CERN質子交叉貯存環真空系統
發布時間:2019-05-07 19:19:06 | 人感興趣 | 評分:3 | 收藏:
歐洲核子研究中心(簡稱CERN)的交叉貯存環(ISR)是質子對撞機,環中貯存極限電流為27A。此裝置有兩個環形真空室,兩環為“8”字形,環直徑約300m。在環中回旋的質子,要求在24h內幾乎沒有什么損失,故要求真空度較高。原設計要求真空度為10^-7Pa,但從目前實驗結果來看,真空度必須高于l×10^-8Pa,否則不僅貯存時間縮短,質子流強也受到限制。
真空室截面為橢圓形,軸長分別為160mm及55mm,每個環周長約1km。真空室材料為不銹鋼,壁厚為2mm。不銹鋼板材,放在真空爐中加熱到900℃除氣2h,可以減少氫在不銹鋼中的含量。用這種不銹鋼板制做的真空室,在150℃~200℃下烘烤2h后,氫的出氣率為1.3Pa.L/Cm2·s—2.6×10^-11Pa. L/Cm2·s,比沒處理的不銹鋼小一個數量級。真空室安裝前在300℃溫度下分段檢漏,因為在熱應力作用下,易發現漏孔。
真空室截面有變化的地方,將會形成波導和諧振腔,產生不希望的振蕩,使束產生波動。為抑制這種振蕩,在真空室各臨界點上裝有電阻器。電阻器是用直徑30mm,長80mm~200mm的瓷管在真空中蒸鍍鎳鉻合金制成的,裝上之后,使束的貯存時間顯著增大。在設計真空室時,還應考慮到束流有時可能突然打到器壁上,使壁過熱而損壞,需要設置防擴裝置。
真空系統抽氣選用了300只三極型濺射離子泵做主泵,為了提高真空度又設置了500個鈦升華泵。濺射離子泵的預抽選用了70個抽速70L/s的渦輪分子泵機組,在環中八處束交叉點還配有抽速2×104L/S的低溫泵及鈦升華泵,升華泵可以直接向真空室器壁蒸發鈦,幾個月內使此處壓力保持1×10^-9Pa。真空度測量用500臺調制B-A計,安裝了36個質譜計用于殘余氣體成分分析。
為了檢修系統,用40個氣動閘板閥將真空室每隔70m分成一段。閥板用鈦皮來密封,閥開閉500次,仍有良好的密封性。
貯存環初期運轉中,當束流增加到一定值時,出現過真空度急劇變壞,使貯存束流迅速下降的現象。原因是束流與殘余氣體碰撞產生的離子打到器壁上,使吸附在器壁上的氣體分子激發解吸,真空度變壞;進而產生更多的離子,打出更多的氣體,造成了“雪崩”過程。質譜分析表明,解吸的氣體中有40%的氫、40%的二氧化碳、10%的水蒸氣及10%的碳化合物。后來增加了鈦升華泵及改進了系統烘烤過程,使真空度提高到1×10^-9Pa,再沒有發生過這種現象。
對撞機的貯存環中不僅要求具備超高真空的環境條件,而且還要消除質子勢阱中的電子,防止束流變為中性,影響貯存環中壓力的穩定性。實踐已證明,質子勢阱中的電子可以用電極清除方法消除。此外捕獲電子的絕緣材料產生的Ca0及SiO2塵粒,也會影響環中壓力的穩定性,也必須采取一定的手段予以清除。
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