用于大尺度团簇交叉碰撞实验的差分抽气系统的设计与真空监测

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)四川师范大学物理与电子工程学院 作者:方才进

  本研究是给大尺度团簇与微团簇交叉碰撞实验提供一套性能稳定、真空度高的差分抽气系统。介绍了差分抽气系统的整体结构、真空泵以及真空测量与自动记录系统的性能。实验测试了差分抽气系统达到稳定真空的时间等参量,分析了第二级差分抽气区真空值异动的原因。用脉冲喷射的实验方法,测试了差分抽气系统工作性能及指标,并对装置可以改进的方面做了一些探讨。

  大尺度团簇与微团簇交叉碰撞实验是实现起来难度非常高的实验。该实验采用超声喷射的方法,将几十个大气压的液态Ar 由磁控喷嘴喷出,在靶室中心形成Ar 团簇靶。团簇靶与加速到MeV 的微团簇发生交叉碰撞,由静电分析仪对交叉碰撞产物进行分析,可以探究微团簇粒子的结构及相关性质。实验用脉冲喷射方法在靶室中产生大尺度团簇,导致靶室真空度瞬间剧烈变化,然而粒子加速器以及静电分析仪器等设备,都是对真空度变化敏感且昂贵的实验设备。为了保护这些设备不被损坏,需要一套差分抽气系统,既能够控制靶室真空变化在适当范围内,又能迅速恢复到稳定真空,使脉冲实验可以连续进行。一般的差分真空系统的作用,是为实现一定距离内的真空过渡。例如兰州重离子加速器装置的SFC 真空系统,是为了实现从100 Pa 到10-7 Pa 的真空过渡。又如中国科学技术大学光谱辐射标准及计量测试光束线实验站上使用的,在0.6 m 段达到四个量级的真空差分而设计的差分系统。本套差分系统主要作用在于迅速抽出交叉碰撞后的剩余团簇以及碰撞碎片,降低靶室在脉冲过程中的真空变化的剧烈程度。

1、三级差分抽气系统的设计与装配

  根据实验需要设计装配完成的一套三级差分抽气系统(如图1),从团簇源到差分抽气系统的末端(第三级差分区),系统长度为3.2 m。全部结构采用不锈钢制造,组装前经过清洗、加热方法对金属进行除气处理。所有差分法兰内半径、管道内半径均为60 mm。为了实时掌握靶室、团簇源区域以及差分系统的第一、第二两个差分区域的真空状况,我们在上述四个区域安装有ZDF型复合真空计

三级差分系统示意图

图1 三级差分系统示意图

  本实验靶室的真空度要求达到10-2 Pa~10-4 Pa之间,因此靶室的主抽气泵选择涡轮分子泵,极限真空为10-4 Pa;与靶室相邻的第一级差分抽气区域和团簇源区域的主泵,也选择相同型号的涡轮分子泵。第二级差分抽气区域选择油扩散泵作为主泵,此区域作为真空过渡区。交叉碰撞后的剩余团簇以及碰撞碎片会大量集中在第三级差分抽气区,因此选择抽速快的罗茨泵,才能及时抽出这些碰撞产物。所有主真空泵的前级泵,采用同一型号的旋片式机械泵

表1 差分抽气系统结构及真空测量点

差分抽气系统结构及真空测量点

表2 真空泵的性能指标

真空泵的性能指标

2、真空计以及真空测量系统的性能

  本实验采用的真空计是基于触摸屏和Cortex3 内核处理器的新型真空计,具有响应速度快、抗污染能力强、稳定性好,操作方便等优点。由于采用皮拉尼管,所以测量范围广,可以从10-5 Pa 到105 Pa,在真空度小于10-2 Pa 的条件下,真空计测量精度误差小于30%。另在技术扩展下,该真空计可以任意组合测量点数,最多可以支持99 点测量,并且可以进行远程监控。利用这个特点,我们对该产品进行技术扩展,新增了一套真空测量数据记录系统。该套系统是由四个真空计串联一台终端电脑和一个专用测量软件组成。电脑上的测量软件运行后,测量界面显示四个测量区域的真空数值,还可以选择以一个折线图(如图2)的形式,显示每个测量点真空值随时间的变化情况。测量软件读取数据的频率是10 Hz,从第一个测量点到第四个点,所需时间仅有0.4 s 的时差,各点之间的测量时延小于1 是可以接受。

3、实验测量结果及分析

测量系统显示界面

图2 测量系统显示界面(真空度上升阶段)

  关闭靶室与团簇源区域之间蝶阀,使两者不连通,团簇源区域真空度保持在低真空度(只开机械泵不开分子泵)。关闭三级差分各区域之间蝶阀,使各区域不联通,开启系统各区域机械泵,各区域真空度均达到10-1 Pa 后,打开各区对应的主抽气泵,打开各区域之间的蝶阀,等待三级差分各部分真空度都达到稳定状态。界面上显示的四条曲线末端有30,31,32,33标明相应测量区域。

  差分系统以及靶室到达稳定真空时,进行模拟放气实验,如图3,在6 分27.6 秒时间内,共进行了8 次模拟脉冲放气实验。截取的一个典型脉冲周期分解作靶室真空曲线图4、第一差分区真空曲线图5:

测量系统显示界面

图3 测量系统显示界面(模拟脉冲放气阶段)

用于大尺度团簇交叉碰撞实验的差分抽气系统的设计与真空监测

图4 一个脉冲周期靶室的真空变化曲线

图5 一个脉冲周期第一差分区的真空变化曲线

  从图4、图5 可以看出:

  1)整个差分系统真空稳定后,靶室以及第一差分抽气区的真空度接近10-3 Pa,达到了很高的真空度,满足交叉碰撞实验要求的真空条件;

  2)在一个完整的脉冲周期内靶室真空变化范围始终在10-1 Pa~10-3 Pa 之间,真空度剧变期时间仅为8 s,保证了粒子加速器和静电分析仪的安全;

  3)从图4 上可以估算出一个脉冲周期的时间仅为40 s 左右。一次脉冲喷射完成后,靶室的真空能在40 s 左右的时间内恢复到稳定状态,进行下一次脉冲喷射实验,满足了连续进行脉冲实验的要求。

4、本实验装置的不足与改进分析

  1)如图6,实验过程中发现第二级差分抽气区域真空值跳动很大。

第二级差分区域真空异动图

图6 第二级差分区域真空异动图

  从图6 分析可知:

  1) 第二级差分区(扩散泵区域)真空度低于10-2 Pa 时,其真空没有明显波动,而当真空度上升到10-2 Pa 某一值时,该区域真空曲线明显波动。

  2) 只关闭罗茨泵连接真空系统的蝶阀,发现第二级真空区域的真空值变化不大,但是波动明显减弱;只关闭扩散泵连接真空系统的蝶阀,发现第二级真空区域的真空值迅速下降,同时波动看不到了。

  因为罗茨泵抽速比扩散泵快,所以第三级差分区域的真空上升比第二级区域要快。但是,扩散泵的稳定真空比罗茨泵高,当罗茨泵的稳定真空到达后,扩散泵区域真空继续上升,最后超过罗茨泵区域。第二差分区真空波动原因是罗茨泵区域极限真空低于扩散泵,如果将罗茨泵更换成抽气速度快、极限真空高的替代泵,真空波动的问题就可以解决。

5、结论

  该套三级差分抽气实验装置,实测结果既能保证靶室部分高的真空要求,又能够在一次脉冲喷射后的短时间内恢复靶室的稳定真空,满足了连续进行脉冲实验的要求。虽然第二级差分区真空有跳跃现象,但是对第一级差分区域以及靶室的真空没有明显干扰。该三级差分抽气系统满足大尺度团簇与微团簇交叉碰撞实验的需要。

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