多級差分真空系統(tǒng)設(shè)計、計算和調(diào)試

1、分類號 密級 編號中國科學(xué)院研究生院碩士學(xué)位論文多級差分真空系統(tǒng)設(shè)計、計算和調(diào)試指導(dǎo)教師申請學(xué)位級別 學(xué)科專業(yè)名稱 論文提交日期 論文答辯日期 培養(yǎng)單位 學(xué)位授予單位答辯委員會主席摘要摘要蘭州重離子加速器（HIRFL ）后束運線TR2實驗終端，是一個用于開展超重核研究的實驗終端，實驗系統(tǒng)工作時要求充入氦氣，壓強為100Pa 左右，而后束運線上真空度要求為10-6Pa ，所以如何實現(xiàn)從實驗終端充氣壓強為100Pa 到后束運線上壓強為10-6Pa 真空度的順利過渡便成了一個重要課題。本文從差分真空系統(tǒng)的原理著手，通過對差分系統(tǒng)材料、測量元件以及排氣系統(tǒng)的選擇，排氣性能測試等，設(shè)計了TR2實驗終端差

2、分真空系統(tǒng)四級差分真空系統(tǒng)。通過安裝測試，將理論計算值與靜態(tài)測試結(jié)果做了比較，引出了差分系統(tǒng)中充氣氣流效應(yīng)的概念，并對該系統(tǒng)中充氣氣流效應(yīng)進行定量和定性的分析，改進了差分真空系統(tǒng)的設(shè)計。本文用真空系統(tǒng)中氣體的流動與電子學(xué)電路中電子的流動相等效的思路，把四級差分真空系統(tǒng)等效成電子學(xué)電路，并用PSpice 軟件仿真計算四級差分真空系統(tǒng)中各級差分真空室的壓力分布，并與實驗結(jié)果作比較。理論計算和靜態(tài)測試結(jié)果均表明，TR2實驗終端利用四級差分真空系統(tǒng)，可以實現(xiàn)從100Pa 到后束運線上10-6Pa 真空度的順利過渡。關(guān)鍵詞：TR2終端，差分真空系統(tǒng)，分子/增壓泵，充氣氣流效應(yīng)，真空規(guī)管校準，PSpice

3、 仿真，壓力分布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目錄目錄摘要.I ABSTRACT .III目錄.5第一章 引言.111 研究目的和意義：.12 國內(nèi)外差分真空系統(tǒng)研究現(xiàn)狀.121國內(nèi)差分真空系統(tǒng)研究現(xiàn)狀.122國外真空差分系統(tǒng)研究現(xiàn)狀.13 本論文的研究內(nèi)容.131 TR2終端差分真空系統(tǒng)的初步設(shè)計.132 TR2終端差分管道流導(dǎo)和各級差分真空室壓強的理論計算.133 TR2終端差分真空系統(tǒng)的靜態(tài)測試及差分系統(tǒng)的改進設(shè)計.134 TR2終端差分真空系統(tǒng)的在線調(diào)試. 1 3 3

9、 5 6 6 6 6 7第二章 差分真空系統(tǒng)原理.821 流導(dǎo)的計算.822 差分真空系統(tǒng)原理.13第三章 TR2終端真空差分系統(tǒng)的設(shè)計.1631 差分管道的初步設(shè)計.32 TR2終端差分真空室材料.321 TR2終端差分真空室材料選擇.322 TR2終端真空差分真空室材料的處理措施.33 TR2終端真空差分系統(tǒng)中真空測量元件的選擇.331 真空測量元件的選擇.332 真空規(guī)管對不同氣體的測量特性.34 TR2端真空差分系統(tǒng)排氣系統(tǒng)的選擇.341 TR2端真空差分系統(tǒng)排氣系統(tǒng)前級泵的選擇.342 TR2端真空差分系統(tǒng)排氣系統(tǒng)主泵的選擇.35 主抽泵的性能測試.351分子/增壓泵（MBP200）

10、極限壓強的測試.352分子/增壓泵對氦氣和氮氣的抽速測試.36 小結(jié). 16 17 17 18 19 19 20 22 22 24 26 26 29 38目錄第四章 差分真空系統(tǒng)靜態(tài)理論計算及壓力分布、優(yōu)化設(shè)計、分析和測試.3941差分真空系統(tǒng)靜態(tài)理論計算.411差分真空系統(tǒng)對氮氣靜態(tài)理論計算結(jié)果.412差分真空系統(tǒng)對氦氣靜態(tài)理論計算結(jié)果.42 差分真空系統(tǒng)改進設(shè)計以及理論靜態(tài)計算.421差分真空系統(tǒng)改進設(shè)計對氮氣靜態(tài)理論計算結(jié)果.422 真空差分系統(tǒng)改進設(shè)計對氦氣靜態(tài)理論計算結(jié)果.43 差分真空系統(tǒng)中充氣氣流效應(yīng)的理論分析與計算.431 差分系統(tǒng)中充氣氣流效應(yīng)的定性分析.432 差分系統(tǒng)中充

11、氣氣流效應(yīng)的定量分析.44 TR2差分真空系統(tǒng)壓力分布仿真計算.441真空系統(tǒng)與電子學(xué)系統(tǒng)等效.442 仿真結(jié)果.45 TR2終端差分真空系統(tǒng)靜態(tài)測試結(jié)果與理論值比較.451 TR2終端差分真空系統(tǒng)靜態(tài)測試.452 TR2終端差分真空系統(tǒng)靜態(tài)測試結(jié)果與理論計算結(jié)果的比較.46 小結(jié).39 39 40 41 42 43 43 44 46 48 49 50 51 51 56 57第五章 結(jié)論與展望.58參考文獻.59發(fā)表文章.62致謝. 63第一章 引言 1第一章 引言11 研究目的和意義：蘭州重離子加速器（HIRFL ）是蘭州重離子國家實驗室設(shè)計建造的。由離子源（ECR ）、注入器（SFC ）、

12、主加速器（SSC ）、8個實驗終端以及束流運輸線等主要部分組成，如圖11所示。注入器是一臺改建的能量常數(shù)為69，直徑為1.7米的扇聚焦回旋加速器，主加速器是一臺能量常數(shù)為450的大型分離扇回旋加速器。注入器與主加速器聯(lián)合運行，可以把從C 到Xe 的重離子分別加速到100-10MeV/u的能量，是我國能量最高的重離子物理研究裝置。HIRFL 束流運輸線包括前束運線、后束運線、直通束運線和質(zhì)子束運線，全長約210米。為滿足CSR 工程和物理實驗的要求，對各束運線，尤其是后束運線進行了全面改造。128米長的后束運線真空管道中有一半以上是新加工件，非標加工設(shè)備全部按照超高真空獲得工藝進行了清洗及真空爐

13、高溫除氣處理，同時對各束運線所有舊管道進行了清洗，更換了部分抽氣設(shè)備，排除了一些漏氣源，目前在不加現(xiàn)場烘烤的情況下，前束運線平均真空度達到2×10-5Pa 左右1，2；質(zhì)子束運線真空度好于1×10-7Pa ；直通線、后束運線改造后真空度達到1-5×10Pa 。8個實驗終端，分別如圖11中紫色部分所示，用來開展不同的核物理實驗。目前欲在TR2處開展超重核研究工作，主要實驗設(shè)備由充氣式反沖核譜儀和RFQ 冷卻聚束器等一系列電磁元件組成。充氣式反沖核譜儀主要由一塊大型的二極磁鐵和真空室構(gòu)成，工作時在真空室中充滿壓強為10Pa 到幾百個Pa 的He 氣體，以提高反沖余和核

14、的傳輸效率3，4，5，其工作壓強相對于后束運線的本底壓強1-5×10 Pa，壓強差達到了7-8個數(shù)量級。為了使得真空度的順利過渡，在充氣式反沖核譜儀前端，需要設(shè)計一個真空差分系統(tǒng)，使得能夠在保證滿足束流參數(shù)不影響物理實驗的前提下，實現(xiàn)真空度的順利過渡。-6-62 多級差分真空系統(tǒng)的設(shè)計、計算和調(diào)試圖11 HIRFL 布局圖5-10真空差分方法是實現(xiàn)從高壓強（10Pa ）到低壓強（可達10 Pa ）大范圍內(nèi)真空過渡的基本實驗手段。主要用于各類加速器氣體靶、超重核實驗裝置、質(zhì)譜技術(shù)等。我們知道，當氣體通過兩邊的壓強為P 1和P 2的管道（或者小孔）流動的時候，流量Q 和壓強差P 1- P

15、2之間存在這樣的關(guān)系6：P 1P 2=Q (1.1 C 是管道或者小孔的流導(dǎo)，從公式1.1可以看出，要在一個真空管道兩端獲得大的壓強差，一個有效方法就是降低C ，對于圓長管道來說，C 與d 3成正比，與管道的長度L 成反比，所以可以利用減小d 或者增大L 來獲得小的流導(dǎo)，從而獲得大的壓強差。也就是說，要想用一級泵實現(xiàn)8個數(shù)量級的壓強差，若用細的管道，需要將d 降低約3個數(shù)量級，若增加長度，則需要將長度增加8個數(shù)量級。根據(jù)束流在后束運線的包絡(luò)尺寸，要求其管道內(nèi)徑不小于70mm ，如果采取將d 降低三個數(shù)量級的方案，束流將無法通過，這對于物理實驗是不可取的；增加管道長度也不現(xiàn)實，因為從實驗終端到后

16、束運線可以用來形成差分的距離僅為2m 。在第一章 引言 3這么短的距離內(nèi)不可能用一級抽氣系統(tǒng)實現(xiàn)7-8個量級的壓強差。為了實現(xiàn)這二者之間大壓強差的順利過渡，同時還要保證束流按規(guī)定的發(fā)射度和足夠的強度傳輸?shù)綄嶒灲K端，我們需要設(shè)計較大孔徑的多級差分系統(tǒng)，以實現(xiàn)真空度的順利過渡。12 國內(nèi)外差分真空系統(tǒng)研究現(xiàn)狀很多粒子儲存環(huán)氣體內(nèi)靶7，8的差分系統(tǒng)，比較著名的有德國GSI 的ESR 儲存環(huán)911，德國的COSY 儲存環(huán)12，瑞典的CEISIUS 儲存環(huán)13，瑞士的ISR 儲存環(huán)14，美國的ADONE 儲存環(huán)15，16和我國的蘭州的重離子冷卻儲存環(huán)CSR 17，為了獲得足夠的靶厚，氣體源的壓力一般比較

17、高，往往要求1-2個大氣壓或更高。與氣體內(nèi)靶相連的儲存環(huán)的主真空系統(tǒng)的工作壓力一般都很低（10-5Pa-10-10 Pa），為了實現(xiàn)10-15個數(shù)量級的高壓差真空過渡，在氣體通往靶室的通道中，采用孔徑很小的小孔，或采用很細的管道（毛細管），或狹縫等裝置，大幅度地降低流導(dǎo)C ，或者采用多級差分的復(fù)雜真空系統(tǒng)。121國內(nèi)差分真空系統(tǒng)研究現(xiàn)狀中國科學(xué)院近代物理研究所HIRFL-CSR 裝置中的團簇內(nèi)靶實驗系統(tǒng)，見圖12，其氣體噴嘴的孔徑0.1mm ，利用四個孔徑不同的準直光欄（最大的直徑不到5mm ）作為差分系統(tǒng)，其中噴嘴與第一個光欄構(gòu)成差分抽氣系統(tǒng)的第一級，第一個光欄與第二個光欄構(gòu)成差分抽氣系統(tǒng)的

18、第二級，第二個光欄與第三個光欄構(gòu)成差分抽氣系統(tǒng)的第三級，第三個光欄與第四個光欄構(gòu)成差分抽氣系統(tǒng)的第四級，利用這四級差分系統(tǒng)，就可以獲得十幾個量級的壓強差18。大連理工大學(xué)研制的分子束質(zhì)譜裝置19，見圖13。利用一個直徑為0.3 mm 和一個直徑1.0 mm小孔，采用渦輪分子泵，實現(xiàn)了三個數(shù)量級的真空過渡。4 多級差分真空系統(tǒng)的設(shè)計、計算和調(diào)試 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圖12 團簇內(nèi)靶的結(jié)構(gòu)示意圖圖13 分子束質(zhì)譜裝置上面兩個例子都是利用小孔實

20、現(xiàn)的差分。合肥同步輻射實驗室利用兩個22×12×250mm 的長方管道20，每一級配置kyky400L/s離子泵粗抽系第一章 引言 5統(tǒng):kyky450L/s的分子泵機組，當在高真空端壓力為2.66×10-3Pa 的時候，在低壓強端可以獲得3.19×10-7Pa 的真空度。122國外真空差分系統(tǒng)研究現(xiàn)狀對于一些實驗系統(tǒng)，孔徑不能做的像團簇靶系統(tǒng)以及分子束質(zhì)譜裝置中的采樣微孔那么小，可以利用較大的孔徑多級差分，或者增加管道的長度，也可以比較容易的實現(xiàn)3-4數(shù)量級的壓強差。如日本RIKEN 的RRC(Riken Ring Cyclotron加速器系統(tǒng)上，用于

21、超重核合成的GARIS ，其差分抽氣系統(tǒng)如圖144。圖14 GARIS的差分抽氣系統(tǒng)圖用該差分系統(tǒng)，在GARIS 靶室中充66.5 Pa的He 氣，加速器束流管道端的真空度可保持在6.65×10-2 Pa。德國GSI TASCA 上的gas-filled separator21裝置利用三級不同孔徑和不同長度的管道作為差分管道。在第一級采用羅茨泵，二三級采用渦輪分子泵。在靶室端充100Pa 氦氣，在第一級、二級、三級真空室可以獲得的真空度見表1-1：表1-1 TASCA 差分裝置參數(shù)表差分管1 差分管2 差分管3 差分管直徑差分管長度真空室壓強Pa 2.23 1.76×10&

22、#215;10 -2-4泵的抽速6 多級差分真空系統(tǒng)的設(shè)計、計算和調(diào)試另外，歐洲同步輻射中心ESRF （European Synchrotron Radiation Facility）束運線上的差分裝置22，Amstedam 的LHCb 上的差分裝置系統(tǒng)23等，都實現(xiàn)了大差分比的真空過渡。在這里我就不再贅述。不管是日本的RRC(Riken Ring Cyclotron加速器系統(tǒng)上用于超重核合成的GARIS 裝置也好，還是德國GSI TASCA 上的gas-filled separator裝置及其他的差分系統(tǒng)，有一個共同的特征就是當氣體分子處于粘滯流，或粘滯分子流的時候，使用的都是羅茨泵機組，而

23、羅茨泵機組返油問題對于HIRFL 后束運線以及與之相連的CSR 超高真空系統(tǒng)是一個大忌，所以對于我們所設(shè)計的差分真空系統(tǒng)而言，在前級選擇羅茨泵機組不是很理想。我們需要探索選擇可以在高壓強下運行的清潔的泵替代羅茨泵機組，作為我們差分系統(tǒng)的主泵。13 本論文的研究內(nèi)容131 TR2終端差分真空系統(tǒng)的初步設(shè)計根據(jù)束流的發(fā)射度，以及核物理實驗的需求，在2m 的距離內(nèi)分隔成四個抽氣單元，選用不銹鋼作為差分真空室的主材料，選用不同孔徑的差分法蘭作為差分管道；通過比較分子/增壓泵、羅茨泵、分子泵的對不同氣體的抽氣性能，完成了在不同的真空過渡階段主抽氣泵的選擇，初步設(shè)計TR2終端差分真空系統(tǒng)。132 TR2終

24、端差分管道流導(dǎo)和各級差分真空室壓強的理論計算計算出各級管道對不同的氣體在不同的狀態(tài)下的流導(dǎo)；根據(jù)給定泵的抽速和管道的流導(dǎo)，利用真空差分系統(tǒng)計算原理，計算出差分系統(tǒng)各級真空室的理論壓強值。133 TR2終端差分真空系統(tǒng)的靜態(tài)測試及差分系統(tǒng)的改進設(shè)計通過完成對TR2四級真空差分系統(tǒng)的靜態(tài)測試，測試結(jié)果與理論結(jié)果進行比較，分析理論值和測試值之間偏差產(chǎn)生的原因完成對差分系統(tǒng)中充氣氣流效第一章 引言 7應(yīng)的分析，完善TR2終端差分真空系統(tǒng)的設(shè)計。134 TR2終端差分真空系統(tǒng)的在線調(diào)試TR2終端差分真空系統(tǒng)的安裝、上線、調(diào)試工作。8多級差分真空系統(tǒng)的設(shè)計、計算和調(diào)試第二章 差分真空系統(tǒng)原理21 流導(dǎo)的計

25、算真空差分系統(tǒng)常常是利用節(jié)流孔或者節(jié)流管道來實現(xiàn)壓強的過渡，我們知道當氣體通過兩邊的壓強分別為P 1和P 2的管道（或者小孔）流動的時候，流量Q 和壓強差之間存在：P 1P 2=Q(2.1 C其中C 是和氣體的流動狀態(tài)以及管道（或者小孔）的幾何形狀有關(guān)的常數(shù)，稱之為流導(dǎo)，表示氣體沿管道的流動能力。由2.1可以知道，對于Q 相同時，想要在管道（或者小孔）的兩端實現(xiàn)大的壓強差，一個有效的方法就是降低C ，也就是選擇流導(dǎo)小的管道（或者小孔）。所以設(shè)計差分真空系統(tǒng)的一個主要的課題之一，就是要分析氣體通過小孔或者管道的流導(dǎo)。1粘滯-分子流條件下管道的流導(dǎo)計算6M 43d 2RT d RT C =+m 3

26、/s (2.2128L M L M d 1+1. 24RT 1+C 管道的流導(dǎo)m3/s;C 20管對20空氣的流導(dǎo)m3/s； d 管道的直徑m; L 管道的長度m; 氣體的粘滯系數(shù)N·s/m2R 摩爾氣體常數(shù)，8.3143J/（Kmol ）第二章 差分真空系統(tǒng)原理9T 氣體溫度KM 氣體摩爾質(zhì)量kg/mol管道中的平均壓力Pa對20空氣，圓截面管道流導(dǎo)簡化為：C . 20æd-管道直徑cm L-管道長度cmd 3=12. 1J L/s (2.3LJ-與d 、之積有關(guān)的系數(shù)，見下表2-1：表2-1 20空氣的J 值 1）利用計算傳輸幾率計算管道流導(dǎo)傳輸幾率也稱為流導(dǎo)幾率，其物

27、理意義是氣體分子從管道的入口入射進入管道中能從管路的出口逸出的概率。在分子流狀態(tài)下，利用傳輸幾率來表征真空管道對氣體的導(dǎo)通性能更直觀，更本質(zhì)。對于管道傳輸幾率其定義式為24：=C(2.4 C 010多級差分真空系統(tǒng)的設(shè)計、計算和調(diào)試所以：C =×C 0 (2.5C ：管道流導(dǎo)C 0：管道入口孔的流導(dǎo)從式2.5可以看出，管路流導(dǎo)C 等于該管道入口孔的流導(dǎo)C 0和其傳輸幾率的乘積。通常，管路元件入口孔的流導(dǎo)C 0是很容易求得的，如果知道了元件的傳輸幾率，則利用式2.5可以很容易地計算出元件的流導(dǎo)。計算傳輸幾率，常利用蒙特卡羅方法，再計算流導(dǎo)。CHREVON 就是歐洲核子中心（CERN ）

28、制作的一個蒙特卡羅程序，用來計算分子流狀態(tài)下各種管道的流導(dǎo)。通過給定管道的形狀，計算傳輸幾率，利用2.5計算出圓截面管道的流導(dǎo)，其計算步驟如下：第一步：輸入管道長度，入口以及設(shè)定分子總數(shù)參數(shù)，勾勒管道上游形狀 圖21 利用CHREVON 定義管道形狀第二章 差分真空系統(tǒng)原理11第二步：輸入管道出口參數(shù)，勾勒管道下游形狀圖22 確認形狀第三步：計算并輸出流導(dǎo)等結(jié)果 圖23 顯示計算過程12多級差分真空系統(tǒng)的設(shè)計、計算和調(diào)試 圖24 輸出計算結(jié)果2）利用真空設(shè)計手冊上的公式計算 長管的流導(dǎo)：C =12RT d 36M L m3/s 對20空氣長管的流導(dǎo)：C . 20æ=121d 3Lm3

29、/s 對20氦氣長管的流導(dǎo)：C 20d 3. 20æ He =2×103Lm3/s 短管的流導(dǎo)：C =C 0. m3/s ：克勞辛系數(shù)對20空氣短管的流導(dǎo)：(2.6(2.7(2.8 (2.9第二章 差分真空系統(tǒng)原理 13C 20æ=9. 1×d 2/(1+L /d L/s (2.10d-管道直徑cmL-管道長度cm對20氦氣短管的流導(dǎo)：C 20æ=9. 1×2. 67×d 2/(1+L /d L/s (2.11分子流狀態(tài)下，真空設(shè)計手冊上的公式計算出來流導(dǎo)的結(jié)果比利用CHREVON 程序計算出來的流導(dǎo)偏大。在本論文中有關(guān)分子

30、流狀態(tài)下流導(dǎo)的計算都是按照CHREVON 程序計算出來的。22 差分真空系統(tǒng)原理差分系統(tǒng)原理如圖25所示 ，圖中P 表示各差分段的壓力，P H 表示最高壓力級，P L 表示最低壓力級，共有n 級差分管道，各級對應(yīng)的泵的抽速分別為S i ，C i （i=0，1，2n）為各級管道的流導(dǎo)。對于各級泵來講，既要抽除差分管道兩側(cè)材料的出氣氣載，又要抽除來自相鄰高壓力級的流動氣載，同時又有一部分氣載流向相鄰低壓力級，根據(jù)流量守衡，對于第i 級可列出方程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、圖25 差分系統(tǒng)原理圖14 多級差分真空系統(tǒng)的設(shè)計、計算和調(diào)試如果選定各相鄰級之間的壓強差大于一個數(shù)量級，則式子2.12可以簡化為：S i P i =Q i +C i P i 1C i +1P i (2.13式中：S L ，P L 分為是低壓強端差分泵站（真空室）的抽速和壓強。S i ，P i 分別為第i 級差分泵站的抽速和壓強。S H ，P H 分別為高壓強端差分泵站（真空室）的抽速和壓強。C i 為第i 級差分管道的流導(dǎo)。公式2.12定量的表達了第i 級差分泵站（真空室）兩側(cè)差分管的作用，即低壓側(cè)差分管的流導(dǎo)相當于增加了有效抽速，高壓側(cè)差分管的流導(dǎo)和壓差比的乘積相當于減少了有效抽速。對于高

32、壓力級（H 級）來說，相當于公式2.12中的C i 0，對于低壓力級（L 級）來說，相當于公式2.12中的C i+10。如果差分級的總級數(shù)為n 級，就可以列出n 個方程，但是因為未知數(shù)過多，解這個方程組很困難。從工程設(shè)計的觀點出發(fā)，可以找到簡化方程組的方法，即：首先設(shè)計相同結(jié)構(gòu)和尺寸的泵站（真空室），令其內(nèi)表面積遠大于兩側(cè)差分管道的內(nèi)表面積，這樣各級泵站（真空室）的熱出氣負載近似相等，所以對于結(jié)構(gòu)和尺寸相同的差分管道，Q i 是常量。對于出氣率很低的材料，例如HIRFL-CSR 上所用的不銹鋼材料，其經(jīng)過高溫除氣處理，不銹鋼材料出氣率可小于5×10-10Pa L/s cm 2 26，

33、并且對于超高系統(tǒng)而言，Q i 的值相對于從高氣壓端流過來的氣載很小，則Q i 可忽略不記。由公式2.12可知，可列出n 個方程。因此可以利用兩種計算程序，一種是先定各級的壓力和差分管尺寸，求各級泵所需的有效抽速，再由泵的特性抽速曲線，選定泵的名義抽速；第二種是各級泵選用不同的名義抽速，由各個泵的抽速特性曲線和泵口連接管流導(dǎo)計算出有效抽速，再求得各級差分管流導(dǎo)的應(yīng)取值，然后確定差分管的長短。根據(jù)HIRFL 后束運線的實際情況，我們選用第一種方法進行計算。對于四級差分系統(tǒng)，根據(jù)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 差分真空系統(tǒng)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）分別表示第一級差分管道到第四級差分管道的流導(dǎo)。由公式2.17式得出：P 4=C 4×P 3 (2.18 C 4+S 4將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 （對氦氣分子流狀態(tài)的

35、流導(dǎo)）對于實際的差分系統(tǒng)，如果知道P 0時，知道每一級的有效抽速S ，和各級的流導(dǎo)C ，就可以根據(jù)公式2.19和2.20計算各級差分真空室的壓強。16 多級差分真空系統(tǒng)的設(shè)計、計算和調(diào)試第三章 TR2終端真空差分系統(tǒng)的設(shè)計31 差分管道的初步設(shè)計對于充氣式反沖核譜儀，由于物理實驗的要求，實現(xiàn)真空度的順利過渡不能以降低束流品質(zhì)為代價，也就是說，不能采用狹縫、小孔，毛細管等常規(guī)高效的差分工具。在不降低束流品質(zhì)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過計算，從實驗終端到束流入口的束流包絡(luò)為圓錐形，小端在實驗終端，直徑為10mm ，大端距小端約2m ，直徑為30mm 。這樣可以采用10-30mm 的小孔，在2m 的距離內(nèi)分隔成4

36、個抽氣區(qū)，采用4級差分，以實現(xiàn)7-8個數(shù)量級的真空過渡。根據(jù)初步計算結(jié)果，將2m 的管道分成4個抽氣單元，每個抽氣單元之間用小孔隔開，從實驗終端到束流入口，小孔的直徑從10mm 到30mm 逐級增大。初步設(shè)計思想如圖31所示。選用不同孔徑的CF 法蘭（圖32），夾在兩端真空室的CF 法蘭之間，利用小孔法蘭自身的厚度（25mm ）來實現(xiàn)管道的差分效果。考慮到差分真空系統(tǒng)的原理，在設(shè)計的時候盡量使與各差分法蘭相連的抽氣單元，即各級差分真空室長度和表面積盡量保持一致，以使Q i 相同，簡化計算。 圖31 TR2端真空差分系統(tǒng)示意圖第三章 TR2端差分真空系統(tǒng)的設(shè)計 17圖32 差分法蘭 32 TR2

37、終端差分真空室材料321 TR2終端差分真空室材料選擇真空室所用材料是構(gòu)成真空系統(tǒng)主體的材料，它將真空系統(tǒng)與大氣隔開，主要承受大氣壓壓力。選擇結(jié)構(gòu)材料時應(yīng)考慮材料出氣率、導(dǎo)磁率、強度、硬度及易加工等各種因素。經(jīng)分析比較，確定各真空室材料選用優(yōu)質(zhì)不銹鋼。根據(jù)HIRFL-CSR 超高真空系統(tǒng)的建造經(jīng)驗27，可以選擇進口316LN ，316L ，304不銹鋼制作TR2終端差分真空室。表3-1和表3-2列出了這幾種不銹鋼的化學(xué)成分以及機械性能。從表中可知，316LN從含碳量、強度、硬度及導(dǎo)磁率各方面都是最好的，適于制做刀口法蘭及磁元件真空室，但價格十分昂貴；316L 不銹鋼含碳量低，從而導(dǎo)磁率低，是制

38、做磁元件真空室的理想材料，價格適中；304不銹鋼強度、硬度低于316LN ，含碳量略高，但其它各項指標基本接近且具有明顯的價格優(yōu)勢。TR2差分真空室不工作在磁場中，對導(dǎo)磁率的要求不嚴格；該系統(tǒng)也不進行在線18多級差分真空系統(tǒng)的設(shè)計、計算和調(diào)試烘烤，用304不銹鋼做法蘭，強度也是足夠的。因此各差分真空室的材料（包括法蘭）均選擇優(yōu)質(zhì)304不銹鋼。表3-1 幾種不銹鋼的化學(xué)成分Si型號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 幾種不銹鋼的機械性能型號硬度 （RHC）0.2屈服應(yīng)力 拉伸強度N/mm2 20316LN 316L 304150210 295 120180 190 130180 195延伸率 L 0=5d0 60 60 60 收縮率 沖擊韌性 J 316LN 316L 304N/mm2300 155 118 110580800 40 490690 4050070045TR2終端差分真空室采用CF 刀口法蘭，密封材料選用無氧銅墊。 322 TR2終端真空差分

40、真空室材料的處理措施1超高真空清洗制定的清洗程序27如下：第三章 TR2端差分真空系統(tǒng)的設(shè)計19（1）粗洗，洗去可見臟物；（2）在65弱酸性水基溶液中超聲波清洗約15分鐘以除油； （3）放入65弱酸堿性水基中超聲波清洗約15分鐘以中和； （4）流動去離子水反復(fù)沖洗，直至無泡沫； （5）在150的熱空氣爐中烘干；（6）用鋁箔包裹，內(nèi)部充滿高純氮氣，然后加蓋（內(nèi)襯潔凈鋁箔）封存。 2真空爐中高溫除H 2在冶煉的過程中，金屬材料內(nèi)部會溶解一定量的氣體，這部分氣體以H 2為主。在真空環(huán)境中，這些氣體會通過擴散的方式緩慢地遷移到材料表面并釋放出來，使材料出氣率增大，嚴重影響極限真空的獲得。用真空爐高溫烘

41、烤，可以使H 2含量降低2個數(shù)量級以上。因此為了獲得低的出氣率，必須將材料或者加工好的真空室放在真空度好于10-3Pa 的真空爐中高溫除氣，以趕出材料內(nèi)部的H 2。無氧銅的材料除氣溫度為450，保溫時間6h ；不銹鋼材料的除氣溫度為950，保溫時間約為每毫米壁厚1h 。不銹鋼材料在600800左右時內(nèi)部的碳晶?？赡芪龀?，因此降溫時必須迅速避開這個區(qū)域。要求用充冷卻氮氣等方法使從850降到600以下的時間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終端真空差分系統(tǒng)中真空測量元件的選擇 331 真空測量元件的選擇TR2終端差分真空系統(tǒng)的真空度范圍

42、從100Pa 到10-6Pa ，各差分室應(yīng)選擇相應(yīng)的真空測量元件。低真空測量采用LEYBOLD 公司的DM12真空計，配用TTR301熱電阻規(guī)管，測量范圍10-1 Pa-105Pa ；高真空測量采用LEYBOLD 公司的CENTER TWO真空計，配用PTR237冷陰極電離真空規(guī)管，測量范圍1×10-1Pa-1×10-7Pa 。20多級差分真空系統(tǒng)的設(shè)計、計算和調(diào)試332 真空規(guī)管對不同氣體的測量特性TR2終端真空差分系統(tǒng)中充氣氣體是氦氣，所以對于真空測量規(guī)管也應(yīng)該是針對氦氣的。然而真空測量規(guī)管一般是用氮氣標定的，對于其他氣體，則可以利用LEYBOLD 公司提供的規(guī)管的校正

43、曲線計算其等效壓強P eff ： 1PTR237對不同氣體的校正曲線見圖33和圖34。圖33 PTR237對不同氣體的校正曲線（10-4-1Pa ）從圖33中可以看到，在10-3Pa 以下，PTR237對有的氣體都是成線性的，所以其等效壓強P eff 可以利用公式3.1計算：P eff =K×真空計上讀數(shù) (3.1K ：PTR237規(guī)管對不同氣體的校正系數(shù)；在10-3Pa 以下，PTR237對不同氣體的校正系數(shù)見表3-3，在10-3-1Pa 范圍內(nèi)，對不同氣體的等效壓強P eff 可以直接從圖33查出。當讀數(shù)壓強大于1Pa ，PTR237真空計的讀數(shù)壓強和氦氣等效壓強相差不大，可以利

44、用圖34查出，K 約為0.9。第三章 TR2端差分真空系統(tǒng)的設(shè)計21 Gas type表3-3 PTR237規(guī)管對不同氣體的校正系數(shù)Air （O 2、CO 、N 2）1.0Xe 0.4Kr 0.5Ar 0.8H 22.44.1 5.9Calibration factor K2 TTR301對不同氣體的校正系數(shù)以及校正曲線見表3-4，以及圖35。以下對不同氣體的校正系數(shù) 表3-4 TTR 301規(guī)管在100PaGas type He Ne Ar KrXeH 2CO 2FreonAir O2 CO N21.0Water vapor122.43.00.50.9圖34 PTR237對不同氣體的校正曲線

45、（>1Pa）22多級差分真空系統(tǒng)的設(shè)計、計算和調(diào)試圖35 TTR301對不同氣體的校正曲線（>1Pa）34 TR2端真空差分系統(tǒng)排氣系統(tǒng)的選擇341 TR2端真空差分系統(tǒng)排氣系統(tǒng)前級泵的選擇前級泵為主泵提供預(yù)工作真空，使系統(tǒng)真空度能夠達到主泵的啟動壓強和維持主泵工作真空。對于TR2終端差分真空系統(tǒng)，前級泵采用LEYBOLD 公司的TRIV AC 30C型雙級油封式直聯(lián)式旋片真空泵，帶有氣鎮(zhèn)閥，內(nèi)置防返油閥，抽速為8L/s，與主泵（分子/增壓泵）之間用隔膜閥隔開。 根據(jù)前級泵配置公式6：Sp Qmax/Pj (3.2Sp前級泵的抽速（L/s）；Qmax最大流量（Pa.L/s），當充氣

46、壓強為100Pa 時，氣體體積流率最大為10L/s； Pj分子/增壓泵的前級壓力，這里選擇200Pa ； 第三章 TR2端差分真空系統(tǒng)的設(shè)計 23因此：Sp （10×100）/200=5(L/s (3.3實際工作中，往往需要機械泵在較短時間內(nèi)抽到所需前級壓強，所以實際選擇的機械泵抽速應(yīng)該較大些，我們選擇了TRIV AC 30C型油泵，抽速為30m 3/h，即8 L/s。真空室用機械泵從大氣開始抽氣時，在低真空區(qū)域內(nèi)，機械泵的抽速隨著真空度升高而下降。其抽氣時間用公式3.4計算t =2. 3K q V p p 0lg i (3.4 S p p p 0如忽略p 0則t =2. 3K q

47、V p lg i (3.5 S q p式中：t抽氣時間（s ）；S p 泵的名義抽速（L/s）；V真空設(shè)備容積（L ）；p經(jīng)過t 時間抽氣后的壓力（Pa ）；p 0真空設(shè)備的極限壓力（Pa ）；p i 設(shè)備開始抽氣時的壓力（Pa ）；K q 修正系數(shù)，與設(shè)備終止時的壓強P 有關(guān)，見表3-5。表3-5 修正系數(shù)K q 510410410310310210210101K q對于p=200Pa，K q 取1.5，按照公式3.5，計算出用TRIV AC 30C泵，從大氣抽到壓強為200Pa 所需要的時間約為16s ，即啟動機械泵后16s 就可以啟動分子/24 多級差分真空系統(tǒng)的設(shè)計、計算和調(diào)試 增壓泵

48、了。342 TR2端真空差分系統(tǒng)排氣系統(tǒng)主泵的選擇差分真空系統(tǒng)選擇主泵，首先要根據(jù)各級真空室所需要建立的極限真空度確定主泵的類型，其次是根據(jù)各級真空室的工作壓力和氣載計算泵的有效抽速，第三是根據(jù)被抽氣體的種類、真空室對油污染要求的不同以及價格等因素來選擇合適的泵。前級泵的選擇除了要滿足主泵工作所需要的預(yù)真空條件和能夠抽走主泵產(chǎn)生的最大氣體量，還要滿足主泵進氣口能工作的最大壓力所需的預(yù)抽時間要求等?？紤]到以上的條件，通過公式3.6可以計算出各級泵的有效抽速S ，再根據(jù)有效抽速S ，以及泵與真空室之間的連接管道的流導(dǎo)U 確定主泵的抽速S F 24S p =SU (3.6 U STR2終端真空差分系

49、統(tǒng)的第一級和第二級，真空度在100Pa 到1Pa 左右，在這樣的真空度下普通的渦輪分子泵及無油泵，如濺射離子泵等都不能正常工作，一般情況下都會采用羅茨泵機組等能在低真空下長期工作的泵種。但羅茨泵及其前級機械泵都是油泵，如不采取措施，運行時將會產(chǎn)生嚴重的返油現(xiàn)象，會對HIRFL 后束運線超高真空系統(tǒng)造成污染。因此如何減小油污染也是TR2終端真空差分系統(tǒng)設(shè)計要考慮的重點問題。針對上述情況，我們對國內(nèi)外生產(chǎn)的各種泵進行了調(diào)研，最后選擇了深圳摩爾真空技術(shù)有限公司近期研制的可以在中高真空環(huán)境下長期工作的分子/增壓泵28。分子/增壓泵（MBP200）從機理上說是一種分子牽引泵，是利用氣體分子與高速運動的轉(zhuǎn)

50、子相碰撞而獲得動量，被驅(qū)送到泵的出口。該泵兼有中真空泵和高真空泵的雙重性能，能耗低，能獲得比較清潔的真空，而且能承受大氣沖擊29。分子/增壓泵采用雙重分子牽引結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子由平圓盤和柱面構(gòu)成，無任何葉片。其機構(gòu)示意圖見36所示。由泵殼（1）、轉(zhuǎn)子（2）、端蓋（3）、軸承（4）、2#靜輪（5）、動密封輪（6）、1#靜輪（7）、柱面靜輪（8、9、10）等組成。轉(zhuǎn)子中部為8只（實際泵中為14只）平盤動輪（11），平盤動輪兩側(cè)分別設(shè)有兩只同軸的柱面動輪（12、13）。相鄰平盤動輪之間依次設(shè)有1#靜輪、動密封輪和2#靜輪，其中，5只（實際泵中有9只）1#靜輪位于中部，兩第三章 TR2端差分真空系統(tǒng)的設(shè)計 2

51、5側(cè)各有1只（實際泵中為2只）2#靜輪。2#靜輪和1#靜輪之間設(shè)有一只動密封輪。 圖36 分子/增壓泵結(jié)構(gòu)示意圖該泵與相同口徑的一般分子泵以及羅茨泵相比較見圖37。分子/增壓泵的抽速圖見圖37中曲線1。（1）分子/增壓泵（MBP200）與一般分子泵的比較：一般分子泵的進口壓強如果高于1Pa 的時候，就不能連續(xù)工作。而分子/增壓泵（MBP200）則可以在100Pa 連續(xù)運行。另外分子/增壓泵（MBP200）的抽速超過了相同轉(zhuǎn)速的渦輪分子泵，并且工作壓強和排氣量增加了60倍，并且可以承受大氣沖擊。但是相對于渦輪分子泵（立式），分子/增壓泵的體積稍大。（2）分子/增壓泵（MBP200）與羅茨泵比較：10Pa 以下壓強范圍內(nèi)抽速大幅度大于羅茨泵，清潔，能耗低，體積和重量是羅茨泵的1/10；而羅茨泵則可以在50-1000Pa 壓強范圍長時間運行，運行壓強高，排氣量大。26 多級差分真空系統(tǒng)的設(shè)計、計算和調(diào)試圖37 分子/增壓泵、高壓強分子泵和羅茨泵的典型抽氣特性比較圖經(jīng)過上述比較，我們選擇該新泵種作為差分各級的主抽速泵。由于TR2終端充氣式反沖核分離器實驗裝置工作在氦氣環(huán)境下，因此應(yīng)考慮泵對氦氣的有效抽速。泵對不同的氣體有不同的抽速，需要對分子/增壓泵（MBP200）進行氦氣有效抽速以及極限壓強等的測試。35 主抽泵的性能測試351分子/增壓