當BEPC Ⅱ儲存環的束流突然丟失時,真空計和離子泵的壓力測量值都先有一個瞬時的減小,之后才逐漸降低到本底壓力。這表明束流運行時壓力測量值中存在著束流引入的正誤差,誤差量正是測量值減去實際值之差。丟束之后束流引入的誤差立即消失,真空計測量值反映的是實際壓力。對于某個真空計,利用突然丟束后壓力測量值隨時間變化的數據進行非線性擬合,得到一條負指數衰減的抽空曲線,根據它外推可以得到丟束時刻的實際壓力。對于若干次突然丟束,用這種方法觀察丟束流強不同時該真空計誤差量的變化,發現誤差量與流強基本呈正比例關系。通過直線擬合求得比例系數,也就得到了在任意流強下根據該真空計壓力測量值來計算實際壓力的公式。

　　高能加速器在束流運行時,真空系統的氣載主要來自同步光照射真空室壁導致的氣體分子脫附 ,本底的放氣只占很小的一部分。例如BEPC Ⅱ儲存環的電子束流為300mA 時,電子環平均壓力約為146nPa ,而無束流時平均壓力僅為29nPa 。當正在運行的束流突然丟失時(例如高頻腔壓故障,丟束時間在幾秒鐘內) ,同步光對氣載的貢獻也很快變為零,真空系統的壓力應該逐漸降低,回歸到無束流時的本底壓力。然而,在BEPC Ⅱ儲存環的束流運行中我們發現,突然丟束后真空測量儀器上顯示的壓力值并不完全是逐漸下降的:在丟束后的幾秒內有一個大臺階的瞬時下降,之后才是逐漸下降到本底壓力。

　　這種丟束時壓力測量值瞬時下降的現象在PEP-Ⅱ和KEKB等國外加速器上都觀察到了。PEP-Ⅱ和KEKB 都認為,這是由于束流運行時真空計壓力測量值中存在著束流帶來的同步光電子所引入的誤差,突然丟束時光電效應立即結束,誤差也立即消失,于是壓力測量值立即回歸到實際值,表現為一個大臺階的下降。PEP-Ⅱ觀察到在存在縱向磁場的真空管道處(例如真空盒外繞螺線管) ,同步光電子受到縱向磁場抑制,這種誤差會減小。KEKB 發現在規管所在的支路管道(原文稱之為“規管脖子”)加裝一個二極磁鐵,可以在一定程度上偏轉同步光電子,同時減小這種誤差。這些現象都支持了誤差來自同步光電子的推斷。

　　下文介紹了在BEPCⅡ儲存環真空系統上觀察到的束流引入真空測量誤差的現象。這里,我們不探討引入誤差的內在機理,而是給出了一種計算突然丟束時刻的實際壓力的方法,進而根據若干次突然丟束后真空計的壓力數據得到真空計的校正公式。

1、BEPC Ⅱ束流引入真空測量誤差的觀察

　　BEPC Ⅱ真空系統上主要的真空測量儀器是冷陰極規(CCG)和熱陰極規(BAG),除此之外結合了非蒸發型吸氣劑的濺射離子泵(INP) 也能給出壓力測量值。這些儀器的讀數都保存在歷史數據庫中,每10s 保存一次。從歷史數據中可以發現,每當突然丟束時,真空計的壓力讀數都會先有一個較大臺階的下降(20s以內) ,然后才逐漸按照指數衰減規律變小,濺射離子泵的壓力讀數也有類似的跳變現象。圖1 表示的是正、負電子環某次突然丟束時真空測量儀器記錄的壓力數據。其中,圖1(a)中I(e +) 表示的是正電子束流的流強, P(R2I-CCG6) 、P(R1I-BAG1) 和P (R2O-INP26) 分別表示正電子環某冷規、熱規和濺射離子泵測量的壓力,圖1(b)是負電子環的類似情況。

圖1 　丟束時壓力測量值的突然減小

　　在泵抽速恒定的情況下,真空系統的時間常數應該是不變的,圖1 中壓力測量值的突然降低和逐漸降低顯然互相矛盾。這里我們借鑒PEP2 Ⅱ和KEKB 的解釋,束流運行時真空測量儀器的壓力測量值存在著束流引入的誤差,這種誤差在突然丟束時立即消失,表現為壓力測量值的突然降低,之后的壓力測量值逐漸降低才是實際壓力的變化過程。

2、利用丟束后的壓力測量數據計算丟束時刻的實際壓力

　　由于上述誤差是束流引入的,我們可以認為丟束20s 之后的真空計測量值反映了實際壓力。那么,我們可以根據丟束20s 之后的壓力數據進行非線性擬合,得到丟束之后的抽空曲線,并由該曲線來外推丟束時刻的實際壓力。

　　我們考慮真空計所在的一個真空盒單元,由于相鄰的真空盒狀況很接近,可忽略相鄰真空盒間的凈氣體流動,將本真空盒近似為一個封閉系統。假設本底放氣率為Q0 ,泵的總抽速為S ,真空盒體積為V ,實際壓力為P ,從突然丟束到壓力再次達到平衡的過程中, P 應該滿足如下方程 :

　　P 與抽氣時間t 大致滿足如下指數衰減關系:

　　其中P0 = Q0/S 為本底壓力,K1 是與起始時刻相關的常數,K2 是真空系統的時間常數,1/ K2 = S/ V 是單位體積上分布的抽速。

表1 　丟束后R1I2CCG6 的壓力測量值變化

　　根據丟束20s 以后的P 隨t 變化的數據可以擬合公式(1) :P=P0+ K1exp(- t/K2) ,由擬合的曲線外推可求得剛開始丟束時刻的實際壓力。

　　以正電子環冷規R1I-CCG6 為例。在2008年1月17日的0 點1min50s 發生過一次突然丟束,290mA 的正電子束流在幾秒鐘內丟掉,我們觀察到剛剛丟束的10s 內壓力測量值從79 ( ×13.3nPa) 變為48 ( ×13.3nPa) ,20s 之后大致按指數規律衰減。P - t 數據見表1 ,以剛開始丟束時為t=0時刻。

　　我們認為丟束20s 之后的真空計讀數可以代表實際壓力,那么去掉表1 中的前兩組數據,以從20s到300s的數據來擬合(如圖2),得到式(1)的三個常數:

P0 = 14. 58100
K1 = 14. 36937
K2 = 52. 09548

　　由此可得,當t = 0 時,實際壓力P = P0 + K1 =28.9 ( ×13.3nPa) ,其數值比真空計的壓力測量值79 ( ×13.3nPa) 要小很多。可見,在290mA 束流運行時,壓力測量值存在著較大的正誤差。

圖2 　根據丟束20s 之后的數據擬合P-t 曲線

3、誤差量與流強的關系及真空計校正公式

　　由于突然丟束對設備是有害的,我們不能特意地做突然丟束實驗,也就無法得到很充分的數據,但是利用過去發生的突然丟束情況的歷史記錄可以得到若干個流強I 下的真空度測量值P1 和實際值P2的對照。正電子以冷規R1I-CCG6 為例,如表2 ,負電子以冷規R3I - CCG6 為例,如表3。

　　由于束流對真空室內壁有清掃作用,隨著束流運行時間的累積,平均每毫安束流所引入的氣載是逐漸減小的。另外,不同次注入的束流,同步光照射的位置可能不完全相同,導致平均每毫安束流所引入的氣載有所變化。因此,表2 和表3 中實際壓力P2 與流強I 不呈線性關系。然而,我們發現束流引入的誤差P1 - P2 與I 基本上是呈線性關系。按照PEP-Ⅱ和KEKB 的結論,束流引入的誤差是同步光電子造成的,考慮到同步光電子的量是與束流流強成正比的,沒有束流的時候也沒有這種誤差,上述線性關系應該就是簡單的正比例關系,也就是一條過原點的直線。如果我們利用現有的數據擬合得到P1-P2 隨I 的變化關系,那么在已知流強I 和真空度測量值P1 的情況下,就可以根據上述變化關系來計算真空度實際值P2 。

表2 　正電子環R1I - CCG6 的數據　　表3 　負電子環R3I - CCG6 的數據

　　對表2 中的P1 - P2 隨I 的變化關系作過原點的線性擬合,如圖3。

圖3 　R1I-CCG6 的誤差隨流強的變化關系擬合

　　對于正電子環冷規R1I-CCG6 來說,已知流強I 和壓力測量值P1 ,就可以根據下面的公式計算實際壓力P2 :

P2=P1-0.1835 I (單位同表2)

　　對表3 中的P1-P2隨I的變化關系作過原點的線性擬合,如圖4。

圖4 　R3I-CCG6 的誤差隨流強的變化關系擬合

　　對于負電子環冷規R3I-CCG6來說,已知流強I 和壓力測量值P1,就可以根據下面的公式計算壓力實際值P2 :

P2=P1-0.02341 I(單位同表3)

4、結論

　　BEPC Ⅱ束流運行時真空測量中存在著束流引入的誤差。利用突然丟束后壓力隨時間變化的數據,通過非線性擬合,可以求得丟束時刻的實際壓力。用這種方法觀察丟束流強不同時誤差量的變化,發現了誤差量與流強基本呈正比例關系,并通過直線擬合求得了比例系數。這也就得到了根據流強和壓力測量值來計算實際壓力的公式。