本文詳細介紹了放置在100 MeV 強流緊湊型回旋加速器主磁鐵谷區(qū)的實驗低溫冷板抽氣裝置的設(shè)計，并加工了實驗低溫冷板性能測試罩，對實驗低溫冷板內(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)進行了測試，并對兩種不同情況下的測試結(jié)果進行了分析比較。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 強流緊湊型回旋加速器的實際情況，100 MeV 低溫板系統(tǒng)的理論抽速與入口綜合流導之比應滿足1.1 倍工程設(shè)計要求。

　　北京放射性核束裝置（BRIF）的核心設(shè)備100 MeV 強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 強流回旋加速器所需低溫冷板抽氣系統(tǒng)，設(shè)計了一套低溫冷板抽氣模擬實驗裝置，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 串列加速器升級工程項目實際使用的條件和對抽速的要求，對該裝置的低溫抽氣性能進行了測試。

1、實驗低溫冷板抽氣裝置的結(jié)構(gòu)

　　實驗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氮氣的預期抽速15000 L/s。為了增加氣體進入到低溫冷板表面的流導，將該裝置設(shè)計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，以獲取最大的抽氣速率。該實驗低溫冷板抽氣裝置由兩塊低溫冷板（如圖2 所示）、一塊擋板、一個半開放式的屏蔽板、兩臺GM 制冷機（一級83W@80K，二級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)置式測試罩或外置式測試罩連接。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)鍍鎳達到鏡面，表面開均勻小孔以增加氣體分子進入到內(nèi)表面的流導，內(nèi)表面粘有活性炭。擋板和屏蔽板材料為無氧銅，外表面鍍鎳達到鏡面，內(nèi)表面刷黑。

圖1 實驗低溫冷板抽氣裝置　　圖2 低溫冷板

2、性能測試

　　2.1、實驗低溫冷板內(nèi)置式能測試罩

　　實驗低溫冷板抽氣裝置內(nèi)置性能測試罩如圖3 所示，測試罩直徑1m，高1m，測試罩中部配置高真空和低真空規(guī)管和通氣孔各一個。抽速測試采用定壓法，通過流量計測得的進氣流量Q，測試罩中的壓力P1，抽速S 可以由下面關(guān)系式得到：

　　此處P0為圖3 測試罩中的最低工作壓力。實驗低溫冷板裝置的設(shè)計極限壓力為5×10^-6 Pa，一般抽速測試的起始壓力要低于極限壓力2個量級，所以測試抽速的壓力范圍為5×10^-4 Pa~1×10^-2 Pa。

　　2.2、實驗低溫冷板外置性能測試罩

　　外置實驗低溫冷板測試時安裝到直徑為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，作為一個外接低溫抽氣裝置直接與測試罩連接，進行測試，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18910 L/s，擋板流導9200 L/s，測試時將不銹鋼桶與內(nèi)置測試罩連接，如圖5 所示。

圖3 內(nèi)置式測試罩示意圖

圖4 外置測試罩示意圖圖5 外置低溫冷板測試裝置

　　2.3、內(nèi)置低溫冷板測試結(jié)果

　　2.3.1、極限真空

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

　　2.3.2、抽速

　　抽速測試采用CS100 流量計控制進入測試罩中的氣體量， 高真空測試采用BA 規(guī)（ZJ-12），測量范圍1×10^-7 Pa ~ 1×10^-2 Pa，低真空測量采用電阻規(guī)（ZJ-52T）， 測量范圍1.0×10^-2 ~ 1×10⁵ Pa，配ZDF-5214 復合真空計，對氮氣抽速測試結(jié)果如圖6 所示，圖6 中“—◇—”是冷板沒粘活性炭時對氮氣的抽速曲線，平均抽速14500 L/s，“—□—”是其中冷板內(nèi)側(cè)粘有28g 椰殼活性炭對氮氣的抽速曲線，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 冷板對不同氣體的抽速曲線

　　100MeV 強流緊湊型回旋加速器采用負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)中的主要氣載， 考慮到100MeV 強流緊湊型回旋加速器的實際情況，對該套實驗低溫冷板裝置對氫氣的抽速進行測試，圖7 是粘有活性炭的實驗低溫冷板對氮氣和氫氣的抽速曲線，實線是氮氣，虛線是氫氣，對氮氣和氫氣的平均抽速為16000 L/s 和12000 L/s。

　　2.3.3、抽氣容量

　　對實驗低溫冷板裝置的抽氣容量進行測試，測試結(jié)果如表1 所示。實驗低溫冷板未粘活性炭，對氫氣的抽氣容量幾乎為零，對氮氣的抽氣容量為2.48×10⁵ Pa·L，粘貼活性炭后，對氫氣的抽氣容量增加到2.58×10⁵ Pa·L，對氮氣的抽氣容量大于1.26×10⁶ Pa·L。

表1 抽氣容量測試結(jié)果

　　2.4、外置低溫冷板測試結(jié)果

　　與內(nèi)置實驗低溫冷板相同，對外置實驗低溫冷板進行測試，經(jīng)過4hrs 的降溫，實驗低溫冷板溫度降至19K，對氮氣的抽速為5900 L/s，24hrs后測試罩內(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)測試結(jié)果如表2 所示，從表2 中看出，二者的降溫時間相同，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)置和外置實驗低溫冷板測試結(jié)果

3、結(jié)果分析及結(jié)論

　　經(jīng)過測試，內(nèi)置實驗低溫冷板在粘活性炭的條件下，運行24hrs 后測試罩的壓力為5.8×10^-6 Pa，對氮氣的平均抽速16000 L/s，外置實驗冷板在同樣條件下，極限壓力為1.6×10^-5 Pa，對氮氣的抽速為5900 L/s。外置的抽速遠小于內(nèi)置抽速，經(jīng)計算分析，外置實驗低溫冷板的實際測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18910 L/s；擋板流導9200 L/s，考慮到短管和擋板后的流導6190 L/s，意味著低溫冷板外置的最大抽速不超過6190 L/s。外置實驗低溫冷板的理論抽速與外置測試殼入口處綜合流導的比值為14763/6190＝2.385，從這個比值來看，由于入口的綜合流導的限制，當入口的綜合流導大于冷板的理論抽速時，低溫冷板的自身結(jié)構(gòu)決定其整體有效抽速，當入口的流導小于冷板的理論抽速抽速與入口綜合流導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)計時冷板的抽速與入口綜合流導之比應在1.1 倍左右。

4、致謝

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