復合泵在醫用重離子加速器上的應用研究
同步加速器是醫用重離子加速器的主加速部件。考慮到其設計空間緊湊的特點及其真空系統的設計要求，采用將非蒸散型吸氣劑泵(NEG)組件嵌入國產濺射離子泵(SIP)空腔內組成的復合泵作為真空系統的主泵。本文測試了復合泵的抽氣性能，測試并估算了復合泵的H2 飽和容量和再生周期，計算了同步加速器真空系統的壓力分布。測試及計算結果表明：相比于SIP，復合泵對N2 的抽速提高了20%，對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的設計要求。
中國科學院近代物理研究所研制的醫用重離子加速器由垂直注入線、回旋加速器、中能束運線、同步加速器、高能束運線等五部分組成。其特點是采用同步加速器作為主加速器系統，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測，從而減小對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存壽命，同步加速器(圖1)全環平均真空度要求為5×10-7 Pa。考慮到在10-7 Pa 以下，隨著壓強下降，國產濺射離子泵(SIP) 抽速將明顯減小，主抽泵單采用SIP，難以快速達到所要求的本底真空，并且同步加速器系統中磁元件眾多，設計布局十分緊湊，放置主泵的空間有限。所以，真空技術網(http://bjjyhsfdc.com/)認為為了不增加主泵所占空間，且能快速達到設計的真空度要求，選擇了將非蒸散型吸氣劑泵(NEG)組件嵌入SIP 空腔內，二者組合形成復合泵作為主泵。
為了保證復合泵的可靠性，使其滿足醫用重離重離子加速器真空系統的運行要求，測試并分析了復合泵對N2、H2 兩種氣體的抽氣性能，估算了復合泵的H2 飽和容量和再生周期， 采用VAKTRAK軟件計算了壓力分布，達到了預期的結果。
圖1 同步加速器標準真空設備布局圖
1、測試裝置
采用小孔流導法進行抽速測試。測試裝置由測試罩、監測真空計、四極質譜計、抽氣機組及閥門等組成，如圖2 所示。測試罩按照高真空標準抽速測試罩進行設計加工，其上、下室之間的小孔直徑為9 mm，對N2 和H2 的流導C 分別為9.3 L·s-1 和35.4 L/s。監測真空計采用兩支型號為IE514 的分離規，其中，分離規G1 和四極質譜計QMS 分別通過兩個CF35 法蘭連接在測試罩上室上， 分離規G2 通過CF35 法蘭連接在測試罩下室上，所有真空計在使用前均在極高真空校準裝置上進行校準。抽氣機組采用抽速為8 L·s-1 的干式機械泵和600 L·s-1 的渦輪分子泵，
真空規管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節閥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合泵通過CF150 法蘭與測試罩下室相連。
圖2 復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，啟動分子泵抽氣機組，并對測試裝置進行檢漏，確認無漏后用烘烤套包裹測試罩。當真空計Gf 的示值讀數達到10-5 Pa 時，對測試罩及濺射離子泵同時加烘烤，烘烤溫度為250 ℃，烘烤時間為40 h。烘烤進行到24 h 時，啟動離子泵，離子泵自動進行放電間歇除氣，約30 min 啟動到正常值，同時烘烤繼續進行。烘烤期間，分子泵抽氣機組保持抽氣狀態；規管每隔4 h 除氣一次。烘烤結束，溫度降至200 ℃時，關閉分子泵口閥門。將停止烘烤后48 h 真空計G1、G2 的讀數分別作為測試罩上、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，真空計每隔4 h 除氣一次，離極限測量點12 h 不再除氣。
2.2、復合泵極限真空測試
測試時，啟動分子泵抽氣機組，并對測試裝置進行檢漏，確認無漏后用烘烤套包裹測試罩。當真空計Gf 的示值讀數達到10-5 Pa 時，對測試罩和濺射離子泵同時加烘烤，烘烤溫度開始為140 ℃。保溫4 h 后，啟動離子泵，離子泵自動進行放電間歇除氣，約30 min 啟動到正常值，烘烤溫度增加到180 ℃。保溫10 h 后降溫，期間分子泵抽氣機組保持抽氣狀態。當系統溫度降至80 ℃時，關閉離子泵，采用分子泵抽氣機組抽氣，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，關分子泵口閥門，采用復合泵進行抽氣。以抽氣24 h 后真空計G1、G2 的讀數分別作為測試罩上、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，真空計每隔4 h 除氣一次，離極限測量點12 h 不再除氣。
2.3、SIP 及復合泵的抽速測試
將測試裝置抽至極限真空后，緩慢打開微漏率調節閥，將測試氣體注入測試罩中，測試罩內真空度逐漸降低。每個量級測量3 點，每點至少穩定15 min，分別記錄真空計G1、G2 的讀數。當測試罩上室的真空度降至1×10-3 Pa 時，關閉微漏率調節閥。SIP 及復合泵的抽速用式(1)進行計算：
式(1)中：S 為泵抽速(L/s)；C 為小孔流導(L/s)；K 為真空計的校準系數；P1 為真空計G1 的讀數(Pa)；P2 為真空計G2 的讀數(Pa)。
2.4、復合泵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。緩慢打開微漏率調節閥，向測試罩中注入高純H2，使真空計G2 的讀數降為1×10-5 Pa，記錄此時真空計G1、G2 的讀數。當真空計G2 的讀數降為5×10-5 Pa 時(即抽速降為初始抽速的20%時)，關閉微漏率調節閥，記錄測試時間。真空技術網(http://bjjyhsfdc.com/)認為由于H2 飽和容量測試時間會很長，且對泵的損耗較大，因此選取一段時間進行測試，然后估算出H2 飽和容量。
3、測試結果及分析
3.1、SIP 及復合泵極限真空測試結果及分析
SIP 極限真空測試時，停止烘烤48 h 后位于測試罩上、下室的真空計G1、G2 的讀數分別為：2.7×10-8 Pa，6.8×10-9 Pa。計算得到，SIP 的極限真空度為3.4×10-9 Pa。
復合泵極限真空測試時，系統溫度冷卻至室溫24 h 后位于測試罩上、下室的真空計G1、G2 的讀數分別為：7.2×10-9 Pa，3.4×10-9 Pa。計算得到，復合泵的極限真空度為1.7×10-9 Pa。測試結果表明，復合泵的極限真空度高于SIP 的極限真空度。
3.2、SIP 及復合泵抽速測試結果及分析
選用N2、H2 作為測試氣體，分別對SIP 和復合泵的抽速進行了測試。SIP 和復合泵對N2 的抽速測試結果如圖3 所示。SIP 和復合泵對H2 的抽速測試結果如圖4 所示。
圖3 SIP 和復合泵對N2 的抽速曲線
圖4 SIP 和復合泵對H2 的抽速曲線
結果表明，SIP 對N2 的最大抽速為481 L/s，復合泵對N2 的最大抽速為547 L/s，SIP 對H2 的最大抽速為662 L/s，復合泵對H2 的最大抽速為1053 L/s。在5×10-7 Pa 的真空度下，SIP 對N2 的抽速為357 L/s，復合泵對N2 的抽速為464 L/s，SIP 對H2 的抽速為417 L/s，復合泵對H2 的抽速為829 L/s。在10-8 Pa 及更高的真空度下，相比于SIP，復合泵仍然具有穩定的高抽速，更易于極高真空的獲得。
3.3、復合泵H2 飽和容量測試結果及再生周期估算
復合泵H2 飽和容量的測試共進行了20 天，G2 的讀數最高為1.3×10-5 Pa。估算結果表明，要達到約定的飽和壓力5×10-5 Pa，約需要266 天左右。取NEG 泵單獨對H2 的抽速400 L/s 計算(因為只是NEG 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 泵生產廠家—意大利SAES 公司提供的H2 飽和容量數據基本一致(見圖5)。
圖5 復合泵對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SAES 公司提供的復合泵對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 的再生周期進行估算。以CO 估算，大約為2 年；以H2O 估算，大約為4 年，應以時間短的周期為參照值，即用于同步加速器上的復合泵的再生周期為2 年。
4、同步加速器壓力分布計算
將測得的復合泵抽速值帶入計算公式，可得出同步加速器的壓力分布曲線。根據細長管壓力計算公式，壓力最大值在離泵口最遠處，即兩泵中間，壓力分布呈拋物線型。圖6 是根據設計參數、泵抽速和各真空室流導用VAKTRAK 程序分別得出的同步加速器兩個半環的壓力分布曲線。因二極鐵真空室細而長，流導較小，泵的位置相隔較遠，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 的設計指標要求。
圖6 同步加速器真空系統壓力分布曲線
5、結論
對應用在醫用重離子加速器上的復合泵的抽氣性能進行了測試，對復合泵的H2 飽和容量和再生周期進行了測試和估算，對同步加速器真空系統的壓力分布進行了計算，結果表明：
(1)SIP 的極限真空度為3.4×10-9 Pa，復合泵的極限真空度為1.7×10-9 Pa。相對于SIP，復合泵的極限真空度更高。
(2)在同樣的真空度條件下，復合泵的抽速大于SIP 的抽速。在10-8 Pa 及更高的真空度下，復合泵具有穩定的高抽速，更易于極高真空的獲得。
(3)復合泵在10-7 Pa 的條件下運行，再生周期達兩年，能夠滿足醫用加速器較長時間不間斷工作的要求。
(4)采用復合泵作為主泵，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 的設計指標要求。
