用于大尺度團簇交叉碰撞實(shí)驗的差分抽氣系統的設計與真空監測

　　本研究是給大尺度團簇與微團簇交叉碰撞實(shí)驗提供一套性能穩定、真空度高的差分抽氣系統。介紹了差分抽氣系統的整體結構、真空泵以及真空測量與自動(dòng)記錄系統的性能。實(shí)驗測試了差分抽氣系統達到穩定真空的時(shí)間等參量，分析了第二級差分抽氣區真空值異動(dòng)的原因。用脈沖噴射的實(shí)驗方法，測試了差分抽氣系統工作性能及指標，并對裝置可以改進(jìn)的方面做了一些探討。

　　大尺度團簇與微團簇交叉碰撞實(shí)驗是實(shí)現起來(lái)難度非常高的實(shí)驗。該實(shí)驗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 團簇靶。團簇靶與加速到MeV 的微團簇發(fā)生交叉碰撞，由靜電分析儀對交叉碰撞產(chǎn)物進(jìn)行分析，可以探究微團簇粒子的結構及相關(guān)性質(zhì)。實(shí)驗用脈沖噴射方法在靶室中產(chǎn)生大尺度團簇，導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備，都是對真空度變化敏感且昂貴的實(shí)驗設備。為了保護這些設備不被損壞，需要一套差分抽氣系統，既能夠控制靶室真空變化在適當范圍內，又能迅速恢復到穩定真空，使脈沖實(shí)驗可以連續進(jìn)行。一般的差分真空系統的作用，是為實(shí)現一定距離內的真空過(guò)渡。例如蘭州重離子加速器裝置的SFC 真空系統，是為了實(shí)現從100 Pa 到10^-7 Pa 的真空過(guò)渡。又如中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)光譜輻射標準及計量測試光束線(xiàn)實(shí)驗站上使用的，在0.6 m 段達到四個(gè)量級的真空差分而設計的差分系統。本套差分系統主要作用在于迅速抽出交叉碰撞后的剩余團簇以及碰撞碎片，降低靶室在脈沖過(guò)程中的真空變化的劇烈程度。

1、三級差分抽氣系統的設計與裝配

　　根據實(shí)驗需要設計裝配完成的一套三級差分抽氣系統(如圖1)，從團簇源到差分抽氣系統的末端(第三級差分區)，系統長(cháng)度為3.2 m。全部結構采用不銹鋼制造，組裝前經(jīng)過(guò)清洗、加熱方法對金屬進(jìn)行除氣處理。所有差分法蘭內半徑、管道內半徑均為60 mm。為了實(shí)時(shí)掌握靶室、團簇源區域以及差分系統的第一、第二兩個(gè)差分區域的真空狀況，我們在上述四個(gè)區域安裝有ZDF型復合真空計。

圖1 三級差分系統示意圖

　　本實(shí)驗靶室的真空度要求達到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差分抽氣區域和團簇源區域的主泵，也選擇相同型號的渦輪分子泵。第二級差分抽氣區域選擇油擴散泵作為主泵，此區域作為真空過(guò)渡區。交叉碰撞后的剩余團簇以及碰撞碎片會(huì )大量集中在第三級差分抽氣區，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泵，采用同一型號的旋片式機械泵。

表1 差分抽氣系統結構及真空測量點(diǎn)

表2 真空泵的性能指標

2、真空計以及真空測量系統的性能

　　本實(shí)驗采用的真空計是基于觸摸屏和Cortex3 內核處理器的新型真空計，具有響應速度快、抗污染能力強、穩定性好，操作方便等優(yōu)點(diǎn)。由于采用皮拉尼管，所以測量范圍廣，可以從10^-5 Pa 到10⁵ Pa，在真空度小于10^-2 Pa 的條件下，真空計測量精度誤差小于30%。另在技術(shù)擴展下，該真空計可以任意組合測量點(diǎn)數，最多可以支持99 點(diǎn)測量，并且可以進(jìn)行遠程監控。利用這個(gè)特點(diǎn)，我們對該產(chǎn)品進(jìn)行技術(shù)擴展，新增了一套真空測量數據記錄系統。該套系統是由四個(gè)真空計串聯(lián)一臺終端電腦和一個(gè)專(zhuān)用測量軟件組成。電腦上的測量軟件運行后，測量界面顯示四個(gè)測量區域的真空數值，還可以選擇以一個(gè)折線(xiàn)圖(如圖2)的形式，顯示每個(gè)測量點(diǎn)真空值隨時(shí)間的變化情況。測量軟件讀取數據的頻率是10 Hz，從第一個(gè)測量點(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)之間的測量時(shí)延小于1 是可以接受。

3、實(shí)驗測量結果及分析

圖2 測量系統顯示界面(真空度上升階段)

　　關(guān)閉靶室與團簇源區域之間蝶閥，使兩者不連通，團簇源區域真空度保持在低真空度(只開(kāi)機械泵不開(kāi)分子泵)。關(guān)閉三級差分各區域之間蝶閥，使各區域不聯(lián)通，開(kāi)啟系統各區域機械泵，各區域真空度均達到10^-1 Pa 后，打開(kāi)各區對應的主抽氣泵，打開(kāi)各區域之間的蝶閥，等待三級差分各部分真空度都達到穩定狀態(tài)。界面上顯示的四條曲線(xiàn)末端有30，31，32，33標明相應測量區域。

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

圖3 測量系統顯示界面(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(xiàn)

圖5 一個(gè)脈沖周期第一差分區的真空變化曲線(xiàn)

　　從圖4、圖5 可以看出:

　　1)整個(gè)差分系統真空穩定后，靶室以及第一差分抽氣區的真空度接近10^-3 Pa，達到了很高的真空度，滿(mǎn)足交叉碰撞實(shí)驗要求的真空條件;

　　2)在一個(gè)完整的脈沖周期內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)間內恢復到穩定狀態(tài)，進(jìn)行下一次脈沖噴射實(shí)驗，滿(mǎn)足了連續進(jìn)行脈沖實(shí)驗的要求。

4、本實(shí)驗裝置的不足與改進(jìn)分析

　　1)如圖6，實(shí)驗過(guò)程中發(fā)現第二級差分抽氣區域真空值跳動(dòng)很大。

圖6 第二級差分區域真空異動(dòng)圖

　　從圖6 分析可知:

　　1) 第二級差分區(擴散泵區域)真空度低于10^-2 Pa 時(shí)，其真空沒(méi)有明顯波動(dòng)，而當真空度上升到10^-2 Pa 某一值時(shí)，該區域真空曲線(xiàn)明顯波動(dòng)。

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

　　因為羅茨泵抽速比擴散泵快，所以第三級差分區域的真空上升比第二級區域要快。但是，擴散泵的穩定真空比羅茨泵高，當羅茨泵的穩定真空到達后，擴散泵區域真空繼續上升，最后超過(guò)羅茨泵區域。第二差分區真空波動(dòng)原因是羅茨泵區域極限真空低于擴散泵，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(wèn)題就可以解決。

5、結論

　　該套三級差分抽氣實(shí)驗裝置，實(shí)測結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)間內恢復靶室的穩定真空，滿(mǎn)足了連續進(jìn)行脈沖實(shí)驗的要求。雖然第二級差分區真空有跳躍現象，但是對第一級差分區域以及靶室的真空沒(méi)有明顯干擾。該三級差分抽氣系統滿(mǎn)足大尺度團簇與微團簇交叉碰撞實(shí)驗的需要。