低温吸气剂泵及其制作方法

本发明涉及真空，具体是关于一种低温吸气剂泵及其制作方法。

背景技术：

1、重离子加速器是研究原子核结构、核反应机制、宇宙演化中的核过程、以及重离子相关前沿科学技术问题的重要工具。随着其应用领域的不断拓展，重离子加速器对高能量、高流强和高束团功率的极限等指标不断提高，超导加速器将会是未来重离子加速器发展的一个主要方向。束流寿命与真空腔室中的残余气体量、涡流效应及阻抗等相关，而离子与残余气体分子/原子碰撞以及离子与真空室壁面碰撞会产生大量气体解吸，从而引发动态真空效应，即出现局部压力升高现象，这会大大影响束流寿命。众所周知，超高/极高真空系统中残余气体主要是氢气、一氧化碳、氦气等。低温吸气剂泵对氢气以及氦气等难以凝结的气体有非常可观的抽速和饱和容量，若系统配备有低温吸气剂泵，则可以将因束流损失而产生的气体及时的进行排出。另一方面，低温吸气剂泵属于捕集式泵，泵中无运动部件、结构简单且造价便宜、且可工作于高电场和磁场的环境中。因此在超导加速器、冶金、化学工业、半导体工业、航天、聚变系统等领域都有着广泛的应用。

2、传统低温吸气剂泵主要由液氦循环管道、吸附剂、粘结剂以及金属板等四部分构成。液氦循环管道主要作用是为低温吸附泵提供低温环境。吸附剂为多孔材料，如活性炭、分子筛、金属海绵、沸石等，其主要作用是增加吸附面积。粘结剂的作用是将吸附剂和金属板粘结在一起，粘结剂应易于涂敷于金属板、具有足够结合强度的同时在多次热循环后依然能将活性炭等吸附剂粘在金属板上，常用的粘结剂为环氧树脂或者环氧树脂中添加高热导率金属粉末。金属板的主要作用是为吸附剂提供着床空间，其主要由无氧铜等高导热性材料制成。

3、经传统制作方法制作而来的低温吸气剂泵是通过有机粘结剂将吸附剂材料粘结在金属板上。但有机粘结剂在常温下表面出气率高，会对系统真空度产生不利影响。进一步，有机粘接剂热传导速率低，影响低温吸气剂泵的抽气速率。更进一步，有机粘结剂会随着时间的推移慢慢老化使得吸附剂材料脱落，降低抽速的同时还会造成污染。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的是提供一种低温吸气剂泵及其制作方法，利用铟焊料和中间涂层通过无有机粘结剂粘合技术将活性碳棒料或者其他吸气剂材料粘结在金属板上，能够减小传统粘接剂在常温阶段的表面出气率、避免有机粘接剂老化而引起活性炭等吸附剂脱落以及解决热导率低而造成抽速损失的问题。

2、为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

3、本发明所述的低温吸气剂泵，包括：低温制剂循环管路，内循环通入低温制剂；

4、刀口法兰，套设在所述低温制剂循环管路外且与低温制剂循环管路紧配合或固定连接；吸附组合体，若干个吸附组合体分别套设在刀口法兰上方的所述低温制剂循环管路外且与所述低温制剂循环管路紧配合，若干个所述吸附组合体沿着所述低温制剂循环管路的长度方向间隔布置；第一金属垫片，最下层的所述吸附组合体与刀口法兰之间以及相邻的吸附组合体之间分别设置有所述第一金属垫片；限位件，与所述低温制剂循环管路的上端配合连接，以压紧所述吸附组合体并防止其掉落；

5、其中，所述吸附组合体包括金属板和活性碳棒；所述金属板为中心具有圆孔的圆盘状；所述金属板套设在所述低温制剂循环管路外，且其上下表面分别设置有若干个凹槽；若干个所述活性碳棒采用无有机粘结剂粘合技术固定设置于所述凹槽内；所述无有机粘结剂粘合技术是采用铟焊料和活性碳棒上的中间涂层的方式进行焊接。

6、所述的低温吸气剂泵，优选地，所述低温制剂循环管路包括低温制剂循环入口管和低温制剂循环出口管；所述低温制剂循环入口管为上下两端均开口的管道结构，其中，下端开口为低温制剂入口；所述低温制剂循环出口管为上下两端均封闭的管道结构，所述低温制剂循环出口管套设在所述低温制剂循环入口管外，且一侧设置有低温制剂出口；所述低温制剂循环入口管的上端开口与所述低温制剂循环出口管上端面留有设定距离，其下端伸出所述低温制剂循环出口管下端面设定距离。

7、所述的低温吸气剂泵，优选地，所述活性碳棒上镀有纯ti和纯ag双层薄膜。

8、所述的低温吸气剂泵，优选地，还包括铟薄片，所述铟薄片缠绕在所述低温制剂循环管路外，且位于所述低温制剂循环管路和所述吸附组合体之间。

9、所述的低温吸气剂泵，优选地，还包括第二金属垫片，所述限位件与最上层的所述吸附组合体之间设置所述第二金属垫片。

10、所述的低温吸气剂泵，优选地，所述第一金属垫片和所述第二金属垫片分别由无氧铜材料制成。

11、本发明所述的低温吸气剂泵的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

12、按照刀口法兰尺寸通过数控机床加工刀口法兰；

13、选取导热性能良好的金属板料和金属管料，并对金属板料、金属管料以及加工后的刀口法兰进行高温除氢；

14、将导热性能良好的金属板料加工成吸附组合体的金属板，并将导热性能良好的金属管料加工成低温制剂循环管路；

15、选用活性炭原材料加工形成吸附组合体的活性碳棒，并在活性碳棒上镀ti和ag；

16、将活性碳棒采用金属铟钎焊的方式焊接在金属板上，形成吸附组合体；

17、采用钎焊的方式对低温制剂循环管路和刀口法兰进行焊接，其中，焊料选用银基焊料；

18、将吸附组合体与刀口法兰进行组装，并将第一金属垫片和限位件安装在低温制剂循环管路的对应位置，并在限位件和最上层的吸附组合体之间安装第二金属垫片；

19、利用氦质谱检漏法对刀口法兰的刀口以及刀口法兰与低温制剂循环管路的焊缝进行检漏，使漏率值小于设定值则视为合格，同时采用打压的方式对低温制剂循环管路进行检漏。

20、所述的制作方法，优选地，所述对金属板料、金属管料以及加工后的刀口法兰进行高温除氢，具体包括如下步骤：

21、将金属板料、金属管料以及加工后的刀口法兰放入真空炉中，在真空优于1×10-3pa的条件下、除气温度为700～900℃、除气时间按照1h/毫米壁厚的标准进行高温除氢，其中，除氢过程包括升温过程、保温过程和冷却过程，在冷却过程中必须迅速避开900-600℃温度区，以免形成碳化物析出。

22、所述的制作方法，优选地，所述选用活性炭原材料加工形成吸附组合体的活性碳棒，具体包括如下步骤：

23、选择适合制作活性炭的原材料，所述原材料为木材或煤炭或椰壳，并将原材料进行破碎和筛分，以获得适合制作活性炭的活性炭颗粒；

24、将活性炭颗粒与黏结剂、活化剂以及助活化剂混合均匀后在双螺杆挤出机上进行挤条成型，得到特定直径的成型料；

25、将成型料经过干燥脱水和活化后，初步得到柱状活性炭；

26、将柱状活性炭经过一次水洗、酸洗、二次水洗以及干燥的步骤后得到最终的活性碳棒。

27、所述的制作方法，优选地，所述在活性碳棒上镀ti和ag，具体包括如下步骤：

28、将活性炭棒上不需要沉积薄膜的部分利用耐高温胶带或者特定工装进行遮挡；

29、当多靶直流平面磁控溅射镀膜机的镀膜室真空优于1×10-3pa时，进行180℃持续2h的烘烤以激活活性炭表面，使其有更好的附着力；

30、往多靶直流平面磁控溅射镀膜机的镀膜室内通入100～120sccm的高纯氦气，使镀膜室工作压力维持在0.19～0.23pa，离子源电压设为1500～2000v，对活性炭棒表面进行清洗，清洗时间为10～20min；

31、将抽气机组的抽气角度调整到30～50°，以保证0.23～0.3pa的工作气压，然后将圆柱ti靶电流设为10～15a，进行0.5～1h钛膜的沉积；

32、钛膜沉积结束后，关闭圆柱ti靶，打开平面ag靶，平面ag靶电流设为5～7a，进行2～3h钛膜的沉积。

33、所述的制作方法，优选地，所述将活性碳棒采用金属铟钎焊的方式焊接在金属板上，具体包括如下步骤：

34、将金属in100或in97ag3薄膜平铺在已经加工完成的金属板上，并将已经沉积完成钛膜和银膜的活性炭棒放置于铺好的金属in100或in97ag3薄膜上，通过加热的方式使金属in100或in97ag3焊料熔化，加热温度为160℃～180℃，从而完成活性炭棒与金属盘的焊接。

35、本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

36、(1)采用铟焊料和基于磁控溅射法在活性炭表面沉积的ti层和ag层通过无有机粘结剂技术将吸气剂材料粘结在金属板上，基于这种方法制作而来的低温吸气剂泵因没有环氧树脂等粘接剂，可以大大减小传统有机粘接剂在常温阶段的表面出气率、避免有机粘接剂老化而引起活性炭等吸附剂脱落以及解决热导率低而造成抽速损失的问题；

37、(2)利用此法制作而成的低温吸气剂泵对氢气以及氦气等难以凝结的气体有非常可观的抽速，因此可以将因束流损失而产生的气体及时的进行排出；

38、(3)低温吸气剂泵属于捕集式泵，泵中无运动部件、结构简单且造价便宜、且可工作于高电场和磁场的环境中。将对以后超导加速器建设起到积极作用。

技术特征：

1.一种低温吸气剂泵，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的低温吸气剂泵，其特征在于，所述低温制剂循环管路包括低温制剂循环入口管和低温制剂循环出口管；

3.根据权利要求1所述的低温吸气剂泵，其特征在于，所述活性碳棒上镀有纯ti和纯ag双层薄膜。

4.根据权利要求1所述的低温吸气剂泵，其特征在于，还包括铟薄片，所述铟薄片缠绕在所述低温制剂循环管路外，且位于所述低温制剂循环管路和所述吸附组合体之间。

5.根据权利要求1所述的低温吸气剂泵，其特征在于，还包括第二金属垫片，所述限位件与最上层的所述吸附组合体之间设置所述第二金属垫片。

6.根据权利要求5所述的低温吸气剂泵，其特征在于，所述第一金属垫片和所述第二金属垫片分别由无氧铜材料制成。

7.一种基于权利要求1至6任一项所述的低温吸气剂泵的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述对金属板料、金属管料以及加工后的刀口法兰进行高温除氢，具体包括如下步骤：

9.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述选用活性炭原材料加工形成吸附组合体的活性碳棒，具体包括如下步骤：

10.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述在活性碳棒上镀ti和ag，具体包括如下步骤：

11.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述将活性碳棒采用金属铟钎焊的方式焊接在金属板上，具体包括如下步骤：

技术总结
本发明涉及一种低温吸气剂泵及其制作方法，其中，低温吸气剂泵包括低温制剂循环管路，内循环通入低温制剂；刀口法兰，套设在所述低温制剂循环管路外且与低温制剂循环管路紧配合或固定连接；吸附组合体，若干个吸附组合体分别套设在刀口法兰上方的所述低温制剂循环管路外且与所述低温制剂循环管路紧配合，若干个所述吸附组合体沿着所述低温制剂循环管路的长度方向间隔布置；第一金属垫片，最下层的所述吸附组合体与刀口法兰之间以及相邻的吸附组合体之间分别设置有所述第一金属垫片；限位件，与所述低温制剂循环管路的上端配合连接，以压紧所述吸附组合体并防止其掉落。

技术研发人员：魏宁斐,罗成,蒙峻,杨建成,柴振,杨伟顺,焦纪强,刘建龙,李长春,谢文君,蔺晓建,马向利,万亚鹏,姚鹏,朱小荣
受保护的技术使用者：中国科学院近代物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23