本文詳細(xì)介紹了放置在100 MeV 強(qiáng)流緊湊型回旋加速器主磁鐵谷區(qū)的實(shí)驗(yàn)低溫冷板抽氣裝置的設(shè)計(jì)，并加工了實(shí)驗(yàn)低溫冷板性能測(cè)試罩，對(duì)實(shí)驗(yàn)低溫冷板內(nèi)置及外置情況下的抽氣參數(shù)如抽速、極限壓力、抽氣容量等參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)兩種不同情況下的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析比較。結(jié)果表明，內(nèi)置抽速為外置抽速的2.67 倍，外置極限真空度為內(nèi)置極限真空的2.75 倍，結(jié)合100 MeV 強(qiáng)流緊湊型回旋加速器的實(shí)際情況，100 MeV 低溫板系統(tǒng)的理論抽速與入口綜合流導(dǎo)之比應(yīng)滿足1.1 倍工程設(shè)計(jì)要求。

　　北京放射性核束裝置（BRIF）的核心設(shè)備100 MeV 強(qiáng)流緊湊型回旋加速器，其主磁鐵扇型谷區(qū)直徑4m，夾角為35 度，高度為0.5 m。粒子在加速時(shí)的束流損失要求控制在0.5%以內(nèi)，因此加速腔內(nèi)的真空要求為5×10^-6 Pa，所需要抽速為140000 L/s。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，該裝置既可直接插入到100 MeV 回旋加速器主磁極谷區(qū)中，作為內(nèi)置低溫冷板抽氣裝置，亦可作為外置低溫冷板抽氣裝置使用。本文根據(jù)100 MeV 串列加速器升級(jí)工程項(xiàng)目實(shí)際使用的條件和對(duì)抽速的要求，對(duì)該裝置的低溫抽氣性能進(jìn)行了測(cè)試。

1、實(shí)驗(yàn)低溫冷板抽氣裝置的結(jié)構(gòu)

　　實(shí)驗(yàn)低溫冷板抽氣裝置的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，內(nèi)置式低溫抽氣裝置對(duì)氮?dú)獾念A(yù)期抽速15000 L/s。為了增加氣體進(jìn)入到低溫冷板表面的流導(dǎo)，將該裝置設(shè)計(jì)成半開放式屏蔽板的低溫冷板抽氣裝置。它可直接插入真空室內(nèi)，充分利用低溫冷板的抽氣面積及屏蔽板、擋板的流導(dǎo)，以獲取最大的抽氣速率。該實(shí)驗(yàn)低溫冷板抽氣裝置由兩塊低溫冷板（如圖2 所示）、一塊擋板、一個(gè)半開放式的屏蔽板、兩臺(tái)GM 制冷機(jī)（一級(jí)83W@80K，二級(jí)7.5W@20K）等組成，該裝置通過接管固定在安裝法蘭上，可與內(nèi)置式測(cè)試罩或外置式測(cè)試罩連接。低溫冷板材料為無氧銅，它由上下低溫冷板、連接板組裝而成，如圖2 所示，兩塊冷板的有效面積0.56 m²，低溫冷板的外表面經(jīng)鍍鎳達(dá)到鏡面，表面開均勻小孔以增加氣體分子進(jìn)入到內(nèi)表面的流導(dǎo)，內(nèi)表面粘有活性炭。擋板和屏蔽板材料為無氧銅，外表面鍍鎳達(dá)到鏡面，內(nèi)表面刷黑。

圖1 實(shí)驗(yàn)低溫冷板抽氣裝置　　圖2 低溫冷板

2、性能測(cè)試

　　2.1、實(shí)驗(yàn)低溫冷板內(nèi)置式能測(cè)試罩

　　實(shí)驗(yàn)低溫冷板抽氣裝置內(nèi)置性能測(cè)試罩如圖3 所示，測(cè)試罩直徑1m，高1m，測(cè)試罩中部配置高真空和低真空規(guī)管和通氣孔各一個(gè)。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)試罩中的壓力P1，抽速S 可以由下面關(guān)系式得到：

　　此處P0為圖3 測(cè)試罩中的最低工作壓力。實(shí)驗(yàn)低溫冷板裝置的設(shè)計(jì)極限壓力為5×10^-6 Pa，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5×10^-4 Pa~1×10^-2 Pa。

　　2.2、實(shí)驗(yàn)低溫冷板外置性能測(cè)試罩

　　外置實(shí)驗(yàn)低溫冷板測(cè)試時(shí)安裝到直徑為0.5m，高0.556m不銹鋼桶內(nèi)，入口位置配置高低真空規(guī)管及充氣閥門，作為一個(gè)外接低溫抽氣裝置直接與測(cè)試罩連接，進(jìn)行測(cè)試，如圖4 所示，不銹鋼桶上端距離擋板上端距離0.076m，該段短管的流導(dǎo)18910 L/s，擋板流導(dǎo)9200 L/s，測(cè)試時(shí)將不銹鋼桶與內(nèi)置測(cè)試罩連接，如圖5 所示。

圖3 內(nèi)置式測(cè)試罩示意圖

圖4 外置測(cè)試罩示意圖圖5 外置低溫冷板測(cè)試裝置

　　2.3、內(nèi)置低溫冷板測(cè)試結(jié)果

　　2.3.1、極限真空

　　實(shí)驗(yàn)低溫冷板上溫度測(cè)量采用銠鐵傳感器（測(cè)量范圍1 K ~ 305 K），經(jīng)4hrs 降溫，實(shí)驗(yàn)低溫冷板溫度達(dá)到17.25 K。測(cè)試罩中的壓力測(cè)試結(jié)果如下：實(shí)驗(yàn)低溫冷板沒粘活性炭時(shí)，分子泵（80 L/s）和實(shí)驗(yàn)低溫冷板組合工作，經(jīng)24hrs，測(cè)試裝置中壓力為7.2×10^-6 Pa，當(dāng)關(guān)閉分子泵泵口插板閥時(shí)，測(cè)試裝置中的壓力明顯上升；當(dāng)實(shí)驗(yàn)低溫冷板內(nèi)表面粘有28g 椰殼活性炭時(shí)，制冷機(jī)正常工作后，關(guān)閉分子泵泵口插板閥，經(jīng)24hrs，測(cè)試裝置中壓力為5.8×10^-6 Pa。

　　2.3.2、抽速

　　抽速測(cè)試采用CS100 流量計(jì)控制進(jìn)入測(cè)試罩中的氣體量， 高真空測(cè)試采用BA 規(guī)（ZJ-12），測(cè)量范圍1×10^-7 Pa ~ 1×10^-2 Pa，低真空測(cè)量采用電阻規(guī)（ZJ-52T）， 測(cè)量范圍1.0×10^-2 ~ 1×10⁵ Pa，配ZDF-5214 復(fù)合真空計(jì)，對(duì)氮?dú)獬樗贉y(cè)試結(jié)果如圖6 所示，圖6 中“—◇—”是冷板沒粘活性炭時(shí)對(duì)氮?dú)獾某樗偾�線，平均抽速14500 L/s，“—□—”是其中冷板內(nèi)側(cè)粘有28g 椰殼活性炭對(duì)氮?dú)獾某樗偾�線，平均抽速16000 L/s。

圖6 不同的冷板組合的壓力抽速曲線

圖7 冷板對(duì)不同氣體的抽速曲線

　　100MeV 強(qiáng)流緊湊型回旋加速器采用負(fù)氫離子源作為外部注入離子源，所以來自離子源的氫氣也是主真空系統(tǒng)中的主要?dú)廨d， 考慮到100MeV 強(qiáng)流緊湊型回旋加速器的實(shí)際情況，對(duì)該套實(shí)驗(yàn)低溫冷板裝置對(duì)氫氣的抽速進(jìn)行測(cè)試，圖7 是粘有活性炭的實(shí)驗(yàn)低溫冷板對(duì)氮?dú)夂蜌錃獾某樗偾�線，實(shí)線是氮?dú)�，虛線是氫氣，對(duì)氮?dú)夂蜌錃獾钠骄�抽速�?6000 L/s 和12000 L/s。

　　2.3.3、抽氣容量

　　對(duì)實(shí)驗(yàn)低溫冷板裝置的抽氣容量進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1 所示。實(shí)驗(yàn)低溫冷板未粘活性炭，對(duì)氫氣的抽氣容量幾乎為零，對(duì)氮?dú)獾某闅馊萘繛?.48×10⁵ Pa·L，粘貼活性炭后，對(duì)氫氣的抽氣容量增加到2.58×10⁵ Pa·L，對(duì)氮?dú)獾某闅馊萘看笥?.26×10⁶ Pa·L。

表1 抽氣容量測(cè)試結(jié)果

　　2.4、外置低溫冷板測(cè)試結(jié)果

　　與內(nèi)置實(shí)驗(yàn)低溫冷板相同，對(duì)外置實(shí)驗(yàn)低溫冷板進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)過4hrs 的降溫，實(shí)驗(yàn)低溫冷板溫度降至19K，對(duì)氮?dú)獾某樗贋?900 L/s，24hrs后測(cè)試罩內(nèi)的壓力為1.6×10^-5 Pa。低溫冷板外置和內(nèi)置，其性能參數(shù)測(cè)試結(jié)果如表2 所示，從表2 中看出，二者的降溫時(shí)間相同，內(nèi)置抽速為外置抽速的2.67 倍，外置極限真空為內(nèi)置極限真空的2.75 倍。

表2 內(nèi)置和外置實(shí)驗(yàn)低溫冷板測(cè)試結(jié)果

3、結(jié)果分析及結(jié)論

　　經(jīng)過測(cè)試，內(nèi)置實(shí)驗(yàn)低溫冷板在粘活性炭的條件下，運(yùn)行24hrs 后測(cè)試罩的壓力為5.8×10^-6 Pa，對(duì)氮?dú)獾钠骄�抽�?6000 L/s，外置實(shí)驗(yàn)冷板在同樣條件下，極限壓力為1.6×10^-5 Pa，對(duì)氮?dú)獾某樗贋?900 L/s。外置的抽速遠(yuǎn)小于內(nèi)置抽速，經(jīng)計(jì)算分析，外置實(shí)驗(yàn)低溫冷板的實(shí)際測(cè)試裝置不銹鋼桶上端距離擋板上端距離0.076m，該短管的流導(dǎo)18910 L/s；擋板流導(dǎo)9200 L/s，考慮到短管和擋板后的流導(dǎo)6190 L/s，意味著低溫冷板外置的最大抽速不超過6190 L/s。外置實(shí)驗(yàn)低溫冷板的理論抽速與外置測(cè)試殼入口處綜合流導(dǎo)的比值為14763/6190＝2.385，從這個(gè)比值來看，由于入口的綜合流導(dǎo)的限制，當(dāng)入口的綜合流導(dǎo)大于冷板的理論抽速時(shí)，低溫冷板的自身結(jié)構(gòu)決定其整體有效抽速，當(dāng)入口的流導(dǎo)小于冷板的理論抽速抽速與入口綜合流導(dǎo)的比值太大了意義也不大，所以100MeV 插入式低溫冷板工程設(shè)計(jì)時(shí)冷板的抽速與入口綜合流導(dǎo)之比應(yīng)在1.1 倍左右。

4、致謝

　　低溫冷板實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)得到加拿大TRIUMF 實(shí)驗(yàn)室Igor、近代物理研究所吳德忠的指導(dǎo)和幫助，在裝置安裝調(diào)試期間，串列加速器升級(jí)工程部同事給予大力支持和幫助，在此對(duì)他們的幫助表示深深的感謝。