當(dāng)BEPC Ⅱ儲(chǔ)存環(huán)的束流突然丟失時(shí),真空計(jì)和離子泵的壓力測(cè)量值都先有一個(gè)瞬時(shí)的減小,之后才逐漸降低到本底壓力。這表明束流運(yùn)行時(shí)壓力測(cè)量值中存在著束流引入的正誤差,誤差量正是測(cè)量值減去實(shí)際值之差。丟束之后束流引入的誤差立即消失,真空計(jì)測(cè)量值反映的是實(shí)際壓力。對(duì)于某個(gè)真空計(jì),利用突然丟束后壓力測(cè)量值隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合,得到一條負(fù)指數(shù)衰減的抽空曲線,根據(jù)它外推可以得到丟束時(shí)刻的實(shí)際壓力。對(duì)于若干次突然丟束,用這種方法觀察丟束流強(qiáng)不同時(shí)該真空計(jì)誤差量的變化,發(fā)現(xiàn)誤差量與流強(qiáng)基本呈正比例關(guān)系。通過(guò)直線擬合求得比例系數(shù),也就得到了在任意流強(qiáng)下根據(jù)該真空計(jì)壓力測(cè)量值來(lái)計(jì)算實(shí)際壓力的公式。

　　高能加速器在束流運(yùn)行時(shí),真空系統(tǒng)的氣載主要來(lái)自同步光照射真空室壁導(dǎo)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(chǔ)存環(huán)的電子束流為300mA 時(shí),電子環(huán)平均壓力約為146nPa ,而無(wú)束流時(shí)平均壓力僅為29nPa 。當(dāng)正在運(yùn)行的束流突然丟失時(shí)(例如高頻腔壓故障,丟束時(shí)間在幾秒鐘內(nèi)) ,同步光對(duì)氣載的貢獻(xiàn)也很快變?yōu)榱?真空系統(tǒng)的壓力應(yīng)該逐漸降低,回歸到無(wú)束流時(shí)的本底壓力。然而,在BEPC Ⅱ儲(chǔ)存環(huán)的束流運(yùn)行中我們發(fā)現(xiàn),突然丟束后真空測(cè)量?jī)x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(nèi)有一個(gè)大臺(tái)階的瞬時(shí)下降,之后才是逐漸下降到本底壓力。

　　這種丟束時(shí)壓力測(cè)量值瞬時(shí)下降的現(xiàn)象在PEP-Ⅱ和KEKB等國(guó)外加速器上都觀察到了。PEP-Ⅱ和KEKB 都認(rèn)為,這是由于束流運(yùn)行時(shí)真空計(jì)壓力測(cè)量值中存在著束流帶來(lái)的同步光電子所引入的誤差,突然丟束時(shí)光電效應(yīng)立即結(jié)束,誤差也立即消失,于是壓力測(cè)量值立即回歸到實(shí)際值,表現(xiàn)為一個(gè)大臺(tái)階的下降。PEP-Ⅱ觀察到在存在縱向磁場(chǎng)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(chǎng)抑制,這種誤差會(huì)減小。KEKB 發(fā)現(xiàn)在規(guī)管所在的支路管道(原文稱之為“規(guī)管脖子”)加裝一個(gè)二極磁鐵,可以在一定程度上偏轉(zhuǎn)同步光電子,同時(shí)減小這種誤差。這些現(xiàn)象都支持了誤差來(lái)自同步光電子的推斷。

　　下文介紹了在BEPCⅡ儲(chǔ)存環(huán)真空系統(tǒng)上觀察到的束流引入真空測(cè)量誤差的現(xiàn)象。這里,我們不探討引入誤差的內(nèi)在機(jī)理,而是給出了一種計(jì)算突然丟束時(shí)刻的實(shí)際壓力的方法,進(jìn)而根據(jù)若干次突然丟束后真空計(jì)的壓力數(shù)據(jù)得到真空計(jì)的校正公式。

1、BEPC Ⅱ束流引入真空測(cè)量誤差的觀察

　　BEPC Ⅱ真空系統(tǒng)上主要的真空測(cè)量儀器是冷陰極規(guī)(CCG)和熱陰極規(guī)(BAG),除此之外結(jié)合了非蒸發(fā)型吸氣劑的濺射離子泵(INP) 也能給出壓力測(cè)量值。這些儀器的讀數(shù)都保存在歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中,每10s 保存一次。從歷史數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn),每當(dāng)突然丟束時(shí),真空計(jì)的壓力讀數(shù)都會(huì)先有一個(gè)較大臺(tái)階的下降(20s以內(nèi)) ,然后才逐漸按照指數(shù)衰減規(guī)律變小,濺射離子泵的壓力讀數(shù)也有類似的跳變現(xiàn)象。圖1 表示的是正、負(fù)電子環(huán)某次突然丟束時(shí)真空測(cè)量?jī)x器記錄的壓力數(shù)據(jù)。其中,圖1(a)中I(e +) 表示的是正電子束流的流強(qiáng), P(R2I-CCG6) 、P(R1I-BAG1) 和P (R2O-INP26) 分別表示正電子環(huán)某冷規(guī)、熱規(guī)和濺射離子泵測(cè)量的壓力,圖1(b)是負(fù)電子環(huán)的類似情況。

圖1 　丟束時(shí)壓力測(cè)量值的突然減小

　　在泵抽速恒定的情況下,真空系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)應(yīng)該是不變的,圖1 中壓力測(cè)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(yùn)行時(shí)真空測(cè)量?jī)x器的壓力測(cè)量值存在著束流引入的誤差,這種誤差在突然丟束時(shí)立即消失,表現(xiàn)為壓力測(cè)量值的突然降低,之后的壓力測(cè)量值逐漸降低才是實(shí)際壓力的變化過(guò)程。

2、利用丟束后的壓力測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算丟束時(shí)刻的實(shí)際壓力

　　由于上述誤差是束流引入的,我們可以認(rèn)為丟束20s 之后的真空計(jì)測(cè)量值反映了實(shí)際壓力。那么,我們可以根據(jù)丟束20s 之后的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合,得到丟束之后的抽空曲線,并由該曲線來(lái)外推丟束時(shí)刻的實(shí)際壓力。

　　我們考慮真空計(jì)所在的一個(gè)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(dòng),將本真空盒近似為一個(gè)封閉系統(tǒng)。假設(shè)本底放氣率為Q0 ,泵的總抽速為S ,真空盒體積為V ,實(shí)際壓力為P ,從突然丟束到壓力再次達(dá)到平衡的過(guò)程中, P 應(yīng)該滿足如下方程 :

　　P 與抽氣時(shí)間t 大致滿足如下指數(shù)衰減關(guān)系:

　　其中P0 = Q0/S 為本底壓力,K1 是與起始時(shí)刻相關(guān)的常數(shù),K2 是真空系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù),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(cè)量值變化

　　根據(jù)丟束20s 以后的P 隨t 變化的數(shù)據(jù)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(shí)刻的實(shí)際壓力。

　　以正電子環(huán)冷規(guī)R1I-CCG6 為例。在2008年1月17日的0 點(diǎn)1min50s 發(fā)生過(guò)一次突然丟束,290mA 的正電子束流在幾秒鐘內(nèi)丟掉,我們觀察到剛剛丟束的10s 內(nèi)壓力測(cè)量值從79 ( ×13.3nPa) 變?yōu)?8 ( ×13.3nPa) ,20s 之后大致按指數(shù)規(guī)律衰減。P - t 數(shù)據(jù)見表1 ,以剛開始丟束時(shí)為t=0時(shí)刻。

　　我們認(rèn)為丟束20s 之后的真空計(jì)讀數(shù)可以代表實(shí)際壓力,那么去掉表1 中的前兩組數(shù)據(jù),以從20s到300s的數(shù)據(jù)來(lái)擬合(如圖2),得到式(1)的三個(gè)常數(shù):

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

　　由此可得,當(dāng)t = 0 時(shí),實(shí)際壓力P = P0 + K1 =28.9 ( ×13.3nPa) ,其數(shù)值比真空計(jì)的壓力測(cè)量值79 ( ×13.3nPa) 要小很多�？梢�,在290mA 束流運(yùn)行時(shí),壓力測(cè)量值存在著較大的正誤差。

圖2 　根據(jù)丟束20s 之后的數(shù)據(jù)擬合P-t 曲線

3、誤差量與流強(qiáng)的關(guān)系及真空計(jì)校正公式

　　由于突然丟束對(duì)設(shè)備是有害的,我們不能特意地做突然丟束實(shí)驗(yàn),也就無(wú)法得到很充分的數(shù)據(jù),但是利用過(guò)去發(fā)生的突然丟束情況的歷史記錄可以得到若干個(gè)流強(qiáng)I 下的真空度測(cè)量值P1 和實(shí)際值P2的對(duì)照。正電子以冷規(guī)R1I-CCG6 為例,如表2 ,負(fù)電子以冷規(guī)R3I - CCG6 為例,如表3。

　　由于束流對(duì)真空室內(nèi)壁有清掃作用,隨著束流運(yùn)行時(shí)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(dǎo)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(shí)際壓力P2 與流強(qiáng)I 不呈線性關(guān)系。然而,我們發(fā)現(xiàn)束流引入的誤差P1 - P2 與I 基本上是呈線性關(guān)系。按照PEP-Ⅱ和KEKB 的結(jié)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(qiáng)成正比的,沒(méi)有束流的時(shí)候也沒(méi)有這種誤差,上述線性關(guān)系應(yīng)該就是簡(jiǎn)單的正比例關(guān)系,也就是一條過(guò)原點(diǎn)的直線。如果我們利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)擬合得到P1-P2 隨I 的變化關(guān)系,那么在已知流強(qiáng)I 和真空度測(cè)量值P1 的情況下,就可以根據(jù)上述變化關(guān)系來(lái)計(jì)算真空度實(shí)際值P2 。

表2 　正電子環(huán)R1I - CCG6 的數(shù)據(jù)　　表3 　負(fù)電子環(huán)R3I - CCG6 的數(shù)據(jù)

　　對(duì)表2 中的P1 - P2 隨I 的變化關(guān)系作過(guò)原點(diǎn)的線性擬合,如圖3。

圖3 　R1I-CCG6 的誤差隨流強(qiáng)的變化關(guān)系擬合

　　對(duì)于正電子環(huán)冷規(guī)R1I-CCG6 來(lái)說(shuō),已知流強(qiáng)I 和壓力測(cè)量值P1 ,就可以根據(jù)下面的公式計(jì)算實(shí)際壓力P2 :

P2=P1-0.1835 I (單位同表2)

　　對(duì)表3 中的P1-P2隨I的變化關(guān)系作過(guò)原點(diǎn)的線性擬合,如圖4。

圖4 　R3I-CCG6 的誤差隨流強(qiáng)的變化關(guān)系擬合

　　對(duì)于負(fù)電子環(huán)冷規(guī)R3I-CCG6來(lái)說(shuō),已知流強(qiáng)I 和壓力測(cè)量值P1,就可以根據(jù)下面的公式計(jì)算壓力實(shí)際值P2 :

P2=P1-0.02341 I(單位同表3)

4、結(jié)論

　　BEPC Ⅱ束流運(yùn)行時(shí)真空測(cè)量中存在著束流引入的誤差。利用突然丟束后壓力隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù),通過(guò)非線性擬合,可以求得丟束時(shí)刻的實(shí)際壓力。用這種方法觀察丟束流強(qiáng)不同時(shí)誤差量的變化,發(fā)現(xiàn)了誤差量與流強(qiáng)基本呈正比例關(guān)系,并通過(guò)直線擬合求得了比例系數(shù)。這也就得到了根據(jù)流強(qiáng)和壓力測(cè)量值來(lái)計(jì)算實(shí)際壓力的公式。