、團(tuán)簇源區(qū)域以及差分系統(tǒng)的第一、第二兩個(gè)差分區(qū)域的真空狀況，我們?cè)谏鲜鏊膫�(gè)區(qū)域安裝有ZDF型復(fù)合真空計(jì)。

圖1 三級(jí)差分系統(tǒng)示意圖

　　本實(shí)驗(yàn)靶室的真空度要求達(dá)到10^-2 Pa~10^-4 Pa之間，因此靶室的主抽氣泵選擇渦輪分子泵，極限真空為10^-4 Pa;與靶室相鄰的第一級(jí)差分抽氣區(qū)域和團(tuán)簇源區(qū)域的主泵，也選擇相同型號(hào)的渦輪分子泵。第二級(jí)差分抽氣區(qū)域選擇油擴(kuò)散泵作為主泵，此區(qū)域作為真空過渡區(qū)。交叉碰撞后的剩余團(tuán)簇以及碰撞碎片會(huì)大量集中在第三級(jí)差分抽氣區(qū)，因此選擇抽速快的羅茨泵，才能及時(shí)抽出這些碰撞產(chǎn)物。所有主真空泵的前級(jí)泵，采用同一型號(hào)的旋片式機(jī)械泵。

表1 差分抽氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及真空測(cè)量點(diǎn)

表2 真空泵的性能指標(biāo)

2、真空計(jì)以及真空測(cè)量系統(tǒng)的性能

　　本實(shí)驗(yàn)采用的真空計(jì)是基于觸摸屏和Cortex3 內(nèi)核處理器的新型真空計(jì)，具有響應(yīng)速度快、抗污染能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好，操作方便等優(yōu)點(diǎn)。由于采用皮拉尼管，所以測(cè)量范圍廣，可以從10^-5 Pa 到10⁵ Pa，在真空度小于10^-2 Pa 的條件下，真空計(jì)測(cè)量精度誤差小于30%。另在技術(shù)擴(kuò)展下，該真空計(jì)可以任意組合測(cè)量點(diǎn)數(shù)，最多可以支持99 點(diǎn)測(cè)量，并且可以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。利用這個(gè)特點(diǎn)，我們對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行技術(shù)擴(kuò)展，新增了一套真空測(cè)量數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)。該套系統(tǒng)是由四個(gè)真空計(jì)串聯(lián)一臺(tái)終端電腦和一個(gè)專用測(cè)量軟件組成。電腦上的測(cè)量軟件運(yùn)行后，測(cè)量界面顯示四個(gè)測(cè)量區(qū)域的真空數(shù)值，還可以選擇以一個(gè)折線圖(如圖2)的形式，顯示每個(gè)測(cè)量點(diǎn)真空值隨時(shí)間的變化情況。測(cè)量軟件讀取數(shù)據(jù)的頻率是10 Hz，從第一個(gè)測(cè)量點(diǎn)到第四個(gè)點(diǎn)，所需時(shí)間僅有0.4 s 的時(shí)差，各點(diǎn)之間的測(cè)量時(shí)延小于1 是可以接受。

3、實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果及分析

圖2 測(cè)量系統(tǒng)顯示界面(真空度上升階段)

　　關(guān)閉靶室與團(tuán)簇源區(qū)域之間蝶閥，使兩者不連通，團(tuán)簇源區(qū)域真空度保持在低真空度(只開機(jī)械泵不開分子泵)。關(guān)閉三級(jí)差分各區(qū)域之間蝶閥，使各區(qū)域不聯(lián)通，開啟系統(tǒng)各區(qū)域機(jī)械泵，各區(qū)域真空度均達(dá)到10^-1 Pa 后，打開各區(qū)對(duì)應(yīng)的主抽氣泵，打開各區(qū)域之間的蝶閥，等待三級(jí)差分各部分真空度都達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。界面上顯示的四條曲線末端有30，31，32，33標(biāo)明相應(yīng)測(cè)量區(qū)域。

　　差分系統(tǒng)以及靶室到達(dá)穩(wěn)定真空時(shí)，進(jìn)行模擬放氣實(shí)驗(yàn)，如圖3，在6 分27.6 秒時(shí)間內(nèi)，共進(jìn)行了8 次模擬脈沖放氣實(shí)驗(yàn)。截取的一個(gè)典型脈沖周期分解作靶室真空曲線圖4、第一差分區(qū)真空曲線圖5:

圖3 測(cè)量系統(tǒng)顯示界面(模擬脈沖放氣階段)

圖4 一個(gè)脈沖周期靶室的真空變化曲線

圖5 一個(gè)脈沖周期第一差分區(qū)的真空變化曲線

　　從圖4、圖5 可以看出:

　　1)整個(gè)差分系統(tǒng)真空穩(wěn)定后，靶室以及第一差分抽氣區(qū)的真空度接近10^-3 Pa，達(dá)到了很高的真空度，滿足交叉碰撞實(shí)驗(yàn)要求的真空條件;

　　2)在一個(gè)完整的脈沖周期內(nèi)靶室真空變化范圍始終在10^-1 Pa~10^-3 Pa 之間，真空度劇變期時(shí)間僅為8 s，保證了粒子加速器和靜電分析儀的安全;

　　3)從圖4 上可以估算出一個(gè)脈沖周期的時(shí)間僅為40 s 左右。一次脈沖噴射完成后，靶室的真空能在40 s 左右的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)行下一次脈沖噴射實(shí)驗(yàn)，滿足了連續(xù)進(jìn)行脈沖實(shí)驗(yàn)的要求。

4、本實(shí)驗(yàn)裝置的不足與改進(jìn)分析

　　1)如圖6，實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)第二級(jí)差分抽氣區(qū)域真空值跳動(dòng)很大。

圖6 第二級(jí)差分區(qū)域真空異動(dòng)圖

　　從圖6 分析可知:

　　1) 第二級(jí)差分區(qū)(擴(kuò)散泵區(qū)域)真空度低于10^-2 Pa 時(shí)，其真空沒有明顯波動(dòng)，而當(dāng)真空度上升到10^-2 Pa 某一值時(shí)，該區(qū)域真空曲線明顯波動(dòng)。

　　2) 只關(guān)閉羅茨泵連接真空系統(tǒng)的蝶閥，發(fā)現(xiàn)第二級(jí)真空區(qū)域的真空值變化不大，但是波動(dòng)明顯減弱;只關(guān)閉擴(kuò)散泵連接真空系統(tǒng)的蝶閥，發(fā)現(xiàn)第二級(jí)真空區(qū)域的真空值迅速下降，同時(shí)波動(dòng)看不到了。

　　因?yàn)榱_茨泵抽速比擴(kuò)散泵快，所以第三級(jí)差分區(qū)域的真空上升比第二級(jí)區(qū)域要快。但是，擴(kuò)散泵的穩(wěn)定真空比羅茨泵高，當(dāng)羅茨泵的穩(wěn)定真空到達(dá)后，擴(kuò)散泵區(qū)域真空繼續(xù)上升，最后超過羅茨泵區(qū)域。第二差分區(qū)真空波動(dòng)原因是羅茨泵區(qū)域極限真空低于擴(kuò)散泵，如果將羅茨泵更換成抽氣速度快、極限真空高的替代泵，真空波動(dòng)的問題就可以解決。

5、結(jié)論

　　該套三級(jí)差分抽氣實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)測(cè)結(jié)果既能保證靶室部分高的真空要求，又能夠在一次脈沖噴射后的短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)靶室的穩(wěn)定真空，滿足了連續(xù)進(jìn)行脈沖實(shí)驗(yàn)的要求。雖然第二級(jí)差分區(qū)真空有跳躍現(xiàn)象，但是對(duì)第一級(jí)差分區(qū)域以及靶室的真空沒有明顯干擾。該三級(jí)差分抽氣系統(tǒng)滿足大尺度團(tuán)簇與微團(tuán)簇交叉碰撞實(shí)驗(yàn)的需要。