多级差分真空系统设计、计算和调试

分类号密级

UDC 编号

中国科学院研究生院

硕士学位论文

多级差分真空系统设计、计算和调试

张素平

指导教师杨晓天、研究员

中国科学院近代物理研究所申请学位级别工学硕士学科专业名称核技术及应用论文提交日期 2007年4月论文答辩日期 2007年5月培养单位中国科学院近代物理研究所

学位授予单位中国科学院研究生院

答辩委员会主席李得天

摘要

摘要

兰州重离子加速器（HIRFL）后束运线TR2实验终端，是一个用于开展超重核研究的实验终端，实验系统工作时要求充入氦气，压强为100Pa左右，而后束运线上真空度要求为10-6Pa，所以如何实现从实验终端充气压强为100Pa到后束运线上压强为10-6Pa真空度的顺利过渡便成了一个重要课题。

本文从差分真空系统的原理着手，通过对差分系统材料、测量元件以及排气系统的选择，排气性能测试等，设计了TR2实验终端差分真空系统——四级差分真空系统。通过安装测试，将理论计算值与静态测试结果做了比较，引出了差分系统中充气气流效应的概念，并对该系统中充气气流效应进行定量和定性的分析，改进了差分真空系统的设计。

本文用真空系统中气体的流动与电子学电路中电子的流动相等效的思路，把四级差分真空系统等效成电子学电路，并用PSpice软件仿真计算四级差分真空系统中各级差分真空室的压力分布，并与实验结果作比较。

理论计算和静态测试结果均表明，TR2实验终端利用四级差分真空系统，可以实现从100Pa到后束运线上10-6Pa真空度的顺利过渡。

关键词：TR2终端，差分真空系统，分子/增压泵，充气气流效应，真空规管校准，PSpice仿真，压力分布

I

摘要II

ABSTRACT

ABSTRACT

The Design、Calculation and Adjustment of Multi-Differential

Vacuum System

Zhang Suping

Directed by Yang Xiaotian

The TR2 terminal as one of the terminals of Heavy Ion Research Facility in Lanzhou (HIRFL)’s post beam line, is a experimental device to study heavy nuclei. Its working pressure is 100Pa for He, but the post beam line which links the TR2 terminal has the pressure of 10-6Pa. So how to obtain the pressure transition from 100Pa to 10-6Pa is an important research task.

Basing on the principle of differential vacuum system, this paper introduces the choice of materials, vacuum measurement elements and pumping system. Next, the functions of pumping system are tested. By the calculation, the design of TR2 terminal vacuum system–four- stage differential vacuum system is finished. By static testing, introduces the rate of differential and the calculation of gas flow effect. Finally, the four-stage differential vacuum system design is improved.

Electrical net analogy solved numerically by dedicated software(PSpice) is used to calculate the pressure distribution of TR2 terminal vacuum system–four- stage differential vacuum system. A comparison between simulation results and experimental results is drawn.

Both the calculations and the results of experiments prove that the four-stage differential vacuum system of TR2 terminal could meet the pressure transition from

III

ABSTRACT

100Pa to 10-6Pa.

Key Words: TR2 terminal, differential vacuum system, molecule/booster pump, gas flow effect, calibration of gauges, PSpice simulation, pressure

distribution

IV

目录

目录

摘要...............................................................I ABSTRACT.........................................................III 目录 (5)

第一章 引言 (1)

1．1研究目的和意义： (1)

1．2国内外差分真空系统研究现状 (3)

1．2．1国内差分真空系统研究现状 (3)

1．2．2国外真空差分系统研究现状 (5)

1．3本论文的研究内容 (6)

1．3．1 TR2终端差分真空系统的初步设计 (6)

1．3．2 TR2终端差分管道流导和各级差分真空室压强的理论计算 (6)

1．3．3 TR2终端差分真空系统的静态测试及差分系统的改进设计 (6)

1．3．4 TR2终端差分真空系统的在线调试 (7)

第二章 差分真空系统原理 (8)

2．1流导的计算 (8)

2．2差分真空系统原理 (13)

第三章 TR2终端真空差分系统的设计 (16)

3．1差分管道的初步设计 (16)

3．2 TR2终端差分真空室材料 (17)

3．2．1 TR2终端差分真空室材料选择 (17)

3．2．2TR2终端真空差分真空室材料的处理措施 (18)

3．3TR2终端真空差分系统中真空测量元件的选择 (19)

3．3．1 真空测量元件的选择 (19)

3．3．2 真空规管对不同气体的测量特性 (20)

3．4TR2端真空差分系统排气系统的选择 (22)

3．4．1 TR2端真空差分系统排气系统前级泵的选择 (22)

3．4．2 TR2端真空差分系统排气系统主泵的选择 (24)

3．5主抽泵的性能测试 (26)

3．5．1分子/增压泵（MBP200）极限压强的测试 (26)

3．5．2分子/增压泵对氦气和氮气的抽速测试 (29)

3．6小结 (38)

目录

第四章 差分真空系统静态理论计算及压力分布、优化设计、分析和测试 (39)

4．1差分真空系统静态理论计算 (39)

4．1．1差分真空系统对氮气静态理论计算结果 (39)

4．1．2差分真空系统对氦气静态理论计算结果 (40)

4．2差分真空系统改进设计以及理论静态计算 (41)

4．2．1差分真空系统改进设计对氮气静态理论计算结果 (42)

4．2．2 真空差分系统改进设计对氦气静态理论计算结果 (43)

4．3差分真空系统中充气气流效应的理论分析与计算 (43)

4．3．1 差分系统中充气气流效应的定性分析 (44)

4．3．2 差分系统中充气气流效应的定量分析 (46)

4．4TR2差分真空系统压力分布仿真计算 (48)

4．4．1真空系统与电子学系统等效 (49)

4．4．2仿真结果 (50)

4．5TR2终端差分真空系统静态测试结果与理论值比较 (51)

4．5．1 TR2终端差分真空系统静态测试 (51)

4．5．2 TR2终端差分真空系统静态测试结果与理论计算结果的比较 (56)

4．6小结 (57)

第五章 结论与展望 (58)

参考文献 (59)

发表文章 (62)

致谢 (63)

第一章引言1

第一章引言

1．1 研究目的和意义：

兰州重离子加速器（HIRFL）是兰州重离子国家实验室设计建造的。由离子源（ECR）、注入器（SFC）、主加速器（SSC）、8个实验终端以及束流运输线等主要部分组成，如图1．1所示。注入器是一台改建的能量常数为69，直径为1.7米的扇聚焦回旋加速器，主加速器是一台能量常数为450的大型分离扇回旋加速器。注入器与主加速器联合运行，可以把从C到Xe的重离子分别加速到100-10MeV/u的能量，是我国能量最高的重离子物理研究装置。HIRFL束流运输线包括前束运线、后束运线、直通束运线和质子束运线，全长约210米。为满足CSR工程和物理实验的要求，对各束运线，尤其是后束运线进行了全面改造。128米长的后束运线真空管道中有一半以上是新加工件，非标加工设备全部按照超高真空获得工艺进行了清洗及真空炉高温除气处理，同时对各束运线所有旧管道进行了清洗，更换了部分抽气设备，排除了一些漏气源，目前在不加现场烘烤的情况下，前束运线平均真空度达到2×10-5Pa左右[1，2]；质子束运线真空度好于1×10-7Pa；直通线、后束运线改造后真空度达到1-5×10-6Pa。8个实验终端，分别如图1．1中紫色部分所示，用来开展不同的核物理实验。目前欲在TR2处开展超重核研究工作，主要实验设备由充气式反冲核谱仪和RFQ冷却聚束器等一系列电磁元件组成。充气式反冲核谱仪主要由一块大型的二极磁铁和真空室构成，工作时在真空室中充满压强为10Pa到几百个Pa的He气体，以提高反冲余和核的传输效率[3，4，5]，其工作压强相对于后束运线的本底压强1-5×10-6 Pa，压强差达到了7-8个数量级。为了使得真空度的顺利过渡，在充气式反冲核谱仪前端，需要设计一个真空差分系统，使得能够在保证满足束流参数不影响物理实验的前提下，实现真空度的顺利过渡。

多级差分真空系统的设计、计算和调试

2

真空差分方法是实现从高压强（≥105Pa ）到低压强（可达10-10 Pa ）大范围

内真空过渡的基本实验手段。主要用于各类加速器气体靶、超重核实验装置、质谱技术等。我们知道，当气体通过两边的压强为P 1和P 2的管道（或者小孔）流动的时候，流量Q 和压强差P 1- P 2之间存在这样的关系[6]：

C

Q P P =?21 (1.1) C 是管道或者小孔的流导，从公式1.1可以看出，要在一个真空管道两端获得大的压强差，一个有效方法就是降低C ，对于圆长管道来说，C 与d 3成正比，与管道的长度L 成反比，所以可以利用减小d 或者增大L 来获得小的流导，从而获得大的压强差。也就是说，要想用一级泵实现8个数量级的压强差，若用细的管道，需要将d 降低约3个数量级，若增加长度，则需要将长度增加8个数量级。根据束流在后束运线的包络尺寸，要求其管道内径不小于70mm ，如果采取将d 降低三个数量级的方案，束流将无法通过，这对于物理实验是不可取的；增加管道长度也不现实，因为从实验终端到后束运线可以用来形成差分的距离仅为2m

。在图1．1 HIRFL 布局图

第一章引言3这么短的距离内不可能用一级抽气系统实现7-8个量级的压强差。为了实现这二者之间大压强差的顺利过渡，同时还要保证束流按规定的发射度和足够的强度传输到实验终端，我们需要设计较大孔径的多级差分系统，以实现真空度的顺利过渡。

1．2 国内外差分真空系统研究现状

很多粒子储存环气体内靶[7，8]的差分系统，比较著名的有德国GSI的ESR 储存环[9~11]，德国的COSY储存环[12]，瑞典的CEISIUS储存环[13]，瑞士的ISR 储存环[14]，美国的ADONE储存环[15，16]和我国的兰州的重离子冷却储存环CSR[17]，为了获得足够的靶厚，气体源的压力一般比较高，往往要求1-2个大气压或更高。与气体内靶相连的储存环的主真空系统的工作压力一般都很低

（10-5Pa-10-10 Pa），为了实现10-15个数量级的高压差真空过渡，在气体通往靶室的通道中，采用孔径很小的小孔，或采用很细的管道（毛细管），或狭缝等装置，大幅度地降低流导C，或者采用多级差分的复杂真空系统。

1．2．1国内差分真空系统研究现状

中国科学院近代物理研究所HIRFL-CSR装置中的团簇内靶实验系统，见图1．2，其气体喷嘴的孔径0.1mm，利用四个孔径不同的准直光栏（最大的直径不到5mm）作为差分系统，其中喷嘴与第一个光栏构成差分抽气系统的第一级，第一个光栏与第二个光栏构成差分抽气系统的第二级，第二个光栏与第三个光栏构成差分抽气系统的第三级，第三个光栏与第四个光栏构成差分抽气系统的第四级，利用这四级差分系统，就可以获得十几个量级的压强差[18]。

大连理工大学研制的分子束质谱装置[19]，见图1．3。利用一个直径为0.3mm 和一个直径1.0 mm小孔，采用涡轮分子泵，实现了三个数量级的真空过渡。

多级差分真空系统的设计、计算和调试

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图1．2 团簇内靶的结构示意图

上面两个例子都是利用小孔实现的差分。合肥同步辐射实验室利用两个22×12×250mm 的长方管道[20]，每一级配置kyky400L/s 离子泵＋粗抽系2nd 2nd Source Chamber S 2=1000L/s P 2 r 2=0.8mm 4th Source Chamber S 4=1000L/s P 4 r 4=1.6mm 1st Source Chamber

S 1=4000L/s P 1

r 1=0.3mm

3rd Source Chamber S 3=1000L/s P 3 r 3=1.2mm Interaction Chamber S 5=12000L/s P 5 r 5=15mm 1st Pumping Chamber

S 6=1000L/s P 6

r 6=10mm 2nd Pumping Chamber S 7=1000L/s P 7 r 7=15mm 3rd Pumping Chamber

S 8=1000L/s P 8

r 8=10mm Nozzle Chamber

r 0=0.1mm P 0 1st Skimmer 3rd Collimator

图1．3 分子束质谱装置

第一章 引言

5统:kyky450L/s 的分子泵机组，当在高真空端压力为2.66×10-3Pa 的时候，在低压强端可以获得3.19×10-7Pa 的真空度。

1．2．2国外真空差分系统研究现状

对于一些实验系统，孔径不能做的像团簇靶系统以及分子束质谱装置中的采样微孔那么小，可以利用较大的孔径多级差分，或者增加管道的长度，也可以比较容易的实现3-4数量级的压强差。如日本RIKEN 的RRC(Riken Ring Cyclotron)加速器系统上，用于超重核合成的GARIS ，其差分抽气系统如图1．4[4]。

用该差分系统，在GARIS 靶室中充66.5 Pa 的He 气，加速器束流管道端的真空度可保持在6.65×10-2 Pa 。

德国GSI TASCA 上的gas-filled separator [21]装置利用三级不同孔径和不同长度的管道作为差分管道。在第一级采用罗茨泵，二三级采用涡轮分子泵。在靶室端充100Pa 氦气，在第一级、二级、三级真空室可以获得的真空度见表1-1：

国外还有许多用途不同的真空差分实验装置，如欧洲同步辐射装置ESRF 图1．4 GARIS 的差分抽气系统图表1-1 TASCA 差分装置参数表

差分管1 差分管2 差分管3 差分管直径mm 10 13 16 差分管长度mm 140 300 300 真空室压强Pa 2.23 1.76×10-2 1.576×10-4

泵的抽速L/s 208 320 500

6

多级差分真空系统的设计、计算和调试另外，欧洲同步辐射中心ESRF（European Synchrotron Radiation Facility）束运线上的差分装置[22]，Amstedam的LHCb上的差分装置系统[23]等，都实现了大差分比的真空过渡。在这里我就不再赘述。

不管是日本的RRC(Riken Ring Cyclotron)加速器系统上用于超重核合成的GARIS装置也好，还是德国GSI TASCA 上的gas-filled separator装置及其他的差分系统，有一个共同的特征就是当气体分子处于粘滞流，或粘滞－分子流的时候，使用的都是罗茨泵机组，而罗茨泵机组返油问题对于HIRFL后束运线以及与之相连的CSR超高真空系统是一个大忌，所以对于我们所设计的差分真空系统而言，在前级选择罗茨泵机组不是很理想。我们需要探索选择可以在高压强下运行的清洁的泵替代罗茨泵机组，作为我们差分系统的主泵。

1．3 本论文的研究内容

1．3．1 TR2终端差分真空系统的初步设计

根据束流的发射度，以及核物理实验的需求，在2m的距离内分隔成四个抽气单元，选用不锈钢作为差分真空室的主材料，选用不同孔径的差分法兰作为差分管道；通过比较分子/增压泵、罗茨泵、分子泵的对不同气体的抽气性能，完成了在不同的真空过渡阶段主抽气泵的选择，初步设计TR2终端差分真空系统。 1．3．2 TR2终端差分管道流导和各级差分真空室压强的理论计算 计算出各级管道对不同的气体在不同的状态下的流导；根据给定泵的抽速和管道的流导，利用真空差分系统计算原理，计算出差分系统各级真空室的理论压强值。

1．3．3 TR2终端差分真空系统的静态测试及差分系统的改进设计 通过完成对TR2四级真空差分系统的静态测试，测试结果与理论结果进行比较，分析理论值和测试值之间偏差产生的原因——完成对差分系统中充气气流效

第一章引言7应的分析，完善TR2终端差分真空系统的设计。

1．3．4 TR2终端差分真空系统的在线调试

TR2终端差分真空系统的安装、上线、调试工作。

多级差分真空系统的设计、计算和调试

8 第二章 差分真空系统原理

2．1 流导的计算

真空差分系统常常是利用节流孔或者节流管道来实现压强的过渡，我们知

道当气体通过两边的压强分别为P 1和P 2的管道（或者小孔）流动的时候，流量Q 和压强差之间存在：

C

Q P P =?21 (2.1) 其中C 是和气体的流动状态以及管道（或者小孔）的几何形状有关的常数，称之为流导，表示气体沿管道的流动能力。

由2.1可以知道，对于Q 相同时，想要在管道（或者小孔）的两端实现大的压强差，一个有效的方法就是降低C ，也就是选择流导小的管道（或者小孔）。所以设计差分真空系统的一个主要的课题之一，就是要分析气体通过小孔或者管道的流导。

1．粘滞-分子流条件下管道的流导计算[6]

ηηπηπp d RT M p d RT M L d M RT p L d C ?+?+

??+??=24.111212834[m 3/s ] (2.2) C －管道的流导[m 3/s];

C 20℃－管对20℃空气的流导[m 3/s]；

d －管道的直径[m];

L －管道的长度[m];

η－气体的粘滞系数[N·s/m 2]

R －摩尔气体常数，8.3143[J/（Kmol ）]

第二章 差分真空系统原理 9

表2-1 20℃空气的J 值

T －气体温度[K]

M －气体摩尔质量[kg/mol]

p －管道中的平均压力[Pa]

对20℃空气，圆截面管道流导简化为：

J L

d C ?=3?

20.1.12[L/s] (2.3) d-管道直径[cm]

L-管道长度[cm] J-与d 、p 之积有关的系数，见下表2-1：

1）利用计算传输几率计算管道流导

传输几率也称为流导几率，其物理意义是气体分子从管道的入口入射进入管道中能从管路的出口逸出的概率。在分子流状态下，利用传输几率来表征真空管道对气体的导通性能更直观，更本质。对于管道传输几率β其定义式为[24]：

C C =β (2.4)

多级差分真空系统的设计、计算和调试

10 所以：

0C C ×=β (2.5)

C ：管道流导

C 0：管道入口孔的流导

从式2.5可以看出，管路流导C 等于该管道入口孔的流导C 0和其传输几率β的乘积。通常，管路元件入口孔的流导C 0是很容易求得的，如果知道了元件的传输几率β，则利用式2.5可以很容易地计算出元件的流导。计算传输几率，常利用蒙特卡罗方法，再计算流导。CHREVON 就是欧洲核子中心（CERN ）制作的一个蒙特卡罗程序，用来计算分子流状态下各种管道的流导。通过给定管道的形状，计算传输几率β，利用2.5计算出圆截面管道的流导，其计算步骤如下：

第一步：输入管道长度，入口以及设定分子总数参数，勾勒管道上游形状

图2．1 利用CHREVON 定义管道形状

第二章 差分真空系统原理

11

第二步：输入管道出口参数，勾勒管道下游形状

第三步：计算并输出流导等结果

图2．2 确认形状

图2．3 显示计算过程

多级差分真空系统的设计、计算和调试

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2）利用真空设计手册上的公式计算

长管的流导：

L d M RT C 3

261?=π [m 3/s]

(2.6) 对20℃空气长管的流导：

L d C 3

?20.121= [m 3/s]

(2.7) 对20℃氦气长管的流导：

L d C 3

3He ?20.10220?×= [m 3/s]

(2.8) 短管的流导：

.0C C ?=α [m 3/s]

(2.9)

α：克劳辛系数

对20℃空气短管的流导：

图2．4 输出计算结果