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俄羅斯專家研發高效吸氣泵助力同步加速器及等離子體裝置發展

2025-08-23 08:38     來源:中國核技術網     俄羅斯 吸氣泵 同步加速器 等離子體裝置 俄羅斯同步加速器

在加速器運行中,帶電粒子需在深真空(約相當于地球到月球一半距離的真空)環境中運動。若真空條件不佳,電子會高速與殘留氣體原子碰撞,在真空室壁散射消亡,導致電子束壽命縮短、加速器周圍輻射背景增加。為確保裝置設計參數,加速器真空室真空度須比普通房間低12個數量級。為此,同步加速器儲存環將安裝800臺由俄羅斯科學院西伯利亞分校布德克爾核物理研究所(INP SB RAS)與Optikon有限責任公司、AO Polema粉末冶金廠專家共同研發制造的吸氣泵(氣體吸收泵),以取代外國設備,該技術還可用于其他科研項目。目前,俄羅斯科學院西伯利亞原子能物理研究所物理學家正在研究等離子體裝置中真空泵性能,吸氣泵原型初步測試顯示氫氣抽速1300升/秒、氘氣抽速700升/秒,相關結果發表于俄羅斯科學院《消息報》。

俄羅斯科學院西伯利亞物理研究所實驗室主任亞歷山大·克拉斯諾夫稱,穿過磁鐵的真空室決定光束壽命,雖不起眼但至關重要。電子束在相互連接的真空室內沿封閉軌道運動,同步加速器中電子束不間斷循環取決于真空室特性,整個真空室體積(477米)內分子濃度應比普通室內空氣低12個數量級,制造難點在于達到真空密封狀態。此外,強同步輻射會使沉積在真空室內表面的氣體分子蒸發,這些分子流是泵送系統主要負載,需使用高效吸氣泵并合理放置,且泵要結構緊湊。

SKIF同步加速器專用高效組合泵由SKIF與Polema股份公司共同研發制造,真空度可達10 - 11 Torr,其吸氣材料由Polema股份公司粉末冶金廠生產。

俄羅斯科學院西伯利亞原子能研究所高級研究員阿列克謝·謝苗諾夫介紹,吸氣泵分集中式(安裝在真空室特定位置)和分布式(吸氣材料涂抹在真空室壁上)兩種,SKIF聯合使用中心的儲存環將主要配備基于非蒸散型吸氣劑的集中式泵,這些吸氣劑由化學活性金屬制成。全球主要泵制造商是意大利SAES Getters公司,SKIF聯合使用中心設計階段就意識到購買外國吸氣劑成本高,2020年起我國開始自主研發。

吸氣泵特點是單位體積高抽速,除用于同步加速器獲得超高真空外,還可應用于需抽出大量氫氣和氘氣流的等離子體裝置。俄羅斯科學院西伯利亞原子能研究所專家正開展探索性研究。阿列克謝·謝苗諾夫稱,等離子裝置需注入大量氣體,僅10%用于形成離子,其余90%要快速抽出,目前多使用低溫泵,但吸氣泵也有應用趨勢。已制造并測試的基于非蒸散型吸氣劑的真空泵樣機,對氫氣抽氣速度1300升/秒,對氘700升/秒,雖暫無計劃在現有等離子體裝置中取代低溫泵,但可在氣體動態磁阱(GDMT)項目中考慮使用。

GDML是俄羅斯科學院西伯利亞原子能研究所等離子體物理領域重大項目,計劃驗證基于開放式磁阱設計緊湊、經濟且環保的熱核反應堆的可能性。INP SB RAS高級研究員Sergey Polosatkin稱,在開放式陷阱中,氫等離子體流通過磁塞從中心部分流出,與磁場線一起擴展并撞擊等離子體接收器,產生的氣體反復電離會導致冷等離子體在接收器附近積聚,降低設備效率,需用泵送系統去除氣體。GDML計劃以超長脈沖模式運行(最長100秒),泵送系統須高效捕獲大量氫氣流量,使用非蒸散型吸氣劑是有前景的技術,但需進一步研究吸氣劑在多次充氫和隨后再生循環中的穩定性。

SKIF共享中心是4 + 代同步輻射源,位于新西伯利亞州,是國家科學與大學項目一部分,根據2019年7月25日俄羅斯總統令建造,項目實施由俄羅斯科學院西伯利亞聯邦區全權代表特別監督。其客戶和開發商是俄羅斯科學院西伯利亞分院博列斯科夫催化研究所,由中央設計與技術研究院設計,總承包商是俄羅斯科學院西伯利亞分院的Titan - 2康采恩,技術復雜設備制造和發射的唯一承包商是俄羅斯科學院西伯利亞分院布德克爾核物理研究所。



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