HIRFL-CSR鈦升華泵的設計
蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)(HIRFL-CSR) 所要求的真空度指標為6 ×10 - 9Pa 。在這個(gè)真空范圍內,殘余氣體的成分主要是H2 , 約占90 % ,其余成分以CO 為主。作者選擇鈦升華泵和濺射離子泵作為系統主抽氣泵。鈦升華泵抽除H2及CO 的效果非常好,但對惰性氣體和CH4幾乎沒(méi)有抽速,可以利用濺射離子泵抽除系統中殘存的少量Ar 及CH4 ,兩者配合,使系統達到超高真空。鈦升華泵與其他無(wú)油泵相比,在相同抽氣口徑下具有抽速大、極限真空高(與離子泵配合) 、使用壽命長(cháng)、結構簡(jiǎn)單、操作方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。作者自行研制了適用于超高真空系統的HIRFL-CSR 鈦升華泵。
在溫度及氣體種類(lèi)確定條件下,影響鈦升華泵在分子流條件下抽速的因素主要是泵口徑的大小、鈦膜的位置及面積、擋板的形狀及位置、鈦膜對所抽氣體的吸附系數等(不考慮吸氣量) 。鈦升華泵的工程計算方法只能按給定的少數條件來(lái)計算,特別是不能改變擋板的形狀。用蒙特卡洛法可以在計算機上模擬氣體分子在分子流下的運動(dòng),計算管道的流導以及低溫泵的抽速 。本文是作者在鈦升華泵口徑及短管長(cháng)度不變的條件下,用蒙特卡洛法在計算機上模擬計算鈦升華泵擋板形狀、位置、吸附系數在不同條件下對抽速的影響以及實(shí)驗結果的報告。
圖1 是HIRFL-CSR 鈦升華泵的示意圖。鈦絲F 放置在圓柱形泵室的軸線(xiàn)位置。從鈦絲蒸發(fā)出來(lái)的鈦原子黏附在擋板2 內表面以及泵室內壁的3～5 部分。氣體分子從泵口1 經(jīng)過(guò)短管6 飛入泵室后,將與各固體表面發(fā)生碰撞。根據各固體表面的吸附系數,確定該氣體分子被吸附還是被反射。當判定為吸附時(shí),則加算到該表面吸附的分子數上;反之,如判定為反射,該氣體分子則再度飛離表面進(jìn)入空間飛行,直到被表面吸附或飛離泵口1。根據被泵室內各表面吸附的氣體分子數與飛進(jìn)泵口的氣體分子總數之比,即可求出氣體分子被鈦升華泵吸附的概率。用此概率乘以泵口該種氣體的流導,即可得出鈦升華泵對該種氣體的抽速。
圖1 HIRFL-CSR 鈦升華泵示意圖
在計算時(shí),根據氣體分子運動(dòng)論:
(1) 氣體分子在飛進(jìn)泵口時(shí)的分布為余弦分布;
(2) 氣體分子與固體表面發(fā)生碰撞再次飛入空間時(shí)的分布也為余弦分布,而與入射到固體表面的角度無(wú)關(guān);
(3) 在泵體內部,氣體分子處于分子流狀態(tài),因而不考慮分子間碰撞,只考慮分子與固體表面碰撞。
在計算程序里,備有一個(gè)隨機數列,隨機選定氣體分子進(jìn)入泵口以及飛離固體表面時(shí)的角度θ的數值,并隨機判定氣體分子是否被表面吸附。每次計算時(shí),設定飛入泵口的氣體分子數為10 萬(wàn)個(gè)。
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