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

　　大尺度團簇與微團簇交叉碰撞實驗是實現(xiàn)起來難度非常高的實驗。該實驗采用超聲噴射的方法，將幾十個大氣壓的液態(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)物進行分析，可以探究微團簇粒子的結(jié)構(gòu)及相關(guān)性質(zhì)。實驗用脈沖噴射方法在靶室中產(chǎn)生大尺度團簇，導(dǎo)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(shè)備，都是對真空度變化敏感且昂貴的實驗設(shè)備。為了保護這些設(shè)備不被損壞，需要一套差分抽氣系統(tǒng)，既能夠控制靶室真空變化在適當(dāng)范圍內(nèi)，又能迅速恢復(fù)到穩(wěn)定真空，使脈沖實驗可以連續(xù)進行。一般的差分真空系統(tǒng)的作用，是為實現(xiàn)一定距離內(nèi)的真空過渡。例如蘭州重離子加速器裝置的SFC 真空系統(tǒng)，是為了實現(xiàn)從100 Pa 到10^-7 Pa 的真空過渡。又如中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)光譜輻射標(biāo)準(zhǔn)及計量測試光束線實驗站上使用的，在0.6 m 段達到四個量級的真空差分而設(shè)計的差分系統(tǒng)。本套差分系統(tǒng)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，降低靶室在脈沖過程中的真空變化的劇烈程度。

1、三級差分抽氣系統(tǒng)的設(shè)計與裝配

　　根據(jù)實驗需要設(shè)計裝配完成的一套三級差分抽氣系統(tǒng)(如圖1)，從團簇源到差分抽氣系統(tǒng)的末端(第三級差分區(qū))，系統(tǒng)長度為3.2 m。全部結(jié)構(gòu)采用不銹鋼制造，組裝前經(jīng)過清洗、加熱方法對金屬進行除氣處理。所有差分法蘭內(nèi)半徑、管道內(nèi)半徑均為60 mm。為了實時掌握靶室、團簇源區(qū)域以及差分系統(tǒng)的第一、第二兩個差分區(qū)域的真空狀況，我們在上述四個區(qū)域安裝有ZDF型復(fù)合真空計。

圖1 三級差分系統(tǒng)示意圖

　　本實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(qū)域和團簇源區(qū)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(qū)域選擇油擴散泵作為主泵，此區(qū)域作為真空過渡區(qū)。交叉碰撞后的剩余團簇以及碰撞碎片會大量集中在第三級差分抽氣區(qū)，因此選擇抽速快的羅茨泵，才能及時抽出這些碰撞產(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(tǒng)結(jié)構(gòu)及真空測量點

表2 真空泵的性能指標(biāo)

2、真空計以及真空測量系統(tǒng)的性能

　　本實驗采用的真空計是基于觸摸屏和Cortex3 內(nèi)核處理器的新型真空計，具有響應(yīng)速度快、抗污染能力強、穩(wěn)定性好，操作方便等優(yōu)點。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數(shù)，最多可以支持99 點測量，并且可以進行遠程監(jiān)控。利用這個特點，我們對該產(chǎn)品進行技術(shù)擴展，新增了一套真空測量數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)。該套系統(tǒng)是由四個真空計串聯(lián)一臺終端電腦和一個專用測量軟件組成。電腦上的測量軟件運行后，測量界面顯示四個測量區(qū)域的真空數(shù)值，還可以選擇以一個折線圖(如圖2)的形式，顯示每個測量點真空值隨時間的變化情況。測量軟件讀取數(shù)據(jù)的頻率是10 Hz，從第一個測量點到第四個點，所需時間僅有0.4 s 的時差，各點之間的測量時延小于1 是可以接受。

3、實驗測量結(jié)果及分析

圖2 測量系統(tǒng)顯示界面(真空度上升階段)

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

　　差分系統(tǒng)以及靶室到達穩(wěn)定真空時，進行模擬放氣實驗，如圖3，在6 分27.6 秒時間內(nèi)，共進行了8 次模擬脈沖放氣實驗。截取的一個典型脈沖周期分解作靶室真空曲線圖4、第一差分區(qū)真空曲線圖5:

圖3 測量系統(tǒng)顯示界面(模擬脈沖放氣階段)

圖4 一個脈沖周期靶室的真空變化曲線

圖5 一個脈沖周期第一差分區(qū)的真空變化曲線

　　從圖4、圖5 可以看出:

　　1)整個差分系統(tǒng)真空穩(wěn)定后，靶室以及第一差分抽氣區(qū)的真空度接近10^-3 Pa，達到了很高的真空度，滿足交叉碰撞實驗要求的真空條件;

　　2)在一個完整的脈沖周期內(nèi)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 上可以估算出一個脈沖周期的時間僅為40 s 左右。一次脈沖噴射完成后，靶室的真空能在40 s 左右的時間內(nèi)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，進行下一次脈沖噴射實驗，滿足了連續(xù)進行脈沖實驗的要求。

4、本實驗裝置的不足與改進分析

　　1)如圖6，實驗過程中發(fā)現(xiàn)第二級差分抽氣區(qū)域真空值跳動很大。

圖6 第二級差分區(qū)域真空異動圖

　　從圖6 分析可知:

　　1) 第二級差分區(qū)(擴散泵區(qū)域)真空度低于10^-2 Pa 時，其真空沒有明顯波動，而當(dāng)真空度上升到10^-2 Pa 某一值時，該區(qū)域真空曲線明顯波動。

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

　　因為羅茨泵抽速比擴散泵快，所以第三級差分區(qū)域的真空上升比第二級區(qū)域要快。但是，擴散泵的穩(wěn)定真空比羅茨泵高，當(dāng)羅茨泵的穩(wěn)定真空到達后，擴散泵區(qū)域真空繼續(xù)上升，最后超過羅茨泵區(qū)域。第二差分區(qū)真空波動原因是羅茨泵區(qū)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，真空波動的問題就可以解決。

5、結(jié)論

　　該套三級差分抽氣實驗裝置，實測結(jié)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間內(nèi)恢復(fù)靶室的穩(wěn)定真空，滿足了連續(xù)進行脈沖實驗的要求。雖然第二級差分區(qū)真空有跳躍現(xiàn)象，但是對第一級差分區(qū)域以及靶室的真空沒有明顯干擾。該三級差分抽氣系統(tǒng)滿足大尺度團簇與微團簇交叉碰撞實驗的需要。