普發(fā)真空為CERN的大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)提供了關(guān)鍵的真空組件。

總部設(shè)在瑞士的歐洲粒子物理實驗室--CERN（歐洲核子研究中心，以下簡稱CERN），是世界上最大的粒子物理研究中心。公司成立于1954年，有2,500名員工和來自世界各地的10,000多名客座科學(xué)家。CERN的主要任務(wù)是了解宇宙的構(gòu)造及其運(yùn)行。這樣做旨在完成基本粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，該模型描述了物質(zhì)的基本組成部分以及它們之間的作用力。該模型缺少一個還未被實驗證明的重要組成部分：希格斯玻色子。

為開展研究，CERN運(yùn)行了若干臺粒子加速器。其中最特別要數(shù)LHC (大型強(qiáng)子對撞機(jī))，安裝在一個地下隧道中。其周長26.7km，使其成為全球最大的粒子加速器。在LHC內(nèi)，兩束相對粒子束加速至接近光速并在大型探測器內(nèi)的指定位置進(jìn)行碰撞。在碰撞過程中會產(chǎn)生新粒子。探測器的記錄提供和碰撞特性以及新產(chǎn)生粒子相關(guān)的結(jié)論?？茖W(xué)家希望通過這種方式證明希格斯玻色子。2012年7月4日，ATLAS和CMS探測器研究組報告他們發(fā)現(xiàn)了一種新粒子。該粒子是否就是標(biāo)準(zhǔn)模型所描述的希格斯玻色子，仍需通過進(jìn)一步確定它們的特性來證明。

電子束真空

為防止粒子在通過加速器的路徑中與氣體分子發(fā)生碰撞，光束線必須處在 10-11 hPa 的超高真空下。這種被稱為電子束真空的狀態(tài)是在多級泵過程中形成的。首先，光束線需要使用普發(fā)真空HiPace300渦輪分子泵抽空至10-8 hPa。這些泵的優(yōu)點(diǎn)是它們具有非常高的輕質(zhì)氣體壓縮比。這一點(diǎn)非常重要，因為氮?dú)?空氣中最輕的氣體)決定著超高真空領(lǐng)域內(nèi)的極限壓力。在預(yù)先抽空后，CERN開發(fā)的一種NEG (非蒸散型吸氣劑)涂層在光束線內(nèi)被熱激活。這種涂層具有額外吸附真空的作用。它會吸收剩余的氣體分子，從而達(dá)到所需的 10-11 hPa 的極限壓力。

隔離真空

在液氮的冷卻作用下，極其強(qiáng)大的超導(dǎo)磁體能達(dá)到1.9 K (約-271°C)的溫度，從而確保LHC中的粒子保持在自己的軌道上。為確保磁體可以維持在低溫狀態(tài)，整個冷卻系統(tǒng)必需具有良好的隔熱功能。為此，和保溫瓶的原理一樣，在磁體的四周創(chuàng)造了一個真空隔離的環(huán)境，盡可能防止熱量進(jìn)入低溫系統(tǒng)。這種真空環(huán)境必須長期保持在 10-6 hPa 以下。由于冷卻系統(tǒng)不可避免會出現(xiàn)泄漏情況，超流氦可能泄漏到隔離真空中，因此普發(fā)真空的HiPace 300渦輪分子泵必須保持持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，以維持隔離真空。由于其具有強(qiáng)大的抽吸能力和高輕質(zhì)氣體壓縮比，HiPace渦輪泵系列尤其適用于氦氣抽吸。

真空的重要性

粒子加速器運(yùn)行的一個重要因素是可靠且強(qiáng)大的真空系統(tǒng)。而像LHC這樣非同尋常的機(jī)器對內(nèi)置真空技術(shù)有著非常特殊的要求。極小誤差可能導(dǎo)致整個加速器停止運(yùn)行數(shù)小時。因此，整套真空系統(tǒng)必須是非常可靠的。此外，加速器中使用的所有設(shè)備必須能夠承受高達(dá)1,000 Gy/a的輻射水平。而進(jìn)行這些復(fù)雜測量的設(shè)備不能離開加速器的輻射區(qū)。因此，能在現(xiàn)場進(jìn)行設(shè)備維護(hù)顯得至關(guān)重要。

為滿足這些高要求，普發(fā)真空與CERN合作，對真空獲得、真空測量和真空分析研發(fā)并實踐了一套定制的真空解決方案。

真空獲得

LHC分兩種真空系統(tǒng): 電子束真空和隔離真空。兩種應(yīng)用中都用到了普發(fā)真空的渦輪分子泵。這些泵經(jīng)改進(jìn)后都可以滿足LHC的特殊要求。為了能在輻射環(huán)境中運(yùn)行，泵體中都不能使用電子元件。要滿足這些要求，普發(fā)真空研發(fā)了無傳感器驅(qū)動概念，實現(xiàn)了泵的機(jī)械部件與電子部件的隔離。采用這一概念，電子部件可以放置在離真空泵1,000 m以外的地方，并定位在一個保護(hù)區(qū)域內(nèi)。

真空測量

普發(fā)真空專門研發(fā)了特殊的測量設(shè)備，用來測量獲得的真空。這些使用的設(shè)備是改進(jìn)的皮拉尼和冷陰極真空計。它們用來長期監(jiān)測加速器內(nèi)的壓力，并確保當(dāng)壓力增加時可以采取適當(dāng)?shù)男袆?。由于真空計同樣暴露于高水平輻射中，它們被制造成無源傳感器，沒有集成的電子設(shè)備。所有電子設(shè)備都被安置在一個輻射安全區(qū)域內(nèi)，并且經(jīng)由長電纜連接至無源傳感器。這些電纜通過精確的指令與CERN密切連接。這使冷陰極真空計可以測量達(dá)10-11 hPa的壓力。通過一種特殊的點(diǎn)火過程，冷陰極真空計即使在壓力非常低的情況下，也可以輕易打開。由于加速器的壽命約為30到40年，因此，只有采用壽命長的電子元件。

氦檢漏

對LHC要求的超高真空壓力，加速器使用的部件必須確保極低的漏率。因此，在安裝部件之前，必須進(jìn)行全方位的檢漏。針對檢漏，CERN采用了ASM系列檢漏儀。使用這些設(shè)備，即使是細(xì)微到的10-13 Pa·m3/s 的泄漏也可以有效地被檢測出來。

真空分析

除壓力外，殘余氣體的組成也是加速器正常運(yùn)行的一個重要因素。使用殘余氣體光譜儀，可以得出加速器內(nèi)使用材料脫氣相關(guān)的結(jié)論。為獲得殘余氣體光譜，CERN采用了普發(fā)真空的質(zhì)譜儀。對于超高真空中的殘余氣體測量，質(zhì)譜儀分析儀本身具有較低的脫氣率是非常重要的。除了真空退火離子源外，CERN使用的普發(fā)分析儀也擁有真空退火棒系統(tǒng)。使用這一方法，分析儀將產(chǎn)生一個極低的背景信號，尤其方便記錄加速器內(nèi)實際殘余氣體的比例。

在CERN的采訪

與CERN技術(shù)部的真空、表面和鍍膜小組的主管José Miguel

Jimenez博士的交談

問：Jimenez博士，您對就職于全球最大最權(quán)威的科研中心有何感受?

答：在CERN工作我感到非常自豪和高興。從旁人來看，主要了解到CERN在基礎(chǔ)物理學(xué)領(lǐng)域發(fā)起的挑戰(zhàn)和更新，但在背后，技術(shù)進(jìn)步與國際合作卻提供了至關(guān)重要的動力。作為一名工程師，我非常重視建筑和加速器所帶來的各種技術(shù)上的輝煌前景。

問：目前在CERN似乎發(fā)現(xiàn)了長久以來一直尋找的希格斯玻色子，總體來說，真空技術(shù)在研究工作中扮演了什么樣的角色？

答：更確切地說，發(fā)現(xiàn)了一種新粒子，我們?nèi)匀恍枰鄯e碰撞次數(shù)并研究數(shù)據(jù)以確認(rèn)我們發(fā)現(xiàn)的是希格斯玻色子。

關(guān)于真空技術(shù)在我們研究中的作用，如果沒有一個非常完美的超高真空，加速器和探測器都將無法運(yùn)行。

問：真空技術(shù)在LHC加速環(huán)中有什么作用?

答：真空技術(shù)被應(yīng)用于電子束真空和隔離真空中。電子束真空尤為重要，特別是對于高能加速器。光束線內(nèi)，光束需要在10-10 hPa 的壓力環(huán)境下，或在靜態(tài)模式中的10-12 hPa 壓力。實驗區(qū)域及探測器上下游幾百米的范圍均需要這種超高真空環(huán)境，以保證探測器內(nèi)的本底保持在低水平并保護(hù)相關(guān)的電子設(shè)備。實際情況中，主要質(zhì)子束粒子以及殘余真空的分子之間碰撞越多，“噪音”就越多，對探測器的損壞就越大。

對于LHC內(nèi)的真空隔離，我們使用渦輪分子泵來抽氦氣。即使磁體在1.9 K (-273°C)的溫度下運(yùn)行，只有很少量氦氣在表面凝結(jié)，因為氦氣的凝結(jié)溫度很低。假如在這又長又復(fù)雜的液態(tài)氦回路中必定會出現(xiàn)泄漏，那么我們需要一些抽吸余地保證加速器的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

為此，我們需要在隧道中安裝渦輪分子泵。CERN所需的大多數(shù)真空技術(shù)都能從市場上獲得，但問題是如何將所有這些技術(shù)整合到加速器的特定環(huán)境當(dāng)中。因此需要為LHC和其他所有CERN加速器定制相應(yīng)的真空解決方案。

問：泵組需要滿足哪些特殊要求？

答：粒子加速器成功運(yùn)行的一個重要因素是一套的高性能的真空系統(tǒng)。它需要可靠性高、電磁兼容、耐輻射，且易于維護(hù)。

問：這里采用了普發(fā)真空的哪些產(chǎn)品/系統(tǒng)/組件?

答：LHC采用了普發(fā)真空生產(chǎn)的真空儀表和殘余氣體分析儀。所有儀表、儀表控制器及殘余氣體分析儀都由普發(fā)真空提供。另外也有大量的HiPace渦輪分子泵長期安裝在隧道內(nèi)，或者作為移動泵組，用于隧道或?qū)嶒炇覂?nèi)的介入。

問：您如何評價普發(fā)真空的產(chǎn)品？是什么因素促使CERN決定大量采用普發(fā)真空提供的真空解決方案？

答：與普發(fā)真空的合作并不是從LHC才開始。早在30多年前，在全球首個大型超高真空加速器-交叉碰撞儲存環(huán)(ISR)以及大型電子-正電子對撞機(jī)(LEP) 項目中，已開始與普發(fā)真空的合作。

普發(fā)真空的產(chǎn)品質(zhì)量、可靠性以及性能符合我們粒子加速器的要求。我們了解如何在我們復(fù)雜的配置中使用這些產(chǎn)品。

CERN與普發(fā)真空保持著長久良好的關(guān)系。這對我們來說至關(guān)重要，因為我們的加速器需要運(yùn)行長達(dá)數(shù)十年。

問：渦輪泵的哪些獨(dú)特優(yōu)勢會在這一應(yīng)用中體現(xiàn)？

答：在LHC中，渦輪分子泵需要具備較高的氦氣和氫氣壓縮比以實現(xiàn)非常低的極限真空。真空泵必須電磁兼容、耐輻射且可靠性高，盡可能地降低LHC的故障時間。其中一些泵還需要能承受較長的烘烤周期，250°C下超過24小時，以進(jìn)一步降低極限真空。

問：請簡述加速環(huán)內(nèi)的特殊環(huán)境，及為何需要對渦輪分子泵進(jìn)行更改？

答：例如，我們拿超導(dǎo)磁體和液氦低溫傳輸線路的低溫恒溫器上的真空泵作為例子。需要知道的是，即使在1.9 K (ca. -271°C)時，也只有很少的氦氣冷凝。這些復(fù)雜的低溫回路一旦發(fā)生輕微泄漏，長期安裝的渦輪泵將保證LHC的持續(xù)運(yùn)行。因此，這些泵需要配備很長的電纜，能適應(yīng)磁體及隧道內(nèi)因局部束流損失引起的電磁干擾。

為適應(yīng)LHC的運(yùn)行，渦輪分子泵必須承受高達(dá)1.000 Gy/a的輻射劑量。這種高水平的輻射阻止了任何半導(dǎo)體組件在泵內(nèi)的運(yùn)行。為克服該問題，我們與普發(fā)真空共同開發(fā)合作，采用了新的無傳感器驅(qū)動概念。

這樣，泵的主體完全不含任何電子設(shè)備，且能在管道外的防輻射服務(wù)區(qū)進(jìn)行安裝。

雖然電子設(shè)備安裝在泵的遠(yuǎn)端，它們?nèi)钥梢愿嬷脩魷u輪分子泵的所有重要的狀態(tài)參數(shù)。

問：目前在CERN大約有多少正在使用的普發(fā)真空產(chǎn)品？

答：普發(fā)真空產(chǎn)品的安裝量非常大。

在加速器內(nèi)，我們總共有89km的電子束真空系統(tǒng)。如果算上液氦傳輸線以及LHC絕緣真空的話，那我們則有128km的真空系統(tǒng)。對真空獲得、真空測量和分壓分析，需要使用大量的真空設(shè)備，而其中很大一部分都來自普發(fā)真空。

例如在LHC中，有將近95%儀表和儀表控制器、70%的渦輪泵、65%的檢漏儀、50%的粗真空泵以及大量的殘余氣體分析儀（RGA）、閥門和接頭組件都來自普發(fā)真空。

問：您如何評價與普發(fā)真空的合作？

答：我們使用了大量普發(fā)真空產(chǎn)品，而且大部分真空解決方案都是根據(jù)具體需求定制的。普發(fā)真空是我們強(qiáng)有力的合作伙伴，致力于幫助我們解決發(fā)展中的問題。

問：在您看來，對真空組件的技術(shù)支持，有怎樣的重要意義？

答：對所有已安裝且接觸電子束真空的產(chǎn)品來說，如渦輪分子泵或前級泵，盡管組件沒有被輻射激活，也沒有受到污染，但對產(chǎn)品進(jìn)行解密并運(yùn)送出去的流程是非常復(fù)雜的。因為該流程是在核設(shè)施內(nèi)的，裝運(yùn)流程非常嚴(yán)格。所以我們盡量避免將這些產(chǎn)品運(yùn)送出去。這也是為什么當(dāng)?shù)氐姆?wù)工程師對我們來說至關(guān)重要的原因。

問：目前似乎已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子，這對LHC的研究工作來說有何意義？

答：目前研究是否已經(jīng)完成，下一步將會發(fā)生什么？當(dāng)前我們發(fā)現(xiàn)的可能是希格斯玻色子粒子，這將會是對我們?nèi)虮姸嗫茖W(xué)家和技術(shù)人員努力工作的極大回報。

LHC項目啟動于20世紀(jì)80年代，項目于1994年得到批準(zhǔn)，1998年開始建設(shè)，2008年完成安裝，在2012年我們發(fā)現(xiàn)了這種新粒子。雖然道路漫長，卻取得了卓越的成就。

未來，我們將繼續(xù)運(yùn)行LHC，以進(jìn)一步確定我們發(fā)現(xiàn)的是希格斯玻色子，并研究該粒子的其他所有特性。這意味著LHC將以更高能量和強(qiáng)度運(yùn)行，并將這一了不起的加速器作用推至極限。我們都有信心在標(biāo)準(zhǔn)模型領(lǐng)域獲得更多發(fā)現(xiàn)，其中包括對“暗物質(zhì)”有進(jìn)一步的了解。

CERN 中的普發(fā)真空產(chǎn)品實例

真空獲得 HiPace 300

真空測量 ModulLine

氦檢漏 ASM 310

真空分析 PrismaPlus