同步加速器是醫(yī)用重離子加速器的主加速部件。考慮到其設(shè)計(jì)空間緊湊的特點(diǎn)及其真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，采用將非蒸散型吸氣劑泵(NEG)組件嵌入國產(chǎn)濺射離子泵(SIP)空腔內(nèi)組成的復(fù)合泵作為真空系統(tǒng)的主泵。本文測試了復(fù)合泵的抽氣性能，測試并估算了復(fù)合泵的H2 飽和容量和再生周期，計(jì)算了同步加速器真空系統(tǒng)的壓力分布。測試及計(jì)算結(jié)果表明：相比于SIP，復(fù)合泵對(duì)N2 的抽速提高了20%，對(duì)H2 的抽速提高了70%～100%，且具有更高的極限真空度，其再生周期為2 年，壓力分布能夠滿足同步加速器真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

　　中國科學(xué)院近代物理研究所研制的醫(yī)用重離子加速器由垂直注入線、回旋加速器、中能束運(yùn)線、同步加速器、高能束運(yùn)線等五部分組成。其特點(diǎn)是采用同步加速器作為主加速器系統(tǒng)，慢引出方式提供均勻的束流，以利于劑量控制和束流的在線監(jiān)測，從而減小對(duì)患者的額外輻照劑量，有利于提高治療的安全可靠性，滿足推廣普及的要求。

　　為了保證重離子有足夠長的儲(chǔ)存壽命，同步加速器(圖1)全環(huán)平均真空度要求為5×10^-7 Pa。考慮到在10^-7 Pa 以下，隨著壓強(qiáng)下降，國產(chǎn)濺射離子泵(SIP) 抽速將明顯減小，主抽泵單采用SIP，難以快速達(dá)到所要求的本底真空，并且同步加速器系統(tǒng)中磁元件眾多，設(shè)計(jì)布局十分緊湊，放置主泵的空間有限。所以，真空技術(shù)網(wǎng)(http://smsksx.com/)認(rèn)為為了不增加主泵所占空間，且能快速達(dá)到設(shè)計(jì)的真空度要求，選擇了將非蒸散型吸氣劑泵(NEG)組件嵌入SIP 空腔內(nèi)，二者組合形成復(fù)合泵作為主泵。

　　為了保證復(fù)合泵的可靠性，使其滿足醫(yī)用重離重離子加速器真空系統(tǒng)的運(yùn)行要求，測試并分析了復(fù)合泵對(duì)N2、H2 兩種氣體的抽氣性能，估算了復(fù)合泵的H2 飽和容量和再生周期， 采用VAKTRAK軟件計(jì)算了壓力分布，達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果。

圖1 同步加速器標(biāo)準(zhǔn)真空設(shè)備布局圖

1、測試裝置

　　采用小孔流導(dǎo)法進(jìn)行抽速測試。測試裝置由測試罩、監(jiān)測真空計(jì)、四極質(zhì)譜計(jì)、抽氣機(jī)組及閥門等組成，如圖2 所示。測試罩按照高真空標(biāo)準(zhǔn)抽速測試罩進(jìn)行設(shè)計(jì)加工，其上、下室之間的小孔直徑為9 mm，對(duì)N2 和H2 的流導(dǎo)C 分別為9.3 L·s^-1 和35.4 L/s。監(jiān)測真空計(jì)采用兩支型號(hào)為IE514 的分離規(guī)，其中，分離規(guī)G1 和四極質(zhì)譜計(jì)QMS 分別通過兩個(gè)CF35 法蘭連接在測試罩上室上， 分離規(guī)G2 通過CF35 法蘭連接在測試罩下室上，所有真空計(jì)在使用前均在極高真空校準(zhǔn)裝置上進(jìn)行校準(zhǔn)。抽氣機(jī)組采用抽速為8 L·s^-1 的干式機(jī)械泵和600 L·s^-1 的渦輪分子泵，

　　真空規(guī)管Gf 安裝在分子泵與測試罩下室之間。測試氣體通過微漏率調(diào)節(jié)閥V 注入到測試罩中。由CapaciTorr D400 型NEG 組件和SP-400 型濺射離子泵組成的復(fù)合泵通過CF150 法蘭與測試罩下室相連。

圖2 復(fù)合泵抽氣性能測試裝置

2、測試過程

2.1、SIP 極限真空測試

　　測試時(shí)，啟動(dòng)分子泵抽氣機(jī)組，并對(duì)測試裝置進(jìn)行檢漏，確認(rèn)無漏后用烘烤套包裹測試罩。當(dāng)真空計(jì)Gf 的示值讀數(shù)達(dá)到10^-5 Pa 時(shí)，對(duì)測試罩及濺射離子泵同時(shí)加烘烤，烘烤溫度為250 ℃，烘烤時(shí)間為40 h。烘烤進(jìn)行到24 h 時(shí)，啟動(dòng)離子泵，離子泵自動(dòng)進(jìn)行放電間歇除氣，約30 min 啟動(dòng)到正常值，同時(shí)烘烤繼續(xù)進(jìn)行。烘烤期間，分子泵抽氣機(jī)組保持抽氣狀態(tài)；規(guī)管每隔4 h 除氣一次。烘烤結(jié)束，溫度降至200 ℃時(shí)，關(guān)閉分子泵口閥門。將停止烘烤后48 h 真空計(jì)G1、G2 的讀數(shù)分別作為測試罩上、下室的極限真空測量值。由于測試罩為上下兩個(gè)容積基本相同的筒體，因此以下室極限真空測量值的1/2 作為泵的極限真空值。上述過程中，真空計(jì)每隔4 h 除氣一次，離極限測量點(diǎn)12 h 不再除氣。

2.2、復(fù)合泵極限真空測試

　　測試時(shí)，啟動(dòng)分子泵抽氣機(jī)組，并對(duì)測試裝置進(jìn)行檢漏，確認(rèn)無漏后用烘烤套包裹測試罩。當(dāng)真空計(jì)Gf 的示值讀數(shù)達(dá)到10^-5 Pa 時(shí)，對(duì)測試罩和濺射離子泵同時(shí)加烘烤，烘烤溫度開始為140 ℃。保溫4 h 后，啟動(dòng)離子泵，離子泵自動(dòng)進(jìn)行放電間歇除氣，約30 min 啟動(dòng)到正常值，烘烤溫度增加到180 ℃。保溫10 h 后降溫，期間分子泵抽氣機(jī)組保持抽氣狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)溫度降至80 ℃時(shí)，關(guān)閉離子泵，采用分子泵抽氣機(jī)組抽氣，并激活NEG 泵，激活電壓為17 V，激活電流為6 A，激活時(shí)間為1 h。NEG 泵激活后30 min，重新開啟離子泵。離子泵工作正常后，關(guān)分子泵口閥門，采用復(fù)合泵進(jìn)行抽氣。以抽氣24 h 后真空計(jì)G1、G2 的讀數(shù)分別作為測試罩上、下室的極限真空測量值，以下室極限真空測量值的1/2 作為泵的極限真空值。上述過程中，真空計(jì)每隔4 h 除氣一次，離極限測量點(diǎn)12 h 不再除氣。

2.3、SIP 及復(fù)合泵的抽速測試

　　將測試裝置抽至極限真空后，緩慢打開微漏率調(diào)節(jié)閥，將測試氣體注入測試罩中，測試罩內(nèi)真空度逐漸降低。每個(gè)量級(jí)測量3 點(diǎn)，每點(diǎn)至少穩(wěn)定15 min，分別記錄真空計(jì)G1、G2 的讀數(shù)。當(dāng)測試罩上室的真空度降至1×10^-3 Pa 時(shí)，關(guān)閉微漏率調(diào)節(jié)閥。SIP 及復(fù)合泵的抽速用式(1)進(jìn)行計(jì)算：

　　式(1)中：S 為泵抽速(L/s)；C 為小孔流導(dǎo)(L/s)；K 為真空計(jì)的校準(zhǔn)系數(shù)；P1 為真空計(jì)G1 的讀數(shù)(Pa)；P2 為真空計(jì)G2 的讀數(shù)(Pa)。

2.4、復(fù)合泵H2 飽和容量測試及再生周期估算

　　先將測試裝置抽至極限真空，使NEG 吸氣劑獲得新鮮的激活吸氣表面。緩慢打開微漏率調(diào)節(jié)閥，向測試罩中注入高純H2，使真空計(jì)G2 的讀數(shù)降為1×10^-5 Pa，記錄此時(shí)真空計(jì)G1、G2 的讀數(shù)。當(dāng)真空計(jì)G2 的讀數(shù)降為5×10^-5 Pa 時(shí)(即抽速降為初始抽速的20%時(shí))，關(guān)閉微漏率調(diào)節(jié)閥，記錄測試時(shí)間。真空技術(shù)網(wǎng)(http://smsksx.com/)認(rèn)為由于H2 飽和容量測試時(shí)間會(huì)很長，且對(duì)泵的損耗較大，因此選取一段時(shí)間進(jìn)行測試，然后估算出H2 飽和容量。

3、測試結(jié)果及分析

3.1、SIP 及復(fù)合泵極限真空測試結(jié)果及分析

　　SIP 極限真空測試時(shí)，停止烘烤48 h 后位于測試罩上、下室的真空計(jì)G1、G2 的讀數(shù)分別為：2.7×10^-8 Pa，6.8×10^-9 Pa。計(jì)算得到，SIP 的極限真空度為3.4×10^-9 Pa。

　　復(fù)合泵極限真空測試時(shí)，系統(tǒng)溫度冷卻至室溫24 h 后位于測試罩上、下室的真空計(jì)G1、G2 的讀數(shù)分別為：7.2×10^-9 Pa，3.4×10^-9 Pa。計(jì)算得到，復(fù)合泵的極限真空度為1.7×10^-9 Pa。測試結(jié)果表明，復(fù)合泵的極限真空度高于SIP 的極限真空度。

3.2、SIP 及復(fù)合泵抽速測試結(jié)果及分析

　　選用N2、H2 作為測試氣體，分別對(duì)SIP 和復(fù)合泵的抽速進(jìn)行了測試。SIP 和復(fù)合泵對(duì)N2 的抽速測試結(jié)果如圖3 所示。SIP 和復(fù)合泵對(duì)H2 的抽速測試結(jié)果如圖4 所示。

圖3 SIP 和復(fù)合泵對(duì)N2 的抽速曲線

圖4 SIP 和復(fù)合泵對(duì)H2 的抽速曲線

　　結(jié)果表明，SIP 對(duì)N2 的最大抽速為481 L/s，復(fù)合泵對(duì)N2 的最大抽速為547 L/s，SIP 對(duì)H2 的最大抽速為662 L/s，復(fù)合泵對(duì)H2 的最大抽速為1053 L/s。在5×10^-7 Pa 的真空度下，SIP 對(duì)N2 的抽速為357 L/s，復(fù)合泵對(duì)N2 的抽速為464 L/s，SIP 對(duì)H2 的抽速為417 L/s，復(fù)合泵對(duì)H2 的抽速為829 L/s。在10^-8 Pa 及更高的真空度下，相比于SIP，復(fù)合泵仍然具有穩(wěn)定的高抽速，更易于極高真空的獲得。

3.3、復(fù)合泵H2 飽和容量測試結(jié)果及再生周期估算

　　復(fù)合泵H2 飽和容量的測試共進(jìn)行了20 天，G2 的讀數(shù)最高為1.3×10^-5 Pa。估算結(jié)果表明，要達(dá)到約定的飽和壓力5×10^-5 Pa，約需要266 天左右。取NEG 泵單獨(dú)對(duì)H2 的抽速400 L/s 計(jì)算(因?yàn)橹皇荖EG 泵需要再生激活)，H2 在兩次激活之間的飽和容量為114048 Pa·L，與NEG 泵生產(chǎn)廠家—意大利SAES 公司提供的H2 飽和容量數(shù)據(jù)基本一致(見圖5)。

圖5 復(fù)合泵對(duì)各種氣體飽和容量的測試曲線

　　在5×10-7 Pa 的真空度條件下，殘余氣體主要是H2(約45%)、CO(約5%)、H2O(約45%)和其他氣體(約5%)。根據(jù)SAES 公司提供的復(fù)合泵對(duì)各種氣體飽和容量的測試曲線(圖5)可知，H2 的再生周期很長，因此主要以CO 和H2O 的再生周期進(jìn)行估算。以CO 估算，大約為2 年；以H2O 估算，大約為4 年，應(yīng)以時(shí)間短的周期為參照值，即用于同步加速器上的復(fù)合泵的再生周期為2 年。

4、同步加速器壓力分布計(jì)算

　　將測得的復(fù)合泵抽速值帶入計(jì)算公式，可得出同步加速器的壓力分布曲線。根據(jù)細(xì)長管壓力計(jì)算公式，壓力最大值在離泵口最遠(yuǎn)處，即兩泵中間，壓力分布呈拋物線型。圖6 是根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)、泵抽速和各真空室流導(dǎo)用VAKTRAK 程序分別得出的同步加速器兩個(gè)半環(huán)的壓力分布曲線。因二極鐵真空室細(xì)而長，流導(dǎo)較小，泵的位置相隔較遠(yuǎn)，因此二極鐵真空室中部壓力較大(真空較差)，但整體真空度能夠滿足5×10^-7 Pa 的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖6 同步加速器真空系統(tǒng)壓力分布曲線

5、結(jié)論

　　對(duì)應(yīng)用在醫(yī)用重離子加速器上的復(fù)合泵的抽氣性能進(jìn)行了測試，對(duì)復(fù)合泵的H2 飽和容量和再生周期進(jìn)行了測試和估算，對(duì)同步加速器真空系統(tǒng)的壓力分布進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明：

　　(1)SIP 的極限真空度為3.4×10^-9 Pa，復(fù)合泵的極限真空度為1.7×10^-9 Pa。相對(duì)于SIP，復(fù)合泵的極限真空度更高。

　　(2)在同樣的真空度條件下，復(fù)合泵的抽速大于SIP 的抽速。在10^-8 Pa 及更高的真空度下，復(fù)合泵具有穩(wěn)定的高抽速，更易于極高真空的獲得。

　　(3)復(fù)合泵在10^-7 Pa 的條件下運(yùn)行，再生周期達(dá)兩年，能夠滿足醫(yī)用加速器較長時(shí)間不間斷工作的要求。

　　(4)采用復(fù)合泵作為主泵，可以在不增加主泵所占空間的情況下，使同步加速器的整體真空度滿足5×10^-7 Pa 的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。