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俄罗斯专家研发高效吸气泵助力同步加速器及等离子体装置发展

2025-08-23 08:38     来源:中国核技术网     俄罗斯 吸气泵 同步加速器 等离子体装置 俄罗斯同步加速器

在加速器运行中,带电粒子需在深真空(约相当于地球到月球一半距离的真空)环境中运动。若真空条件不佳,电子会高速与残留气体原子碰撞,在真空室壁散射消亡,导致电子束寿命缩短、加速器周围辐射背景增加。为确保装置设计参数,加速器真空室真空度须比普通房间低12个数量级。为此,同步加速器储存环将安装800台由俄罗斯科学院西伯利亚分校布德克尔核物理研究所(INP SB RAS)与Optikon有限责任公司、AO Polema粉末冶金厂专家共同研发制造的吸气泵(气体吸收泵),以取代外国设备,该技术还可用于其他科研项目。目前,俄罗斯科学院西伯利亚原子能物理研究所物理学家正在研究等离子体装置中真空泵性能,吸气泵原型初步测试显示氢气抽速1300升/秒、氘气抽速700升/秒,相关结果发表于俄罗斯科学院《消息报》。

俄罗斯科学院西伯利亚物理研究所实验室主任亚历山大·克拉斯诺夫称,穿过磁铁的真空室决定光束寿命,虽不起眼但至关重要。电子束在相互连接的真空室内沿封闭轨道运动,同步加速器中电子束不间断循环取决于真空室特性,整个真空室体积(477米)内分子浓度应比普通室内空气低12个数量级,制造难点在于达到真空密封状态。此外,强同步辐射会使沉积在真空室内表面的气体分子蒸发,这些分子流是泵送系统主要负载,需使用高效吸气泵并合理放置,且泵要结构紧凑。

SKIF同步加速器专用高效组合泵由SKIF与Polema股份公司共同研发制造,真空度可达10 - 11 Torr,其吸气材料由Polema股份公司粉末冶金厂生产。

俄罗斯科学院西伯利亚原子能研究所高级研究员阿列克谢·谢苗诺夫介绍,吸气泵分集中式(安装在真空室特定位置)和分布式(吸气材料涂抹在真空室壁上)两种,SKIF联合使用中心的储存环将主要配备基于非蒸散型吸气剂的集中式泵,这些吸气剂由化学活性金属制成。全球主要泵制造商是意大利SAES Getters公司,SKIF联合使用中心设计阶段就意识到购买外国吸气剂成本高,2020年起我国开始自主研发。

吸气泵特点是单位体积高抽速,除用于同步加速器获得超高真空外,还可应用于需抽出大量氢气和氘气流的等离子体装置。俄罗斯科学院西伯利亚原子能研究所专家正开展探索性研究。阿列克谢·谢苗诺夫称,等离子装置需注入大量气体,仅10%用于形成离子,其余90%要快速抽出,目前多使用低温泵,但吸气泵也有应用趋势。已制造并测试的基于非蒸散型吸气剂的真空泵样机,对氢气抽气速度1300升/秒,对氘700升/秒,虽暂无计划在现有等离子体装置中取代低温泵,但可在气体动态磁阱(GDMT)项目中考虑使用。

GDML是俄罗斯科学院西伯利亚原子能研究所等离子体物理领域重大项目,计划验证基于开放式磁阱设计紧凑、经济且环保的热核反应堆的可能性。INP SB RAS高级研究员Sergey Polosatkin称,在开放式陷阱中,氢等离子体流通过磁塞从中心部分流出,与磁场线一起扩展并撞击等离子体接收器,产生的气体反复电离会导致冷等离子体在接收器附近积聚,降低设备效率,需用泵送系统去除气体。GDML计划以超长脉冲模式运行(最长100秒),泵送系统须高效捕获大量氢气流量,使用非蒸散型吸气剂是有前景的技术,但需进一步研究吸气剂在多次充氢和随后再生循环中的稳定性。

SKIF共享中心是4 + 代同步辐射源,位于新西伯利亚州,是国家科学与大学项目一部分,根据2019年7月25日俄罗斯总统令建造,项目实施由俄罗斯科学院西伯利亚联邦区全权代表特别监督。其客户和开发商是俄罗斯科学院西伯利亚分院博列斯科夫催化研究所,由中央设计与技术研究院设计,总承包商是俄罗斯科学院西伯利亚分院的Titan - 2康采恩,技术复杂设备制造和发射的唯一承包商是俄罗斯科学院西伯利亚分院布德克尔核物理研究所。



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