储存环的真空抽气系统

真空系统 董海义 中国科学院高能物理研究所

      北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCII)是国家基础型大科学工程之一。它采用双环方案, 即正负电子束流在两个彼此独立的储存环中积累、加速, 在对撞点处相遇、对撞, 因而每个环中束流的束团数目可以更多, 可以达到更高的亮度。储存环周长为240 m, 每个环分成Ⅰ 区、Ⅱ区、Ⅲ区、Ⅳ区、正电子注入区、负电子注入区、第一对撞区和第二对撞区。

      考虑到超导高频腔的安全性和可靠性, 在超导高频腔的二边安装了二个RF 屏蔽闸板阀。每个环共有八个RF 屏蔽闸板阀, 八个闸板阀把环分成八个区段, 每个区段都有粗抽真空阀和放气阀。对于真空系统的排气,首先通过无油涡轮分子泵机组把系统粗抽到10- 5 Pa , 主抽泵采用安装在光子吸收器附近的吸气剂泵、钛升华泵。离子泵用来维持真空, 并且抽除吸气剂泵和钛升华泵不能抽除的甲烷和惰性气体。

储存环弧区真空设备

      储存环真空系统于2006 年11 月初完成安装、检漏、烘烤等工作。正、负电子环共48 个真空计指示静态真空均优于6.0×10- 8 Pa 。2006 年11月18 日电子束在储存环成功储存, 标志着储存环真空系统能够正常运行。当束流刚注入储存环后, 真空下降很快, 并且束流寿命很低。这主要是由于束流在弯转时产生同步辐射光, 同步辐射光打在真空盒内壁上引起大量的气体解吸, 造成系统压强上升, 束流与残余气体相互作用, 导致束流寿命缩短。

         经过同步辐射光的“ 清洗”, 真空逐渐变好,  随着积分流强的增加, 同步辐射光不断地“ 清洗”真空盒内壁, 由同步辐射光引起的气体解吸量逐渐减小, 动态真空变好。当积分流强达到100 A·hrs, 束流能量为2.5 GeV, 流强为100 mA 时, 动态压强优于1×10- 8 Pa。随着积分流强增加, 特别是达到100 A·hrs 后, 同步辐射光“ 清洗”真空变得缓慢, 这可能是由于被同步辐射光直接照射的表面气体得到充分解吸, 对动态压强的贡献减小。而同步辐射散射光打在真空盒表面对动态气载起了主要作用, 而由散射光“ 清洗”真空盒内壁需要更长的时间。

残余气体分析质谱图

       图3 所示为在同步辐射模式下三区外环残余气体质谱图

      主要的残余气体为H2、CO、H2O、CO2、CH4。一般来说, 同步光产生的主要残余气体是氢, 但由于在BEPCII 储存环使用了大量的NEG 泵和钛升华泵, 而这二种泵对氢的抽速很大, 因此氢的分压强并不很高。同时, 由于弧区真空盒没有进行在位烘烤, 因而水的含量也较高。

       BEPCII 储存环真空系统自运行以来, 安全、可靠, 没有发生影响束流运行的设备故障。动态压强随着积分流强增加, 逐渐减小, 当积分流强达到100 A·hrs , 单位流强引起的压强上升小于1×10- 10 Pa/mA, 达到了预定的设计目标。在较高流强下, 真空盒、光子吸收器和RF 屏蔽波纹管的温度保持在一个合理范围。一些离子泵电流偏大, 可能是由于光电子和二次电子参与气体电离产生的。

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