BEPC Ⅱ束流引入的真空測量誤差

2010-03-06 肖瓊 中國科學(xué)院高能物理研究所

　　當BEPC Ⅱ儲存環(huán)的束流突然丟失時(shí),真空計和離子泵的壓力測量值都先有一個(gè)瞬時(shí)的減小,之后才逐漸降低到本底壓力。這表明束流運行時(shí)壓力測量值中存在著(zhù)束流引入的正誤差,誤差量正是測量值減去實(shí)際值之差。丟束之后束流引入的誤差立即消失,真空計測量值反映的是實(shí)際壓力。對于某個(gè)真空計,利用突然丟束后壓力測量值隨時(shí)間變化的數據進(jìn)行非線(xiàn)性擬合,得到一條負指數衰減的抽空曲線(xiàn),根據它外推可以得到丟束時(shí)刻的實(shí)際壓力。對于若干次突然丟束,用這種方法觀(guān)察丟束流強不同時(shí)該真空計誤差量的變化,發(fā)現誤差量與流強基本呈正比例關(guān)系。通過(guò)直線(xiàn)擬合求得比例系數,也就得到了在任意流強下根據該真空計壓力測量值來(lái)計算實(shí)際壓力的公式。

　　高能加速器在束流運行時(shí),真空系統的氣載主要來(lái)自同步光照射真空室壁導致的氣體分子脫附 ,本底的放氣只占很小的一部分。例如BEPC Ⅱ儲存環(huán)的電子束流為300mA 時(shí),電子環(huán)平均壓力約為146nPa ,而無(wú)束流時(shí)平均壓力僅為29nPa 。當正在運行的束流突然丟失時(shí)(例如高頻腔壓故障,丟束時(shí)間在幾秒鐘內) ,同步光對氣載的貢獻也很快變?yōu)榱?真空系統的壓力應該逐漸降低,回歸到無(wú)束流時(shí)的本底壓力。然而,在BEPC Ⅱ儲存環(huán)的束流運行中我們發(fā)現,突然丟束后真空測量?jì)x器上顯示的壓力值并不完全是逐漸下降的:在丟束后的幾秒內有一個(gè)大臺階的瞬時(shí)下降,之后才是逐漸下降到本底壓力。

　　這種丟束時(shí)壓力測量值瞬時(shí)下降的現象在PEP-Ⅱ和KEKB等國外加速器上都觀(guān)察到了。PEP-Ⅱ和KEKB 都認為,這是由于束流運行時(shí)真空計壓力測量值中存在著(zhù)束流帶來(lái)的同步光電子所引入的誤差,突然丟束時(shí)光電效應立即結束,誤差也立即消失,于是壓力測量值立即回歸到實(shí)際值,表現為一個(gè)大臺階的下降。PEP-Ⅱ觀(guān)察到在存在縱向磁場(chǎng)的真空管道處(例如真空盒外繞螺線(xiàn)管) ,同步光電子受到縱向磁場(chǎng)抑制,這種誤差會(huì )減小。KEKB 發(fā)現在規管所在的支路管道(原文稱(chēng)之為“規管脖子”)加裝一個(gè)二極磁鐵,可以在一定程度上偏轉同步光電子,同時(shí)減小這種誤差。這些現象都支持了誤差來(lái)自同步光電子的推斷。

　　下文介紹了在BEPCⅡ儲存環(huán)真空系統上觀(guān)察到的束流引入真空測量誤差的現象。這里,我們不探討引入誤差的內在機理,而是給出了一種計算突然丟束時(shí)刻的實(shí)際壓力的方法,進(jìn)而根據若干次突然丟束后真空計的壓力數據得到真空計的校正公式。

1、BEPC Ⅱ束流引入真空測量誤差的觀(guān)察

　　BEPC Ⅱ真空系統上主要的真空測量儀器是冷陰極規(CCG)和熱陰極規(BAG),除此之外結合了非蒸發(fā)型吸氣劑的濺射離子泵(INP) 也能給出壓力測量值。這些儀器的讀數都保存在歷史數據庫中,每10s 保存一次。從歷史數據中可以發(fā)現,每當突然丟束時(shí),真空計的壓力讀數都會(huì )先有一個(gè)較大臺階的下降(20s以?xún)? ,然后才逐漸按照指數衰減規律變小,濺射離子泵的壓力讀數也有類(lèi)似的跳變現象。圖1 表示的是正、負電子環(huán)某次突然丟束時(shí)真空測量?jì)x器記錄的壓力數據。其中,圖1(a)中I(e +) 表示的是正電子束流的流強, P(R2I-CCG6) 、P(R1I-BAG1) 和P (R2O-INP26) 分別表示正電子環(huán)某冷規、熱規和濺射離子泵測量的壓力,圖1(b)是負電子環(huán)的類(lèi)似情況。

丟束時(shí)壓力測量值的突然減小

圖1 　丟束時(shí)壓力測量值的突然減小

　　在泵抽速恒定的情況下,真空系統的時(shí)間常數應該是不變的,圖1 中壓力測量值的突然降低和逐漸降低顯然互相矛盾。這里我們借鑒PEP2 Ⅱ和KEKB 的解釋,束流運行時(shí)真空測量?jì)x器的壓力測量值存在著(zhù)束流引入的誤差,這種誤差在突然丟束時(shí)立即消失,表現為壓力測量值的突然降低,之后的壓力測量值逐漸降低才是實(shí)際壓力的變化過(guò)程。

2、利用丟束后的壓力測量數據計算丟束時(shí)刻的實(shí)際壓力

　　由于上述誤差是束流引入的,我們可以認為丟束20s 之后的真空計測量值反映了實(shí)際壓力。那么,我們可以根據丟束20s 之后的壓力數據進(jìn)行非線(xiàn)性擬合,得到丟束之后的抽空曲線(xiàn),并由該曲線(xiàn)來(lái)外推丟束時(shí)刻的實(shí)際壓力。

　　我們考慮真空計所在的一個(gè)真空盒單元,由于相鄰的真空盒狀況很接近,可忽略相鄰真空盒間的凈氣體流動(dòng),將本真空盒近似為一個(gè)封閉系統。假設本底放氣率為Q0 ,泵的總抽速為S ,真空盒體積為V ,實(shí)際壓力為P ,從突然丟束到壓力再次達到平衡的過(guò)程中, P 應該滿(mǎn)足如下方程 :

　　P 與抽氣時(shí)間t 大致滿(mǎn)足如下指數衰減關(guān)系:

　　其中P0 = Q0/S 為本底壓力,K1 是與起始時(shí)刻相關(guān)的常數,K2 是真空系統的時(shí)間常數,1/ K2 = S/ V 是單位體積上分布的抽速。


表1 　丟束后R1I2CCG6 的壓力測量值變化

丟束后R1I2CCG6 的壓力測量值變化

　　根據丟束20s 以后的P 隨t 變化的數據可以擬合公式(1) :P=P0+ K1exp(- t/K2) ,由擬合的曲線(xiàn)外推可求得剛開(kāi)始丟束時(shí)刻的實(shí)際壓力。

　　以正電子環(huán)冷規R1I-CCG6 為例。在2008年1月17日的0 點(diǎn)1min50s 發(fā)生過(guò)一次突然丟束,290mA 的正電子束流在幾秒鐘內丟掉,我們觀(guān)察到剛剛丟束的10s 內壓力測量值從79 ( ×13.3nPa) 變?yōu)?8 ( ×13.3nPa) ,20s 之后大致按指數規律衰減。P - t 數據見(jiàn)表1 ,以剛開(kāi)始丟束時(shí)為t=0時(shí)刻。

　　我們認為丟束20s 之后的真空計讀數可以代表實(shí)際壓力,那么去掉表1 中的前兩組數據,以從20s到300s的數據來(lái)擬合(如圖2),得到式(1)的三個(gè)常數:

P0 = 14. 58100
K1 = 14. 36937
K2 = 52. 09548

　　由此可得,當t = 0 時(shí),實(shí)際壓力P = P0 + K1 =28.9 ( ×13.3nPa) ,其數值比真空計的壓力測量值79 ( ×13.3nPa) 要小很多�？梢�(jiàn),在290mA 束流運行時(shí),壓力測量值存在著(zhù)較大的正誤差。

根據丟束20s 之后的數據擬合P-t 曲線(xiàn)

圖2 　根據丟束20s 之后的數據擬合P-t 曲線(xiàn)

3、誤差量與流強的關(guān)系及真空計校正公式

　　由于突然丟束對設備是有害的,我們不能特意地做突然丟束實(shí)驗,也就無(wú)法得到很充分的數據,但是利用過(guò)去發(fā)生的突然丟束情況的歷史記錄可以得到若干個(gè)流強I 下的真空度測量值P1 和實(shí)際值P2的對照。正電子以冷規R1I-CCG6 為例,如表2 ,負電子以冷規R3I - CCG6 為例,如表3。

　　由于束流對真空室內壁有清掃作用,隨著(zhù)束流運行時(shí)間的累積,平均每毫安束流所引入的氣載是逐漸減小的。另外,不同次注入的束流,同步光照射的位置可能不完全相同,導致平均每毫安束流所引入的氣載有所變化。因此,表2 和表3 中實(shí)際壓力P2 與流強I 不呈線(xiàn)性關(guān)系。然而,我們發(fā)現束流引入的誤差P1 - P2 與I 基本上是呈線(xiàn)性關(guān)系。按照PEP-Ⅱ和KEKB 的結論,束流引入的誤差是同步光電子造成的,考慮到同步光電子的量是與束流流強成正比的,沒(méi)有束流的時(shí)候也沒(méi)有這種誤差,上述線(xiàn)性關(guān)系應該就是簡(jiǎn)單的正比例關(guān)系,也就是一條過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)。如果我們利用現有的數據擬合得到P1-P2 隨I 的變化關(guān)系,那么在已知流強I 和真空度測量值P1 的情況下,就可以根據上述變化關(guān)系來(lái)計算真空度實(shí)際值P2 。

正電子環(huán)R1I - CCG6 的數據 負電子環(huán)R3I - CCG6 的數據

表2 　正電子環(huán)R1I - CCG6 的數據　　表3 　負電子環(huán)R3I - CCG6 的數據

　　對表2 中的P1 - P2 隨I 的變化關(guān)系作過(guò)原點(diǎn)的線(xiàn)性擬合,如圖3。

R1I - CCG6 的誤差隨流強的變化關(guān)系擬合

圖3 　R1I-CCG6 的誤差隨流強的變化關(guān)系擬合

　　對于正電子環(huán)冷規R1I-CCG6 來(lái)說(shuō),已知流強I 和壓力測量值P1 ,就可以根據下面的公式計算實(shí)際壓力P2 :

P2=P1-0.1835 I (單位同表2)

　　對表3 中的P1-P2隨I的變化關(guān)系作過(guò)原點(diǎn)的線(xiàn)性擬合,如圖4。

R3I-CCG6 的誤差隨流強的變化關(guān)系擬合

圖4 　R3I-CCG6 的誤差隨流強的變化關(guān)系擬合

　　對于負電子環(huán)冷規R3I-CCG6來(lái)說(shuō),已知流強I 和壓力測量值P1,就可以根據下面的公式計算壓力實(shí)際值P2 :

P2=P1-0.02341 I(單位同表3)

4、結論

　　BEPC Ⅱ束流運行時(shí)真空測量中存在著(zhù)束流引入的誤差。利用突然丟束后壓力隨時(shí)間變化的數據,通過(guò)非線(xiàn)性擬合,可以求得丟束時(shí)刻的實(shí)際壓力。用這種方法觀(guān)察丟束流強不同時(shí)誤差量的變化,發(fā)現了誤差量與流強基本呈正比例關(guān)系,并通過(guò)直線(xiàn)擬合求得了比例系數。這也就得到了根據流強和壓力測量值來(lái)計算實(shí)際壓力的公式。