為什么“真空”如此重要：超高真空（UHV）對粒子加速器的重要性

發(fā)布時間：2024-08-14 09:10:48 人氣：1534

現(xiàn)代粒子加速器，例如位于歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（Large Hadron Collider, LHC），能夠使粒子在接近光速并以遠高于超新星爆炸的能量密度條件下相互碰撞。一些加速器，比如英國鉆石光源（Diamond Light Source）的電子儲存環(huán)，可以讓電子以接近光速的速度進行圓周運動繞行數(shù)百萬公里，使電子發(fā)射出明亮的X射線輻射，用于科學(xué)實驗。顯然，這些裝置都需要極端的條件，實驗人員絕不希望有任何隨機的氣體分子阻礙加速粒子的運動。超高真空（UHV）是目前能夠?qū)崿F(xiàn)的最高真空度，而對該領(lǐng)域的工程師和研究人員來說，這是一項極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

粒子加速器中典型的UHV真空度為10^-10 mbar，如何理解這一真空度？在10^-10 mbar條件下，相當(dāng)于在一個沙粒（Small Sand Grain, SSG）體積的空間內(nèi)，包含1個氣體分子，這幾乎是月球表面稀薄程度的真空度。相比之下，我們呼吸的空氣相當(dāng)于在同樣體積的空間中包含10萬億個氣體分子。

這不僅是一個巨大的量的差異，更是一個質(zhì)的差異。在大氣壓下，氣體分子不斷相互碰撞，每次碰撞之間的平均自由程只有約0.1 μm。而在10^-10 mbar下，氣體分子的平均自由程約為1000公里，氣體分子可以真空壁之間自由游走，有時會進入真空泵中。

真空中材料的放氣現(xiàn)象一直是實現(xiàn)超高真空技術(shù)的一大阻礙。讓我們考慮一個內(nèi)徑為50 mm的粒子加速器束管，如果該束管由奧氏體不銹鋼制成，在未進行烘烤處理的情況下，用真空泵抽氣10小時后，每SSG體積將釋放約1000個氣體分子。而如果該束管內(nèi)壁完全覆蓋硅脂（不推薦），其放氣量將增加1萬倍，即每SSG體積將釋放10,000,000個氣體分子。請注意，UHV要求每SSG體積空間內(nèi)僅有1個氣體分子。這就是實現(xiàn)UHV面臨的挑戰(zhàn)之一，既需要使用強大的真空泵，也需要選擇合適的材料。在粒子加速器中，同時還面臨輻射的影響。高能粒子可能會撞擊并損壞材料，產(chǎn)生部分原子污染真空環(huán)境。在輻射環(huán)境中，如要避免氯和氟原子污染，就不能使用常見的含鹵素聚合物，如PTFE。

2018年，Allectra推出KAP301，這是一款使用優(yōu)化Kapton絕緣層的耐輻射、兼容UHV的線纜。其絕緣膜具有優(yōu)異的釋氣性能，且僅由H、C、N、O原子組成。KAP301專為粒子加速器及其它高輻射環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計，復(fù)制下方鏈接可以閱讀更多關(guān)于KAP301信息及其在鉆石光源進行的相關(guān)測試。

KAP301真空線纜