BEPC Ⅱ束流引入的真空测量误差

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院高能物理研究所 作者:肖琼

  当BEPC Ⅱ储存环的束流突然丢失时,真空计和离子泵的压力测量值都先有一个瞬时的减小,之后才逐渐降低到本底压力。这表明束流运行时压力测量值中存在着束流引入的正误差,误差量正是测量值减去实际值之差。丢束之后束流引入的误差立即消失,真空计测量值反映的是实际压力。对于某个真空计,利用突然丢束后压力测量值随时间变化的数据进行非线性拟合,得到一条负指数衰减的抽空曲线,根据它外推可以得到丢束时刻的实际压力。对于若干次突然丢束,用这种方法观察丢束流强不同时该真空计误差量的变化,发现误差量与流强基本呈正比例关系。通过直线拟合求得比例系数,也就得到了在任意流强下根据该真空计压力测量值来计算实际压力的公式。

  高能加速器在束流运行时,真空系统的气载主要来自同步光照射真空室壁导致的气体分子脱附 ,本底的放气只占很小的一部分。例如BEPC Ⅱ储存环的电子束流为300mA 时,电子环平均压力约为146nPa ,而无束流时平均压力仅为29nPa 。当正在运行的束流突然丢失时(例如高频腔压故障,丢束时间在几秒钟内) ,同步光对气载的贡献也很快变为零,真空系统的压力应该逐渐降低,回归到无束流时的本底压力。然而,在BEPC Ⅱ储存环的束流运行中我们发现,突然丢束后真空测量仪器上显示的压力值并不完全是逐渐下降的:在丢束后的几秒内有一个大台阶的瞬时下降,之后才是逐渐下降到本底压力。

  这种丢束时压力测量值瞬时下降的现象在PEP-Ⅱ和KEKB等国外加速器上都观察到了。PEP-Ⅱ和KEKB 都认为,这是由于束流运行时真空计压力测量值中存在着束流带来的同步光电子所引入的误差,突然丢束时光电效应立即结束,误差也立即消失,于是压力测量值立即回归到实际值,表现为一个大台阶的下降。PEP-Ⅱ观察到在存在纵向磁场的真空管道处(例如真空盒外绕螺线管) ,同步光电子受到纵向磁场抑制,这种误差会减小。KEKB 发现在规管所在的支路管道(原文称之为“规管脖子”)加装一个二极磁铁,可以在一定程度上偏转同步光电子,同时减小这种误差。这些现象都支持了误差来自同步光电子的推断。

  下文介绍了在BEPCⅡ储存环真空系统上观察到的束流引入真空测量误差的现象。这里,我们不探讨引入误差的内在机理,而是给出了一种计算突然丢束时刻的实际压力的方法,进而根据若干次突然丢束后真空计的压力数据得到真空计的校正公式。

1、BEPC Ⅱ束流引入真空测量误差的观察

  BEPC Ⅱ真空系统上主要的真空测量仪器是冷阴极规(CCG)和热阴极规(BAG),除此之外结合了非蒸发型吸气剂的溅射离子泵(INP) 也能给出压力测量值。这些仪器的读数都保存在历史数据库中,每10s 保存一次。从历史数据中可以发现,每当突然丢束时,真空计的压力读数都会先有一个较大台阶的下降(20s以内) ,然后才逐渐按照指数衰减规律变小,溅射离子泵的压力读数也有类似的跳变现象。图1 表示的是正、负电子环某次突然丢束时真空测量仪器记录的压力数据。其中,图1(a)中I(e +) 表示的是正电子束流的流强, P(R2I-CCG6) 、P(R1I-BAG1) 和P (R2O-INP26) 分别表示正电子环某冷规、热规和溅射离子泵测量的压力,图1(b)是负电子环的类似情况。

丢束时压力测量值的突然减小

图1  丢束时压力测量值的突然减小

  在泵抽速恒定的情况下,真空系统的时间常数应该是不变的,图1 中压力测量值的突然降低和逐渐降低显然互相矛盾。这里我们借鉴PEP2 Ⅱ和KEKB 的解释,束流运行时真空测量仪器的压力测量值存在着束流引入的误差,这种误差在突然丢束时立即消失,表现为压力测量值的突然降低,之后的压力测量值逐渐降低才是实际压力的变化过程。

2、利用丢束后的压力测量数据计算丢束时刻的实际压力

  由于上述误差是束流引入的,我们可以认为丢束20s 之后的真空计测量值反映了实际压力。那么,我们可以根据丢束20s 之后的压力数据进行非线性拟合,得到丢束之后的抽空曲线,并由该曲线来外推丢束时刻的实际压力。

  我们考虑真空计所在的一个真空盒单元,由于相邻的真空盒状况很接近,可忽略相邻真空盒间的净气体流动,将本真空盒近似为一个封闭系统。假设本底放气率为Q0 ,泵的总抽速为S ,真空盒体积为V ,实际压力为P ,从突然丢束到压力再次达到平衡的过程中, P 应该满足如下方程 :

  P 与抽气时间t 大致满足如下指数衰减关系:

  其中P0 = Q0/S 为本底压力,K1 是与起始时刻相关的常数,K2 是真空系统的时间常数,1/ K2 = S/ V 是单位体积上分布的抽速。


表1  丢束后R1I2CCG6 的压力测量值变化

丢束后R1I2CCG6 的压力测量值变化

  根据丢束20s 以后的P 随t 变化的数据可以拟合公式(1) :P=P0+ K1exp(- t/K2) ,由拟合的曲线外推可求得刚开始丢束时刻的实际压力。

  以正电子环冷规R1I-CCG6 为例。在2008年1月17日的0 点1min50s 发生过一次突然丢束,290mA 的正电子束流在几秒钟内丢掉,我们观察到刚刚丢束的10s 内压力测量值从79 ( ×13.3nPa) 变为48 ( ×13.3nPa) ,20s 之后大致按指数规律衰减。P - t 数据见表1 ,以刚开始丢束时为t=0时刻。

  我们认为丢束20s 之后的真空计读数可以代表实际压力,那么去掉表1 中的前两组数据,以从20s到300s的数据来拟合(如图2),得到式(1)的三个常数:

P0 = 14. 58100
K1 = 14. 36937
K2 = 52. 09548

  由此可得,当t = 0 时,实际压力P = P0 + K1 =28.9 ( ×13.3nPa) ,其数值比真空计的压力测量值79 ( ×13.3nPa) 要小很多。可见,在290mA 束流运行时,压力测量值存在着较大的正误差。

根据丢束20s 之后的数据拟合P-t 曲线

图2  根据丢束20s 之后的数据拟合P-t 曲线

3、误差量与流强的关系及真空计校正公式

  由于突然丢束对设备是有害的,我们不能特意地做突然丢束实验,也就无法得到很充分的数据,但是利用过去发生的突然丢束情况的历史记录可以得到若干个流强I 下的真空度测量值P1 和实际值P2的对照。正电子以冷规R1I-CCG6 为例,如表2 ,负电子以冷规R3I - CCG6 为例,如表3。

  由于束流对真空室内壁有清扫作用,随着束流运行时间的累积,平均每毫安束流所引入的气载是逐渐减小的。另外,不同次注入的束流,同步光照射的位置可能不完全相同,导致平均每毫安束流所引入的气载有所变化。因此,表2 和表3 中实际压力P2 与流强I 不呈线性关系。然而,我们发现束流引入的误差P1 - P2 与I 基本上是呈线性关系。按照PEP-Ⅱ和KEKB 的结论,束流引入的误差是同步光电子造成的,考虑到同步光电子的量是与束流流强成正比的,没有束流的时候也没有这种误差,上述线性关系应该就是简单的正比例关系,也就是一条过原点的直线。如果我们利用现有的数据拟合得到P1-P2 随I 的变化关系,那么在已知流强I 和真空度测量值P1 的情况下,就可以根据上述变化关系来计算真空度实际值P2 。

正电子环R1I - CCG6 的数据 负电子环R3I - CCG6 的数据

表2  正电子环R1I - CCG6 的数据  表3  负电子环R3I - CCG6 的数据

  对表2 中的P1 - P2 随I 的变化关系作过原点的线性拟合,如图3。

R1I - CCG6 的误差随流强的变化关系拟合

图3  R1I-CCG6 的误差随流强的变化关系拟合

  对于正电子环冷规R1I-CCG6 来说,已知流强I 和压力测量值P1 ,就可以根据下面的公式计算实际压力P2 :

P2=P1-0.1835 I (单位同表2)

  对表3 中的P1-P2随I的变化关系作过原点的线性拟合,如图4。

R3I-CCG6 的误差随流强的变化关系拟合

图4  R3I-CCG6 的误差随流强的变化关系拟合

  对于负电子环冷规R3I-CCG6来说,已知流强I 和压力测量值P1,就可以根据下面的公式计算压力实际值P2 :

P2=P1-0.02341 I(单位同表3)

4、结论

  BEPC Ⅱ束流运行时真空测量中存在着束流引入的误差。利用突然丢束后压力随时间变化的数据,通过非线性拟合,可以求得丢束时刻的实际压力。用这种方法观察丢束流强不同时误差量的变化,发现了误差量与流强基本呈正比例关系,并通过直线拟合求得了比例系数。这也就得到了根据流强和压力测量值来计算实际压力的公式。

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