一种抑制差分系统充气气流效应的装置及方法

本发明涉及一种超导加速器和核物理领域，特别是关于一种抑制差分系统充气气流效应的装置及方法。

背景技术：

超导直线加速器(ciads)将束流传输至终端的充气反冲谱仪(shans2)进行核物理实验。一方面，shans2在实验终端中需维持80pa的he气氛，另一方面，处于超高真空(10^-7pa)的超导加速器为避免超导腔的失超，禁止大量气载进入其内。因此，需要一套真空装置——差分真空系统——来完成由低真空到超高真空的过渡。但是，理论和实验发现，在差分真空系统中，处于低真空级轴心附近的气体分子将会无碰撞通过后续的差分管，直接入射到充气气流方向前端，再增加差分级数或者抽速的措施也无法改变这部分气流冲向超高真空，经过实验验证，这部分气载引起的真空度变化在10^-4pa量级，若气载直接进入到超导腔内，将会有失超的隐患。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种抑制差分系统充气气流效应的装置及方法，其能有效解决超高真空粒子加速器与低真空充气核物理终端的连接和过渡问题。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种抑制差分系统充气气流效应的装置，其包括差分真空系统、偏转磁铁及真空室、超导加速器和抽取系统；所述差分真空系统的输出端经传输管路与所述偏转磁铁及真空室的一端连接；所述偏转磁铁及真空室的另一端经传输管路与所述超导加速器的输出端连接；所述超导加速器用于输出带电粒子束流；所述抽取系统设置在所述偏转磁铁及真空室的上方，所述抽取系统的输入端经传输管路与所述偏转磁铁及真空室的中部上方连通。

进一步，所述抽取系统包括收集真空室、三极式溅射离子泵和扰流板；所述收集真空室的输入端与所述偏转磁铁及真空室连通，所述收集真空室的输出端与所述三极式溅射离子泵连接，所述扰流板倾斜设置在所述收集真空室内。

进一步，所述抽取系统还包括扰流板驱动电机；所述扰流板驱动电机设置在所述收集真空室顶部外侧，其输出轴与所述扰流板连接，由所述扰流板驱动电机设定所述扰流板的倾斜角度。

进一步，所述差分真空系统包括差分真空室、差分管道、充气室和分子泵机组；所述差分真空室设置有若干个，相邻的两个所述差分真空室之间通过所述差分管道连通，所述差分管道设置在所述差分真空室的中心位置处；

所述充气室的输出端通过所述差分管道与位于底部的所述差分真空室连接，位于顶部的所述差分真空室依次经所述差分管道和传输管路与偏转磁铁及真空室的一端连接；每个所述差分真空室都连接有一个所述分子泵机组。

进一步，所述差分管道的管径由上至下，从大到小设置。

进一步，还包括监测真空计和测量真空计；所述监测真空计设置在所述超导加速器与所述偏转磁铁及真空室之间的传输管路上，所述测量真空计设置在所述收集真空室的气流方向端部，用于检测真空度值。

进一步，还包括计算机控制系统；所述监测真空计、测量真空计和扰流板驱动电机都与所述计算机控制系统电连接；所述监测真空计和测量真空计将检测到的真空度值传输至所述计算机控制系统内，所述计算机控制系统根据接收到的真空度值调节所述扰流板驱动电机动作，实现对所述扰流板的倾斜角度的设定。

进一步，真空度数值最小时的所述扰流板的倾斜角度为最优抑制角度。

一种抑制差分系统充气气流效应的方法，该方法基于上述装置实现，包括：

步骤1、设定扰流板的倾斜角度，使得扰流板的倾斜角度为最优抑制角度；

步骤2、超导加速器输出的束流经偏转磁铁及真空室偏转后，进入差分真空系统；差分真空系统中由位于中心位置处的差分管道输出的he气依次经偏转磁铁及真空室和传输管路沿直线方向进入收集真空室；

步骤3、收集真空室内收集的he气气流被扰流板扰乱后，由三极式溅射离子泵抽除。

进一步，所述步骤1中，最优抑制角度的设定方法包括以下步骤：

步骤1.1、读取监测真空计的读数，并预先给定扰流板驱动电机一个初始正向步进旋转角度；

步骤1.2、扰流板驱动电机旋转后，待监测真空计和测量真空计读数均稳定后，读取此时监测真空计的读数；

步骤1.3、将步骤1.2中的监测真空计的读数与扰流板驱动电机旋转之前的监测真空记的读数作差，根据差值确定扰流板驱动电机的转向；

若差值为正值，则扰流板驱动电机反转旋转方向；若差值为负值，则扰流板驱动电机按前一步旋转的方向旋转；

步骤1.4、当连续两次以上反转旋转方向时则真空度值最小，此时的扰流板角度为最佳抑制角。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

本发明可以有效解决物理实验终端充气时与加速器的真空跨度问题，可以解决差分系统充气气流效应引起的气载问题。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2为本发明抑制充气气流效应的优化方法示意图；

附图标记：1-偏转磁铁及真空室、2-超导加速器、3-收集真空室、4-三极式溅射离子泵、5-扰流板、6-扰流板驱动电机、7-差分真空室、8-差分管道、9-充气室、10-分子泵机组、11-监测真空计、12-测量真空计、13-计算机控制系统。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明包括差分真空系统结构，充气气流效应抑制装置及方法。本发明为采用在充气气流方向上设置气流扰动板和溅射离子泵，结合差分真空系统，实现跨度8个数量级的真空过渡；有效的解决了超高真空粒子加速器与低真空充气核物理终端的连接和过渡问题。

实施例1

在本实施例中，提供一种抑制差分系统充气气流效应的装置，用于过渡低真空到超高真空的差分真空系统，充气气流效应抑制。如图1所示，该装置包括差分真空系统、偏转磁铁及真空室1、超导加速器2和抽取系统。差分真空系统的输出端经传输管路与偏转磁铁及真空室1的一端连接；偏转磁铁及真空室1的另一端经传输管路与超导加速器2的输出端连接，超导加速器2输出带电粒子束流。位于偏转磁铁及真空室1的上方设置有抽取系统，抽取系统的输入端经传输管路与偏转磁铁及真空室1的中部上方连通。

在一个优选的实施例中，抽取系统包括收集真空室3、三极式溅射离子泵4和扰流板5。收集真空室3的输入端与偏转磁铁及真空室1的中部上方经传输管路连通，收集真空室3的输出端与三极式溅射离子泵4连接，扰流板5倾斜设置在收集真空室3内。优选的，收集真空室3设置在偏转磁铁及真空室1的二极磁铁旁，与充气气流位于同一直线方向上。

其中，抽取系统还包括扰流板驱动电机6。扰流板驱动电机6设置在收集真空室3顶部外侧，其输出轴与扰流板5连接，由扰流板驱动电机6设定扰流板5的倾斜角度。

上述实施例中，三极式溅射离子泵4的抽速优选设置为400l/s。

使用时，收集真空室3用于收集充气气流分子，收集的充气气流被扰流板5扰乱后，被三极式溅射离子泵4抽除。

在一个优选的实施例中，差分真空系统包括差分真空室7、差分管道8、充气室9和分子泵机组10；差分真空室7设置有若干个，相邻的两个差分真空室7之间通过差分管道8连通，差分管道8设置在差分真空室7的中心位置处。在本实施例中，优选将差分真空室7设置为五个。

充气室9的输出端通过差分管道8与位于底部的差分真空室7(即低真空级)连接，位于顶部的差分真空室(即高真空级)依次经差分管道8和传输管路与偏转磁铁及真空室1的一端连接。每个差分真空室7都连接有一个分子泵机组10。

使用时，由充气室9向差分真空室7内持续充入he气并保持在80pa，经过由差分管道8、差分真空室7及分子泵机组10作用后，真空度达到极限；差分管道8轴心的气体直接充入收集真空室3内。

上述实施例中，差分管道8采用圆形结构管道，且所有差分管道8的管径不同，由上至下，管径由大到小设置，超导加速器2输出的束流依次经过管径从大到小的差分管道8，充气室9输出的充气气流依次经过管径从小到大的差分管道8，并形成充气气流效应。优选的，5个差分真空室7时，设置的6根差分管道8的尺寸由上至下依次为：φ24mm×200mm，φ21mm×200mm，φ17mm×200mm，φ14mm×200mm，φ12mm×200mm，φ10mm×200。

上述实施例中，分子泵机组10均采用700l/s的涡轮分子泵机组；优选的，位于低真空级的一台分子泵的转速设置为60％。

在一个优选的实施例中，抑制差分系统充气气流效应的装置还包括监测真空计11和测量真空计12。监测真空计11设置在超导加速器2与偏转磁铁及真空室1之间的传输管路上，测量真空计12设置在收集真空室3的气流方向端部，都用于检测真空度值。

在一个优选的实施例中，抑制差分系统充气气流效应的装置还包括计算机控制系统13。监测真空计11、测量真空计12和扰流板驱动电机6都与计算机控制系统13电连接；监测真空计11和测量真空计12将检测到的真空度值传输至计算机控制系统13内，计算机控制系统13根据接收到的真空度值调节扰流板驱动电机6动作，进而实现对扰流板5的倾斜角度的设定。优选的，使得真空度数值最小时的扰流板5的倾斜角度为最优抑制角度。

上述实施例中，测量真空计12和监测真空计11均采用全量程真空计，测量范围为1atm～10^-7pa。

实施例2

在本实施例中，提供一种抑制差分系统充气气流效应的方法，该方法基于实施例1中的装置实现，包括以下步骤：

步骤1、设定扰流板5的倾斜角度，使得扰流板5的倾斜角度为最优抑制角度；

具体为：计算机控制系统13根据监测真空计11和测量真空计12传输至的真空度值调节扰流板驱动电机6动作，达到扰流板5的最优抑制角度。调节方法为：

步骤1.1、读取监测真空计11的读数，并预先给定扰流板驱动电机6一个初始正向(定义沿充气气流方向的顺时针方向为正向)步进旋转角度；

在本实施例中，该步进旋转角度θ＝1°。

步骤1.2、扰流板驱动电机6旋转后，待监测真空计11和测量真空计12读数均稳定后，读取此时监测真空计11的读数；

步骤1.3、将步骤1.2中的监测真空计11的读数与扰流板驱动电机6旋转之前的监测真空计11的读数作差，根据差值确定扰流板驱动电机6的转向；

若差值为正值，则扰流板驱动电机6反转旋转方向；若差值为负值，则扰流板驱动电机6按前一步旋转的方向旋转；

其中，两次的真空度值是旋转1°角度前后的值；

步骤1.4、当连续两次以上反转旋转方向时则真空度值最小，此时的扰流板角度为最佳抑制角；其中，最佳抑制角度为扰流板垂直于纸面方向的0°至45°范围内。

步骤2、超导加速器2输出的束流经偏转磁铁及真空室1偏转后，进入差分真空系统；差分真空系统中由位于中心位置处的差分管道8输出的he气依次经偏转磁铁及真空室1和传输管路沿直线方向进入收集真空室3；

其中，偏转磁铁及真空室1仅对超导加速器2输出的束流实现偏转，对he气气流分子无作用力。

步骤3、收集真空室3内收集的he气气流被扰流板5扰乱后，由三极式溅射离子泵4抽除。

上述步骤2中，从差分真空系统的第2级(即由下到上的第2级)差分真空室7开始，在差分管道8轴心附近的气体分子直接不经过任何碰撞直接进入到超高真空的现象，形成充气气流效应。在充气气流效应中，气体分子在运动前方若碰到管壁或其他障碍物，则按照余弦法则散射。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。