复合泵在医用重离子加速器上的应用研究
同步加速器是医用重离子加速器的主加速部件。考虑到其设计空间紧凑的特点及其真空系统的设计要求，采用将非蒸散型吸气剂泵(NEG)组件嵌入国产溅射离子泵(SIP)空腔内组成的复合泵作为真空系统的主泵。本文测试了复合泵的抽气性能，测试并估算了复合泵的H2 饱和容量和再生周期，计算了同步加速器真空系统的压力分布。测试及计算结果表明：相比于SIP，复合泵对N2 的抽速提高了20%，对H2 的抽速提高了70%～100%，且具有更高的极限真空度，其再生周期为2 年，压力分布能够满足同步加速器真空系统的设计要求。
中国科学院近代物理研究所研制的医用重离子加速器由垂直注入线、回旋加速器、中能束运线、同步加速器、高能束运线等五部分组成。其特点是采用同步加速器作为主加速器系统，慢引出方式提供均匀的束流，以利于剂量控制和束流的在线监测，从而减小对患者的额外辐照剂量，有利于提高治疗的安全可靠性，满足推广普及的要求。
为了保证重离子有足够长的储存寿命，同步加速器(图1)全环平均真空度要求为5×10-7 Pa。考虑到在10-7 Pa 以下，随着压强下降，国产溅射离子泵(SIP) 抽速将明显减小，主抽泵单采用SIP，难以快速达到所要求的本底真空，并且同步加速器系统中磁元件众多，设计布局十分紧凑，放置主泵的空间有限。所以，真空技术网(http://www.jnannai.com/)认为为了不增加主泵所占空间，且能快速达到设计的真空度要求，选择了将非蒸散型吸气剂泵(NEG)组件嵌入SIP 空腔内，二者组合形成复合泵作为主泵。
为了保证复合泵的可靠性，使其满足医用重离重离子加速器真空系统的运行要求，测试并分析了复合泵对N2、H2 两种气体的抽气性能，估算了复合泵的H2 饱和容量和再生周期， 采用VAKTRAK软件计算了压力分布，达到了预期的结果。
图1 同步加速器标准真空设备布局图
1、测试装置
采用小孔流导法进行抽速测试。测试装置由测试罩、监测真空计、四极质谱计、抽气机组及阀门等组成，如图2 所示。测试罩按照高真空标准抽速测试罩进行设计加工，其上、下室之间的小孔直径为9 mm，对N2 和H2 的流导C 分别为9.3 L·s-1 和35.4 L/s。监测真空计采用两支型号为IE514 的分离规，其中，分离规G1 和四极质谱计QMS 分别通过两个CF35 法兰连接在测试罩上室上， 分离规G2 通过CF35 法兰连接在测试罩下室上，所有真空计在使用前均在极高真空校准装置上进行校准。抽气机组采用抽速为8 L·s-1 的干式机械泵和600 L·s-1 的涡轮分子泵，
真空规管Gf 安装在分子泵与测试罩下室之间。测试气体通过微漏率调节阀V 注入到测试罩中。由CapaciTorr D400 型NEG 组件和SP-400 型溅射离子泵组成的复合泵通过CF150 法兰与测试罩下室相连。
图2 复合泵抽气性能测试装置
2、测试过程
2.1、SIP 极限真空测试
测试时，启动分子泵抽气机组，并对测试装置进行检漏，确认无漏后用烘烤套包裹测试罩。当真空计Gf 的示值读数达到10-5 Pa 时，对测试罩及溅射离子泵同时加烘烤，烘烤温度为250 ℃，烘烤时间为40 h。烘烤进行到24 h 时，启动离子泵，离子泵自动进行放电间歇除气，约30 min 启动到正常值，同时烘烤继续进行。烘烤期间，分子泵抽气机组保持抽气状态；规管每隔4 h 除气一次。烘烤结束，温度降至200 ℃时，关闭分子泵口阀门。将停止烘烤后48 h 真空计G1、G2 的读数分别作为测试罩上、下室的极限真空测量值。由于测试罩为上下两个容积基本相同的筒体，因此以下室极限真空测量值的1/2 作为泵的极限真空值。上述过程中，真空计每隔4 h 除气一次，离极限测量点12 h 不再除气。
2.2、复合泵极限真空测试
测试时，启动分子泵抽气机组，并对测试装置进行检漏，确认无漏后用烘烤套包裹测试罩。当真空计Gf 的示值读数达到10-5 Pa 时，对测试罩和溅射离子泵同时加烘烤，烘烤温度开始为140 ℃。保温4 h 后，启动离子泵，离子泵自动进行放电间歇除气，约30 min 启动到正常值，烘烤温度增加到180 ℃。保温10 h 后降温，期间分子泵抽气机组保持抽气状态。当系统温度降至80 ℃时，关闭离子泵，采用分子泵抽气机组抽气，并激活NEG 泵，激活电压为17 V，激活电流为6 A，激活时间为1 h。NEG 泵激活后30 min，重新开启离子泵。离子泵工作正常后，关分子泵口阀门，采用复合泵进行抽气。以抽气24 h 后真空计G1、G2 的读数分别作为测试罩上、下室的极限真空测量值，以下室极限真空测量值的1/2 作为泵的极限真空值。上述过程中，真空计每隔4 h 除气一次，离极限测量点12 h 不再除气。
2.3、SIP 及复合泵的抽速测试
将测试装置抽至极限真空后，缓慢打开微漏率调节阀，将测试气体注入测试罩中，测试罩内真空度逐渐降低。每个量级测量3 点，每点至少稳定15 min，分别记录真空计G1、G2 的读数。当测试罩上室的真空度降至1×10-3 Pa 时，关闭微漏率调节阀。SIP 及复合泵的抽速用式(1)进行计算：
式(1)中：S 为泵抽速(L/s)；C 为小孔流导(L/s)；K 为真空计的校准系数；P1 为真空计G1 的读数(Pa)；P2 为真空计G2 的读数(Pa)。
2.4、复合泵H2 饱和容量测试及再生周期估算
先将测试装置抽至极限真空，使NEG 吸气剂获得新鲜的激活吸气表面。缓慢打开微漏率调节阀，向测试罩中注入高纯H2，使真空计G2 的读数降为1×10-5 Pa，记录此时真空计G1、G2 的读数。当真空计G2 的读数降为5×10-5 Pa 时(即抽速降为初始抽速的20%时)，关闭微漏率调节阀，记录测试时间。真空技术网(http://www.jnannai.com/)认为由于H2 饱和容量测试时间会很长，且对泵的损耗较大，因此选取一段时间进行测试，然后估算出H2 饱和容量。
3、测试结果及分析
3.1、SIP 及复合泵极限真空测试结果及分析
SIP 极限真空测试时，停止烘烤48 h 后位于测试罩上、下室的真空计G1、G2 的读数分别为：2.7×10-8 Pa，6.8×10-9 Pa。计算得到，SIP 的极限真空度为3.4×10-9 Pa。
复合泵极限真空测试时，系统温度冷却至室温24 h 后位于测试罩上、下室的真空计G1、G2 的读数分别为：7.2×10-9 Pa，3.4×10-9 Pa。计算得到，复合泵的极限真空度为1.7×10-9 Pa。测试结果表明，复合泵的极限真空度高于SIP 的极限真空度。
3.2、SIP 及复合泵抽速测试结果及分析
选用N2、H2 作为测试气体，分别对SIP 和复合泵的抽速进行了测试。SIP 和复合泵对N2 的抽速测试结果如图3 所示。SIP 和复合泵对H2 的抽速测试结果如图4 所示。
图3 SIP 和复合泵对N2 的抽速曲线
图4 SIP 和复合泵对H2 的抽速曲线
结果表明，SIP 对N2 的最大抽速为481 L/s，复合泵对N2 的最大抽速为547 L/s，SIP 对H2 的最大抽速为662 L/s，复合泵对H2 的最大抽速为1053 L/s。在5×10-7 Pa 的真空度下，SIP 对N2 的抽速为357 L/s，复合泵对N2 的抽速为464 L/s，SIP 对H2 的抽速为417 L/s，复合泵对H2 的抽速为829 L/s。在10-8 Pa 及更高的真空度下，相比于SIP，复合泵仍然具有稳定的高抽速，更易于极高真空的获得。
3.3、复合泵H2 饱和容量测试结果及再生周期估算
复合泵H2 饱和容量的测试共进行了20 天，G2 的读数最高为1.3×10-5 Pa。估算结果表明，要达到约定的饱和压力5×10-5 Pa，约需要266 天左右。取NEG 泵单独对H2 的抽速400 L/s 计算(因为只是NEG 泵需要再生激活)，H2 在两次激活之间的饱和容量为114048 Pa·L，与NEG 泵生产厂家—意大利SAES 公司提供的H2 饱和容量数据基本一致(见图5)。
图5 复合泵对各种气体饱和容量的测试曲线
在5×10-7 Pa 的真空度条件下，残余气体主要是H2(约45%)、CO(约5%)、H2O(约45%)和其他气体(约5%)。根据SAES 公司提供的复合泵对各种气体饱和容量的测试曲线(图5)可知，H2 的再生周期很长，因此主要以CO 和H2O 的再生周期进行估算。以CO 估算，大约为2 年；以H2O 估算，大约为4 年，应以时间短的周期为参照值，即用于同步加速器上的复合泵的再生周期为2 年。
4、同步加速器压力分布计算
将测得的复合泵抽速值带入计算公式，可得出同步加速器的压力分布曲线。根据细长管压力计算公式，压力最大值在离泵口最远处，即两泵中间，压力分布呈抛物线型。图6 是根据设计参数、泵抽速和各真空室流导用VAKTRAK 程序分别得出的同步加速器两个半环的压力分布曲线。因二极铁真空室细而长，流导较小，泵的位置相隔较远，因此二极铁真空室中部压力较大(真空较差)，但整体真空度能够满足5×10-7 Pa 的设计指标要求。
图6 同步加速器真空系统压力分布曲线
5、结论
对应用在医用重离子加速器上的复合泵的抽气性能进行了测试，对复合泵的H2 饱和容量和再生周期进行了测试和估算，对同步加速器真空系统的压力分布进行了计算，结果表明：
(1)SIP 的极限真空度为3.4×10-9 Pa，复合泵的极限真空度为1.7×10-9 Pa。相对于SIP，复合泵的极限真空度更高。
(2)在同样的真空度条件下，复合泵的抽速大于SIP 的抽速。在10-8 Pa 及更高的真空度下，复合泵具有稳定的高抽速，更易于极高真空的获得。
(3)复合泵在10-7 Pa 的条件下运行，再生周期达两年，能够满足医用加速器较长时间不间断工作的要求。
(4)采用复合泵作为主泵，可以在不增加主泵所占空间的情况下，使同步加速器的整体真空度满足5×10-7 Pa 的设计指标要求。
