多级差分真空系统设计、计算和调试

1、分类号 密级 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、计算和调试指导教师申请学位级别 学科专业名称 论文提交日期 论文答辩日期 培养单位 学位授予单位答辩委员会主席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

2、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

3、 仿真，压力分布I摘要II起草日期：ABSTRACTThe Design、Calculation and Adjustment of Multi-DifferentialVacuum SystemZhang SupingDirected by Yang XiaotianThe TR2 terminal as one of the terminals of Heavy Ion Research Facility in Lanzhou (HIRFLs post beam line, is a experimental device to study heavy nuclei. Its workin

4、g 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

5、, vacuum measurement elements and pumping system. Next, the functions of pumping system are tested. By the calculation, the design of TR2 terminal vacuum systemfour- stage differential vacuum system is finished. By static testing, introduces the rate of differential and the calculation of gas flow e

6、ffect. 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 systemfour- stage differential vacuum system. A comparison between simulation resu

7、lts 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 IIIABSTRACT100Pa to 10-6Pa.Key Words: TR2 terminal, differential vacuum system, molecule/booster pum

8、p, gasflow effect, calibration of gauges, PSpice simulation, pressuredistributionIV目录目录摘要.I ABSTRACT .III目录.5第一章 引言.111 研究目的和意义：.12 国内外差分真空系统研究现状.121国内差分真空系统研究现状.122国外真空差分系统研究现状.13 本论文的研究内容.131 TR2终端差分真空系统的初步设计.132 TR2终端差分管道流导和各级差分真空室压强的理论计算.133 TR2终端差分真空系统的静态测试及差分系统的改进设计.134 TR2终端差分真空系统的在线调试. 1 3 3

9、 5 6 6 6 6 7第二章 差分真空系统原理.821 流导的计算.822 差分真空系统原理.13第三章 TR2终端真空差分系统的设计.1631 差分管道的初步设计.32 TR2终端差分真空室材料.321 TR2终端差分真空室材料选择.322 TR2终端真空差分真空室材料的处理措施.33 TR2终端真空差分系统中真空测量元件的选择.331 真空测量元件的选择.332 真空规管对不同气体的测量特性.34 TR2端真空差分系统排气系统的选择.341 TR2端真空差分系统排气系统前级泵的选择.342 TR2端真空差分系统排气系统主泵的选择.35 主抽泵的性能测试.351分子/增压泵（MBP200）

10、极限压强的测试.352分子/增压泵对氦气和氮气的抽速测试.36 小结. 16 17 17 18 19 19 20 22 22 24 26 26 29 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.3941差分真空系统静态理论计算.411差分真空系统对氮气静态理论计算结果.412差分真空系统对氦气静态理论计算结果.42 差分真空系统改进设计以及理论静态计算.421差分真空系统改进设计对氮气静态理论计算结果.422 真空差分系统改进设计对氦气静态理论计算结果.43 差分真空系统中充气气流效应的理论分析与计算.431 差分系统中充气气流效应的定性分析.432 差分系统中充

11、气气流效应的定量分析.44 TR2差分真空系统压力分布仿真计算.441真空系统与电子学系统等效.442 仿真结果.45 TR2终端差分真空系统静态测试结果与理论值比较.451 TR2终端差分真空系统静态测试.452 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.46 小结.39 39 40 41 42 43 43 44 46 48 49 50 51 51 56 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11 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 ）、

12、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11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

13、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1-5×10Pa 。8个实验终端，分别如图11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

14、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 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。-6-62 多级差分真空系统的设计、计算和调试图11 HIRFL 布局图5-10真空差分方法是实现从高压强（10Pa ）到低压强（可达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

15、2之间存在这样的关系6：P 1P 2=Q (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

16、束运线可以用来形成差分的距离仅为2m 。在第一章 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。12 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911，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

17、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。121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12，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

18、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13。利用一个直径为0.3 mm 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。4 多级差分真空系统的设计、计算和调试 Nozzle Chamberr 0=0.1mm P0 Skimmer 2nd 1st 3rd Collimator1st Source ChamberS 1=4000L/s P1r 1=0.3mm2nd 3rd Source Chamber S 3=10

19、00L/s P 3 r 3=1.2mm Source Chamber 4Interaction Chamber S 5=12000L/s P5 r 5=15mm 2nd Pumping Chamber S 7=1000L/s P7 r 7=15mm th Source Chamber 1st S 6=1000L/s P6r 6=10mm 3rd Pumping ChamberS 8=1000L/s P8r 8=10mm S 2=1000L/s P2 r 2=0.8mm S 4= 1000L/s P4 r 4=1.6mm图12 团簇内靶的结构示意图图13 分子束质谱装置上面两个例子都是利用小孔实

20、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。122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

21、超重核合成的GARIS ，其差分抽气系统如图144。图14 GARIS的差分抽气系统图用该差分系统，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 separator21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：表1-1 TASCA 差分装置参数表差分管1 差分管2 差分管3 差分管直径差分管长度真空室压强Pa 2.23 1.76×10&

22、#215;10 -2-4泵的抽速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

23、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。13 本论文的研究内容131 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。132 TR2终

24、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。133 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。134 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。8多级差分真空系统的设计、计算和调试第二章 差分真空系统原理21 流导的计

25、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：P 1P 2=Q(2.1 C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6M 43d 2RT d RT C =+m 3

26、/s (2.2128L M L M d 1+1. 24RT 1+C 管道的流导m3/s;C 20管对20空气的流导m3/s； d 管道的直径m; L 管道的长度m; 气体的粘滞系数N·s/m2R 摩尔气体常数，8.3143J/（Kmol ）第二章 差分真空系统原理9T 气体温度KM 气体摩尔质量kg/mol管道中的平均压力Pa对20空气，圆截面管道流导简化为：C . 20æd-管道直径cm L-管道长度cmd 3=12. 1J L/s (2.3LJ-与d 、之积有关的系数，见下表2-1：表2-1 20空气的J 值 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

27、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。对于管道传输几率其定义式为24：=C(2.4 C 010多级差分真空系统的设计、计算和调试所以：C =×C 0 (2.5C ：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，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 ）

28、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，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21 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，勾勒管道下游形状图22 确认形状第三步：计算并输出流导等结果 图23 显示计算过程12多级差分真空系统的设计、计算和调试 图24 输出计算结果2）利用真空设计手册上的公式计算 长管的流导：C =12RT d 36M L m3/s 对20空气长管的流导：C . 20æ=121d 3Lm3

29、/s 对20氦气长管的流导：C 20d 3. 20æ He =2×103Lm3/s 短管的流导：C =C 0. m3/s ：克劳辛系数对20空气短管的流导：(2.6(2.7(2.8 (2.9第二章 差分真空系统原理 13C 20æ=9. 1×d 2/(1+L /d L/s (2.10d-管道直径cmL-管道长度cm对20氦气短管的流导：C 20æ=9. 1×2. 67×d 2/(1+L /d L/s (2.11分子流状态下，真空设计手册上的公式计算出来流导的结果比利用CHREVON 程序计算出来的流导偏大。在本论文中有关分子

30、流状态下流导的计算都是按照CHREVON 程序计算出来的。22 差分真空系统原理差分系统原理如图25所示 ，图中P 表示各差分段的压力，P H 表示最高压力级，P L 表示最低压力级，共有n 级差分管道，各级对应的泵的抽速分别为S i ，C i （i=0，1，2n）为各级管道的流导。对于各级泵来讲，既要抽除差分管道两侧材料的出气气载，又要抽除来自相邻高压力级的流动气载，同时又有一部分气载流向相邻低压力级，根据流量守衡，对于第i 级可列出方程25：S i P i =Q i +C i (P i 1P i C i +1(P i P i +1 (2.12 S L S i+1 S i S i-1 S H

31、图25 差分系统原理图14 多级差分真空系统的设计、计算和调试如果选定各相邻级之间的压强差大于一个数量级，则式子2.12可以简化为：S i P i =Q i +C i P i 1C i +1P i (2.13式中：S L ，P L 分为是低压强端差分泵站（真空室）的抽速和压强。S i ，P i 分别为第i 级差分泵站的抽速和压强。S H ，P H 分别为高压强端差分泵站（真空室）的抽速和压强。C i 为第i 级差分管道的流导。公式2.12定量的表达了第i 级差分泵站（真空室）两侧差分管的作用，即低压侧差分管的流导相当于增加了有效抽速，高压侧差分管的流导和压差比的乘积相当于减少了有效抽速。对于高

32、压力级（H 级）来说，相当于公式2.12中的C i 0，对于低压力级（L 级）来说，相当于公式2.12中的C i+10。如果差分级的总级数为n 级，就可以列出n 个方程，但是因为未知数过多，解这个方程组很困难。从工程设计的观点出发，可以找到简化方程组的方法，即：首先设计相同结构和尺寸的泵站（真空室），令其内表面积远大于两侧差分管道的内表面积，这样各级泵站（真空室）的热出气负载近似相等，所以对于结构和尺寸相同的差分管道，Q i 是常量。对于出气率很低的材料，例如HIRFL-CSR 上所用的不锈钢材料，其经过高温除气处理，不锈钢材料出气率可小于5×10-10Pa L/s cm 2 26，

33、并且对于超高系统而言，Q i 的值相对于从高气压端流过来的气载很小，则Q i 可忽略不记。由公式2.12可知，可列出n 个方程。因此可以利用两种计算程序，一种是先定各级的压力和差分管尺寸，求各级泵所需的有效抽速，再由泵的特性抽速曲线，选定泵的名义抽速；第二种是各级泵选用不同的名义抽速，由各个泵的抽速特性曲线和泵口连接管流导计算出有效抽速，再求得各级差分管流导的应取值，然后确定差分管的长短。根据HIRFL 后束运线的实际情况，我们选用第一种方法进行计算。对于四级差分系统，根据上述可知：C 1(P 0P 1 =S 1P 1+C 2(P 1P 2 (2.14C 2(P 1P 2 =S 2P 2+C

34、3(P 2P 3 (2.15第二章 差分真空系统原理 15C 3(P 2P 3 =S 3P 3+C 4(P 3P 4 (2.16C 4(P 3P 4 =S 4P 4 (2.17公式2.14到2.17中的C i （1，2，3，4）分别表示第一级差分管道到第四级差分管道的流导。由公式2.17式得出：P 4=C 4×P 3 (2.18 C 4+S 4将2.18代入2.14到2.16式中，可以得到：P i =i ×P i 1 （i =1，2，3，4） (2.19其中：i =C iC i +S i +C i +1i +1×C i +1 (2.20C i （对氦气分子流状态的

35、流导）对于实际的差分系统，如果知道P 0时，知道每一级的有效抽速S ，和各级的流导C ，就可以根据公式2.19和2.20计算各级差分真空室的压强。16 多级差分真空系统的设计、计算和调试第三章 TR2终端真空差分系统的设计31 差分管道的初步设计对于充气式反冲核谱仪，由于物理实验的要求，实现真空度的顺利过渡不能以降低束流品质为代价，也就是说，不能采用狭缝、小孔，毛细管等常规高效的差分工具。在不降低束流品质的基础上，经过计算，从实验终端到束流入口的束流包络为圆锥形，小端在实验终端，直径为10mm ，大端距小端约2m ，直径为30mm 。这样可以采用10-30mm 的小孔，在2m 的距离内分隔成4

36、个抽气区，采用4级差分，以实现7-8个数量级的真空过渡。根据初步计算结果，将2m 的管道分成4个抽气单元，每个抽气单元之间用小孔隔开，从实验终端到束流入口，小孔的直径从10mm 到30mm 逐级增大。初步设计思想如图31所示。选用不同孔径的CF 法兰（图32），夹在两端真空室的CF 法兰之间，利用小孔法兰自身的厚度（25mm ）来实现管道的差分效果。考虑到差分真空系统的原理，在设计的时候尽量使与各差分法兰相连的抽气单元，即各级差分真空室长度和表面积尽量保持一致，以使Q i 相同，简化计算。 图31 TR2端真空差分系统示意图第三章 TR2端差分真空系统的设计 17图32 差分法兰 32 TR2

37、终端差分真空室材料321 TR2终端差分真空室材料选择真空室所用材料是构成真空系统主体的材料，它将真空系统与大气隔开，主要承受大气压压力。选择结构材料时应考虑材料出气率、导磁率、强度、硬度及易加工等各种因素。经分析比较，确定各真空室材料选用优质不锈钢。根据HIRFL-CSR 超高真空系统的建造经验27，可以选择进口316LN ，316L ，304不锈钢制作TR2终端差分真空室。表3-1和表3-2列出了这几种不锈钢的化学成分以及机械性能。从表中可知，316LN从含碳量、强度、硬度及导磁率各方面都是最好的，适于制做刀口法兰及磁元件真空室，但价格十分昂贵；316L 不锈钢含碳量低，从而导磁率低，是制

38、做磁元件真空室的理想材料，价格适中；304不锈钢强度、硬度低于316LN ，含碳量略高，但其它各项指标基本接近且具有明显的价格优势。TR2差分真空室不工作在磁场中，对导磁率的要求不严格；该系统也不进行在线18多级差分真空系统的设计、计算和调试烘烤，用304不锈钢做法兰，强度也是足够的。因此各差分真空室的材料（包括法兰）均选择优质304不锈钢。表3-1 几种不锈钢的化学成分Si型号C316LN0.031.0016.502.000.0450.02518.50 16.50316L0.031.002.000.0450.03018.50 17.003040.071.002.000.0450.03019.

39、0010.503.0014.00 8.503.00 2.0014.50 11.000.222.5011.50N0.14MnPSCrMoNi其它表3-2 几种不锈钢的机械性能型号硬度 （RHC）0.2屈服应力 拉伸强度N/mm2 20316LN 316L 304150210 295 120180 190 130180 195延伸率 L 0=5d0 60 60 60 收缩率 冲击韧性 J 316LN 316L 304N/mm2300 155 118 110580800 40 490690 4050070045TR2终端差分真空室采用CF 刀口法兰，密封材料选用无氧铜垫。 322 TR2终端真空差分

40、真空室材料的处理措施1超高真空清洗制定的清洗程序27如下：第三章 TR2端差分真空系统的设计19（1）粗洗，洗去可见脏物；（2）在65弱酸性水基溶液中超声波清洗约15分钟以除油； （3）放入65弱酸碱性水基中超声波清洗约15分钟以中和； （4）流动去离子水反复冲洗，直至无泡沫； （5）在150的热空气炉中烘干；（6）用铝箔包裹，内部充满高纯氮气，然后加盖（内衬洁净铝箔）封存。 2真空炉中高温除H 2在冶炼的过程中，金属材料内部会溶解一定量的气体，这部分气体以H 2为主。在真空环境中，这些气体会通过扩散的方式缓慢地迁移到材料表面并释放出来，使材料出气率增大，严重影响极限真空的获得。用真空炉高温烘

41、烤，可以使H 2含量降低2个数量级以上。因此为了获得低的出气率，必须将材料或者加工好的真空室放在真空度好于10-3Pa 的真空炉中高温除气，以赶出材料内部的H 2。无氧铜的材料除气温度为450，保温时间6h ；不锈钢材料的除气温度为950，保温时间约为每毫米壁厚1h 。不锈钢材料在600800左右时内部的碳晶粒可能析出，因此降温时必须迅速避开这个区域。要求用充冷却氮气等方法使从850降到600以下的时间15min 。然后按照4050/ h的速度降到100以下才能取出工件，以免工件氧化。33 TR2终端真空差分系统中真空测量元件的选择 331 真空测量元件的选择TR2终端差分真空系统的真空度范围

42、从100Pa 到10-6Pa ，各差分室应选择相应的真空测量元件。低真空测量采用LEYBOLD 公司的DM12真空计，配用TTR301热电阻规管，测量范围10-1 Pa-105Pa ；高真空测量采用LEYBOLD 公司的CENTER TWO真空计，配用PTR237冷阴极电离真空规管，测量范围1×10-1Pa-1×10-7Pa 。20多级差分真空系统的设计、计算和调试332 真空规管对不同气体的测量特性TR2终端真空差分系统中充气气体是氦气，所以对于真空测量规管也应该是针对氦气的。然而真空测量规管一般是用氮气标定的，对于其他气体，则可以利用LEYBOLD 公司提供的规管的校正

43、曲线计算其等效压强P eff ： 1PTR237对不同气体的校正曲线见图33和图34。图33 PTR237对不同气体的校正曲线（10-4-1Pa ）从图33中可以看到，在10-3Pa 以下，PTR237对有的气体都是成线性的，所以其等效压强P eff 可以利用公式3.1计算：P eff =K×真空计上读数 (3.1K ：PTR237规管对不同气体的校正系数；在10-3Pa 以下，PTR237对不同气体的校正系数见表3-3，在10-3-1Pa 范围内，对不同气体的等效压强P eff 可以直接从图33查出。当读数压强大于1Pa ，PTR237真空计的读数压强和氦气等效压强相差不大，可以利

44、用图34查出，K 约为0.9。第三章 TR2端差分真空系统的设计21 Gas type表3-3 PTR237规管对不同气体的校正系数Air （O 2、CO 、N 2）1.0Xe 0.4Kr 0.5Ar 0.8H 22.44.1 5.9Calibration factor K2 TTR301对不同气体的校正系数以及校正曲线见表3-4，以及图35。以下对不同气体的校正系数 表3-4 TTR 301规管在100PaGas type He Ne Ar KrXeH 2CO 2FreonAir O2 CO N21.0Water vapor122.43.00.50.9图34 PTR237对不同气体的校正曲线

45、（>1Pa）22多级差分真空系统的设计、计算和调试图35 TTR301对不同气体的校正曲线（>1Pa）34 TR2端真空差分系统排气系统的选择341 TR2端真空差分系统排气系统前级泵的选择前级泵为主泵提供预工作真空，使系统真空度能够达到主泵的启动压强和维持主泵工作真空。对于TR2终端差分真空系统，前级泵采用LEYBOLD 公司的TRIV AC 30C型双级油封式直联式旋片真空泵，带有气镇阀，内置防返油阀，抽速为8L/s，与主泵（分子/增压泵）之间用隔膜阀隔开。 根据前级泵配置公式6：Sp Qmax/Pj (3.2Sp前级泵的抽速（L/s）；Qmax最大流量（Pa.L/s），当充气

46、压强为100Pa 时，气体体积流率最大为10L/s； Pj分子/增压泵的前级压力，这里选择200Pa ； 第三章 TR2端差分真空系统的设计 23因此：Sp （10×100）/200=5(L/s (3.3实际工作中，往往需要机械泵在较短时间内抽到所需前级压强，所以实际选择的机械泵抽速应该较大些，我们选择了TRIV AC 30C型油泵，抽速为30m 3/h，即8 L/s。真空室用机械泵从大气开始抽气时，在低真空区域内，机械泵的抽速随着真空度升高而下降。其抽气时间用公式3.4计算t =2. 3K q V p p 0lg i (3.4 S p p p 0如忽略p 0则t =2. 3K q

47、V p lg i (3.5 S q p式中：t抽气时间（s ）；S p 泵的名义抽速（L/s）；V真空设备容积（L ）；p经过t 时间抽气后的压力（Pa ）；p 0真空设备的极限压力（Pa ）；p i 设备开始抽气时的压力（Pa ）；K q 修正系数，与设备终止时的压强P 有关，见表3-5。表3-5 修正系数K q 510410410310310210210101K q对于p=200Pa，K q 取1.5，按照公式3.5，计算出用TRIV AC 30C泵，从大气抽到压强为200Pa 所需要的时间约为16s ，即启动机械泵后16s 就可以启动分子/24 多级差分真空系统的设计、计算和调试 增压泵

48、了。342 TR2端真空差分系统排气系统主泵的选择差分真空系统选择主泵，首先要根据各级真空室所需要建立的极限真空度确定主泵的类型，其次是根据各级真空室的工作压力和气载计算泵的有效抽速，第三是根据被抽气体的种类、真空室对油污染要求的不同以及价格等因素来选择合适的泵。前级泵的选择除了要满足主泵工作所需要的预真空条件和能够抽走主泵产生的最大气体量，还要满足主泵进气口能工作的最大压力所需的预抽时间要求等。考虑到以上的条件，通过公式3.6可以计算出各级泵的有效抽速S ，再根据有效抽速S ，以及泵与真空室之间的连接管道的流导U 确定主泵的抽速S F 24S p =SU (3.6 U STR2终端真空差分系

49、统的第一级和第二级，真空度在100Pa 到1Pa 左右，在这样的真空度下普通的涡轮分子泵及无油泵，如溅射离子泵等都不能正常工作，一般情况下都会采用罗茨泵机组等能在低真空下长期工作的泵种。但罗茨泵及其前级机械泵都是油泵，如不采取措施，运行时将会产生严重的返油现象，会对HIRFL 后束运线超高真空系统造成污染。因此如何减小油污染也是TR2终端真空差分系统设计要考虑的重点问题。针对上述情况，我们对国内外生产的各种泵进行了调研，最后选择了深圳摩尔真空技术有限公司近期研制的可以在中高真空环境下长期工作的分子/增压泵28。分子/增压泵（MBP200）从机理上说是一种分子牵引泵，是利用气体分子与高速运动的转

50、子相碰撞而获得动量，被驱送到泵的出口。该泵兼有中真空泵和高真空泵的双重性能，能耗低，能获得比较清洁的真空，而且能承受大气冲击29。分子/增压泵采用双重分子牵引结构，转子由平圆盘和柱面构成，无任何叶片。其机构示意图见36所示。由泵壳（1）、转子（2）、端盖（3）、轴承（4）、2#静轮（5）、动密封轮（6）、1#静轮（7）、柱面静轮（8、9、10）等组成。转子中部为8只（实际泵中为14只）平盘动轮（11），平盘动轮两侧分别设有两只同轴的柱面动轮（12、13）。相邻平盘动轮之间依次设有1#静轮、动密封轮和2#静轮，其中，5只（实际泵中有9只）1#静轮位于中部，两第三章 TR2端差分真空系统的设计 2

51、5侧各有1只（实际泵中为2只）2#静轮。2#静轮和1#静轮之间设有一只动密封轮。 图36 分子/增压泵结构示意图该泵与相同口径的一般分子泵以及罗茨泵相比较见图37。分子/增压泵的抽速图见图37中曲线1。（1）分子/增压泵（MBP200）与一般分子泵的比较：一般分子泵的进口压强如果高于1Pa 的时候，就不能连续工作。而分子/增压泵（MBP200）则可以在100Pa 连续运行。另外分子/增压泵（MBP200）的抽速超过了相同转速的涡轮分子泵，并且工作压强和排气量增加了60倍，并且可以承受大气冲击。但是相对于涡轮分子泵（立式），分子/增压泵的体积稍大。（2）分子/增压泵（MBP200）与罗茨泵比较：10Pa 以下压强范围内抽速大幅度大于罗茨泵，清洁，能耗低，体积和重量是罗茨泵的1/10；而罗茨泵则可以在50-1000Pa 压强范围长时间运行，运行压强高，排气量大。26 多级差分真空系统的设计、计算和调试图37 分子/增压泵、高压强分子泵和罗茨泵的典型抽气特性比较图经过上述比较，我们选择该新泵种作为差分各级的主抽速泵。由于TR2终端充气式反冲核分离器实验装置工作在氦气环境下，因此应考虑泵对氦气的有效抽速。泵对不同的气体有不同的抽速，需要对分子/增压泵（MBP200）进行氦气有效抽速以及极限压强等的测试。35 主抽泵的性能测试351分子/增压