大抽速、插入式低温板排气系统研究

Compact cyclotrons, because of large surfaces exposed to vacuum and conductance deficiency for outside pumping systems, need high speed and high capacity pumps compatible with the accelerating chamber. Tailored cryopanel exhaust system due to the shape of compact cyclotron magnet valley is the new exploring method to get clean and oil free ultra vacuum environment for the sake of reducing beam loss, improving accelerated particle transmission efficiency. In this research a special "tailored" cryopanel setup developed for the operation in the magnet valley of compact cyclotron is to be introduced. The main task is to design the most suitable configuration of cryopanel in order to efficiently use the limited magnet valley and to get the highest speed. This research may greatly accelerate the cryo vacuum technology in cyclotron.

低温真空技术的发展是回旋加速器技术发展的重要部分，插入式，大抽速低温"tailored"板排气系统也是目前国际回旋加速器真空技术一个趋势。它可以根据自身加速器的特点，有效利用回旋加速器主磁铁谷区空间，能够插入到回旋加速器主磁铁谷区内的低温板排气装置，满足回旋加速器清洁、无油、大抽速高真空及超高真空要求，减少束流损失，提高粒子传输效率。目前国内还没有一套完整设计程序和软件，本研究从低温板排气系统的物理设计入手，研究一套与紧凑型回旋加速器谷区形状匹配的低温板排气结构，在有限的回旋加速器主磁铁谷区流导空间实现尽可能大的有效抽速，合理利用有效低温吸附剂提高低温板抽速。在此目的基础上，探索低温制冷剂的流动机理，设计氦气冷却管路，为系统提供足够、合理有效的冷量。本研究还可以更好促进回旋加速器低温真空技术的发展。

100MeV强流紧凑型回旋加速器的主磁铁扇型谷区半径2m，夹角为35度，高度为500mm，其可以利用的抽气空间和流导有限。粒子在加速时的束流损失要求控制在0.5%[1]以内，因此要求加速腔内的真空为5E-6Pa[2，3]，所需要抽速为140000L/s。因此，需要采用内置式低温冷板抽气系统。为了模拟100MeV强流回旋加速器所需低温冷板抽气系统，利用Monte-Carlo方法模拟设计了一套低温冷板抽气模拟实验装置，设计对氮气的抽速为15000L/s。该装置根据在100MeV回旋加速器上实际使用的条件和对抽速的要求，设计成半开放式屏蔽板的裸低温冷板抽气系统，内表面粘贴活性炭以获得更大的抽速和抽气容量。它可直接插入真空室内，充分利用低温冷板的抽气面积和屏蔽板、挡板的流导，以获取最大的抽气速率。经过测试，低温冷板系统连续运行24hrs，极限压力达到5.8E-6Pa。对氮气和氢气平均抽速分别为16000 l/s和12000 l/s，实际对氮气的抽速大于设计抽速15000L/S，该实验数据为100MeV主真空系统设计提供了依据。