复合泵在医用重离子加速器上的应用研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院近代物理研究所 作者:罗成

  同步加速器是医用重离子加速器的主加速部件。考虑到其设计空间紧凑的特点及其真空系统的设计要求,采用将非蒸散型吸气剂泵(NEG)组件嵌入国产溅射离子泵(SIP)空腔内组成的复合泵作为真空系统的主泵。本文测试了复合泵的抽气性能,测试并估算了复合泵的H2 饱和容量和再生周期,计算了同步加速器真空系统的压力分布。测试及计算结果表明:相比于SIP,复合泵对N2 的抽速提高了20%,对H2 的抽速提高了70%~100%,且具有更高的极限真空度,其再生周期为2 年,压力分布能够满足同步加速器真空系统的设计要求。

  中国科学院近代物理研究所研制的医用重离子加速器由垂直注入线、回旋加速器、中能束运线、同步加速器、高能束运线等五部分组成。其特点是采用同步加速器作为主加速器系统,慢引出方式提供均匀的束流,以利于剂量控制和束流的在线监测,从而减小对患者的额外辐照剂量,有利于提高治疗的安全可靠性,满足推广普及的要求。

  为了保证重离子有足够长的储存寿命,同步加速器(图1)全环平均真空度要求为5×10-7 Pa。考虑到在10-7 Pa 以下,随着压强下降,国产溅射离子泵(SIP) 抽速将明显减小,主抽泵单采用SIP,难以快速达到所要求的本底真空,并且同步加速器系统中磁元件众多,设计布局十分紧凑,放置主泵的空间有限。所以,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为为了不增加主泵所占空间,且能快速达到设计的真空度要求,选择了将非蒸散型吸气剂泵(NEG)组件嵌入SIP 空腔内,二者组合形成复合泵作为主泵。

  为了保证复合泵的可靠性,使其满足医用重离重离子加速器真空系统的运行要求,测试并分析了复合泵对N2、H2 两种气体的抽气性能,估算了复合泵的H2 饱和容量和再生周期, 采用VAKTRAK软件计算了压力分布,达到了预期的结果。

同步加速器标准真空设备布局图

图1 同步加速器标准真空设备布局图

1、测试装置

  采用小孔流导法进行抽速测试。测试装置由测试罩、监测真空计、四极质谱计、抽气机组及阀门等组成,如图2 所示。测试罩按照高真空标准抽速测试罩进行设计加工,其上、下室之间的小孔直径为9 mm,对N2 和H2 的流导C 分别为9.3 L·s-1 和35.4 L/s。监测真空计采用两支型号为IE514 的分离规,其中,分离规G1 和四极质谱计QMS 分别通过两个CF35 法兰连接在测试罩上室上, 分离规G2 通过CF35 法兰连接在测试罩下室上,所有真空计在使用前均在极高真空校准装置上进行校准。抽气机组采用抽速为8 L·s-1干式机械泵和600 L·s-1涡轮分子泵

  真空规管Gf 安装在分子泵与测试罩下室之间。测试气体通过微漏率调节阀V 注入到测试罩中。由CapaciTorr D400 型NEG 组件和SP-400 型溅射离子泵组成的复合泵通过CF150 法兰与测试罩下室相连。

复合泵抽气性能测试装置

图2 复合泵抽气性能测试装置

2、测试过程

2.1、SIP 极限真空测试

  测试时,启动分子泵抽气机组,并对测试装置进行检漏,确认无漏后用烘烤套包裹测试罩。当真空计Gf 的示值读数达到10-5 Pa 时,对测试罩及溅射离子泵同时加烘烤,烘烤温度为250 ℃,烘烤时间为40 h。烘烤进行到24 h 时,启动离子泵,离子泵自动进行放电间歇除气,约30 min 启动到正常值,同时烘烤继续进行。烘烤期间,分子泵抽气机组保持抽气状态;规管每隔4 h 除气一次。烘烤结束,温度降至200 ℃时,关闭分子泵口阀门。将停止烘烤后48 h 真空计G1、G2 的读数分别作为测试罩上、下室的极限真空测量值。由于测试罩为上下两个容积基本相同的筒体,因此以下室极限真空测量值的1/2 作为泵的极限真空值。上述过程中,真空计每隔4 h 除气一次,离极限测量点12 h 不再除气。

2.2、复合泵极限真空测试

  测试时,启动分子泵抽气机组,并对测试装置进行检漏,确认无漏后用烘烤套包裹测试罩。当真空计Gf 的示值读数达到10-5 Pa 时,对测试罩和溅射离子泵同时加烘烤,烘烤温度开始为140 ℃。保温4 h 后,启动离子泵,离子泵自动进行放电间歇除气,约30 min 启动到正常值,烘烤温度增加到180 ℃。保温10 h 后降温,期间分子泵抽气机组保持抽气状态。当系统温度降至80 ℃时,关闭离子泵,采用分子泵抽气机组抽气,并激活NEG 泵,激活电压为17 V,激活电流为6 A,激活时间为1 h。NEG 泵激活后30 min,重新开启离子泵。离子泵工作正常后,关分子泵口阀门,采用复合泵进行抽气。以抽气24 h 后真空计G1、G2 的读数分别作为测试罩上、下室的极限真空测量值,以下室极限真空测量值的1/2 作为泵的极限真空值。上述过程中,真空计每隔4 h 除气一次,离极限测量点12 h 不再除气。

2.3、SIP 及复合泵的抽速测试

  将测试装置抽至极限真空后,缓慢打开微漏率调节阀,将测试气体注入测试罩中,测试罩内真空度逐渐降低。每个量级测量3 点,每点至少稳定15 min,分别记录真空计G1、G2 的读数。当测试罩上室的真空度降至1×10-3 Pa 时,关闭微漏率调节阀。SIP 及复合泵的抽速用式(1)进行计算:

复合泵在医用重离子加速器上的应用研究

  式(1)中:S 为泵抽速(L/s);C 为小孔流导(L/s);K 为真空计的校准系数;P1 为真空计G1 的读数(Pa);P2 为真空计G2 的读数(Pa)。

2.4、复合泵H2 饱和容量测试及再生周期估算

  先将测试装置抽至极限真空,使NEG 吸气剂获得新鲜的激活吸气表面。缓慢打开微漏率调节阀,向测试罩中注入高纯H2,使真空计G2 的读数降为1×10-5 Pa,记录此时真空计G1、G2 的读数。当真空计G2 的读数降为5×10-5 Pa 时(即抽速降为初始抽速的20%时),关闭微漏率调节阀,记录测试时间。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为由于H2 饱和容量测试时间会很长,且对泵的损耗较大,因此选取一段时间进行测试,然后估算出H2 饱和容量。

3、测试结果及分析

3.1、SIP 及复合泵极限真空测试结果及分析

  SIP 极限真空测试时,停止烘烤48 h 后位于测试罩上、下室的真空计G1、G2 的读数分别为:2.7×10-8 Pa,6.8×10-9 Pa。计算得到,SIP 的极限真空度为3.4×10-9 Pa。

  复合泵极限真空测试时,系统温度冷却至室温24 h 后位于测试罩上、下室的真空计G1、G2 的读数分别为:7.2×10-9 Pa,3.4×10-9 Pa。计算得到,复合泵的极限真空度为1.7×10-9 Pa。测试结果表明,复合泵的极限真空度高于SIP 的极限真空度。

3.2、SIP 及复合泵抽速测试结果及分析

  选用N2、H2 作为测试气体,分别对SIP 和复合泵的抽速进行了测试。SIP 和复合泵对N2 的抽速测试结果如图3 所示。SIP 和复合泵对H2 的抽速测试结果如图4 所示。

SIP 和复合泵对N2 的抽速曲线

图3 SIP 和复合泵对N2 的抽速曲线

SIP 和复合泵对H2 的抽速曲线

图4 SIP 和复合泵对H2 的抽速曲线

  结果表明,SIP 对N2 的最大抽速为481 L/s,复合泵对N2 的最大抽速为547 L/s,SIP 对H2 的最大抽速为662 L/s,复合泵对H2 的最大抽速为1053 L/s。在5×10-7 Pa 的真空度下,SIP 对N2 的抽速为357 L/s,复合泵对N2 的抽速为464 L/s,SIP 对H2 的抽速为417 L/s,复合泵对H2 的抽速为829 L/s。在10-8 Pa 及更高的真空度下,相比于SIP,复合泵仍然具有稳定的高抽速,更易于极高真空的获得。

3.3、复合泵H2 饱和容量测试结果及再生周期估算

  复合泵H2 饱和容量的测试共进行了20 天,G2 的读数最高为1.3×10-5 Pa。估算结果表明,要达到约定的饱和压力5×10-5 Pa,约需要266 天左右。取NEG 泵单独对H2 的抽速400 L/s 计算(因为只是NEG 泵需要再生激活),H2 在两次激活之间的饱和容量为114048 Pa·L,与NEG 泵生产厂家—意大利SAES 公司提供的H2 饱和容量数据基本一致(见图5)。

复合泵对各种气体饱和容量的测试曲线

图5 复合泵对各种气体饱和容量的测试曲线

  在5×10-7 Pa 的真空度条件下,残余气体主要是H2(约45%)、CO(约5%)、H2O(约45%)和其他气体(约5%)。根据SAES 公司提供的复合泵对各种气体饱和容量的测试曲线(图5)可知,H2 的再生周期很长,因此主要以CO 和H2O 的再生周期进行估算。以CO 估算,大约为2 年;以H2O 估算,大约为4 年,应以时间短的周期为参照值,即用于同步加速器上的复合泵的再生周期为2 年。

4、同步加速器压力分布计算

  将测得的复合泵抽速值带入计算公式,可得出同步加速器的压力分布曲线。根据细长管压力计算公式,压力最大值在离泵口最远处,即两泵中间,压力分布呈抛物线型。图6 是根据设计参数、泵抽速和各真空室流导用VAKTRAK 程序分别得出的同步加速器两个半环的压力分布曲线。因二极铁真空室细而长,流导较小,泵的位置相隔较远,因此二极铁真空室中部压力较大(真空较差),但整体真空度能够满足5×10-7 Pa 的设计指标要求。

同步加速器真空系统压力分布曲线

图6 同步加速器真空系统压力分布曲线

5、结论

  对应用在医用重离子加速器上的复合泵的抽气性能进行了测试,对复合泵的H2 饱和容量和再生周期进行了测试和估算,对同步加速器真空系统的压力分布进行了计算,结果表明:

  (1)SIP 的极限真空度为3.4×10-9 Pa,复合泵的极限真空度为1.7×10-9 Pa。相对于SIP,复合泵的极限真空度更高。

  (2)在同样的真空度条件下,复合泵的抽速大于SIP 的抽速。在10-8 Pa 及更高的真空度下,复合泵具有稳定的高抽速,更易于极高真空的获得。

  (3)复合泵在10-7 Pa 的条件下运行,再生周期达两年,能够满足医用加速器较长时间不间断工作的要求。

  (4)采用复合泵作为主泵,可以在不增加主泵所占空间的情况下,使同步加速器的整体真空度满足5×10-7 Pa 的设计指标要求。

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