HIRFL-CSR钛升华泵的设计
兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR) 所要求的真空度指标为6 ×10 - 9Pa 。在这个真空范围内,残余气体的成分主要是H2 , 约占90 % ,其余成分以CO 为主。作者选择钛升华泵和溅射离子泵作为系统主抽气泵。钛升华泵抽除H2及CO 的效果非常好,但对惰性气体和CH4几乎没有抽速,可以利用溅射离子泵抽除系统中残存的少量Ar 及CH4 ,两者配合,使系统达到超高真空。钛升华泵与其他无油泵相比,在相同抽气口径下具有抽速大、极限真空高(与离子泵配合) 、使用寿命长、结构简单、操作方便、价格便宜等优点。作者自行研制了适用于超高真空系统的HIRFL-CSR 钛升华泵。
在温度及气体种类确定条件下,影响钛升华泵在分子流条件下抽速的因素主要是泵口径的大小、钛膜的位置及面积、挡板的形状及位置、钛膜对所抽气体的吸附系数等(不考虑吸气量) 。钛升华泵的工程计算方法只能按给定的少数条件来计算,特别是不能改变挡板的形状。用蒙特卡洛法可以在计算机上模拟气体分子在分子流下的运动,计算管道的流导以及低温泵的抽速 。本文是作者在钛升华泵口径及短管长度不变的条件下,用蒙特卡洛法在计算机上模拟计算钛升华泵挡板形状、位置、吸附系数在不同条件下对抽速的影响以及实验结果的报告。
图1 是HIRFL-CSR 钛升华泵的示意图。钛丝F 放置在圆柱形泵室的轴线位置。从钛丝蒸发出来的钛原子黏附在挡板2 内表面以及泵室内壁的3～5 部分。气体分子从泵口1 经过短管6 飞入泵室后,将与各固体表面发生碰撞。根据各固体表面的吸附系数,确定该气体分子被吸附还是被反射。当判定为吸附时,则加算到该表面吸附的分子数上;反之,如判定为反射,该气体分子则再度飞离表面进入空间飞行,直到被表面吸附或飞离泵口1。根据被泵室内各表面吸附的气体分子数与飞进泵口的气体分子总数之比,即可求出气体分子被钛升华泵吸附的概率。用此概率乘以泵口该种气体的流导,即可得出钛升华泵对该种气体的抽速。
图1 HIRFL-CSR 钛升华泵示意图
在计算时,根据气体分子运动论:
(1) 气体分子在飞进泵口时的分布为余弦分布;
(2) 气体分子与固体表面发生碰撞再次飞入空间时的分布也为余弦分布,而与入射到固体表面的角度无关;
(3) 在泵体内部,气体分子处于分子流状态,因而不考虑分子间碰撞,只考虑分子与固体表面碰撞。
在计算程序里,备有一个随机数列,随机选定气体分子进入泵口以及飞离固体表面时的角度θ的数值,并随机判定气体分子是否被表面吸附。每次计算时,设定飞入泵口的气体分子数为10 万个。
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