HIAF真空系统的要求、设计与挑战

时间：2026年2月6日

来源：Vacuum

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HIAF真空系统通过钛合金衬里超薄真空室、三维打印与负压蒸发（NEG）复合技术、集成烘烤系统及自研密封法兰等创新，在2公里长系统中实现4.7×10^-10 Pa平均真空度，突破束流传输稳定性瓶颈，为大型加速器真空设计提供新范式。

中国科学院近代物理研究所，中国兰州 730000

摘要

高强度重离子加速器设施（HIAF）是世界上首个集成了超导直线加速器、同步加速器和储存环的重离子研究装置。其真空系统对于高能束流的稳定传输和长期可靠运行至关重要。本文系统地介绍了长达近2公里的HIAF真空系统所面临的技术挑战、关键创新和工程成就。为减少快速变化的磁场引起的涡流效应， booster环（BRing）的真空腔采用了创新的钛合金衬里超薄壁结构（壁厚0.3毫米），该结构结合了3D打印技术和非蒸发 getter（NEG）涂层技术。这类真空腔占BRing的60%。此外，通过优化内置组件的抽气过程和腔体结构，实现了平均压力为4.7 × 10^-10 Pa的指标，这标志着世界上最大的室温超薄壁真空系统；面对谱仪环（SRing）电子冷却系统安装空间有限的挑战，采用了溅射离子泵、内置钛丝蒸发和NEG涂层相结合的集成解决方案，最终实现了平均压力为1.0 × 10^-9 Pa；对于高能碎片分离器（HFRS）的高辐射区域，采用了自主研发的分体式密封法兰，实现了管道的远程拆卸和可靠密封，保持压力在2.5×10^-6 Pa；另外，还开发了一种3毫米厚的超薄集成烘烤夹套，能够对复杂的真空系统进行精确的高温烘烤。HIAF真空系统的设计始于2018年，经过多次迭代和工艺验证后，于2024年3月启动了大规模安装，并在同年9月完成了整个安装和调试过程。每个子系统的真空性能均超过了设计规格，为未来大规模加速器真空系统的设计和建造提供了新的技术路径和工程范例。

引言

高强度重离子加速器设施（HIAF）由中国科学院近代物理研究所建造，是一种具有领先束流性能的新一代重离子研究装置，其特点是高能量、高束团功率和多学科应用[1]。该设施包括超导电子回旋共振离子源（SECR）、超导离子直线加速器（iLinac）、booster环（BRing）、高精度谱仪环（SRing）、高能碎片分离器（HFRS）以及各种实验终端[2]。如图1所示，它是世界上首个集成超导直线加速器、同步加速器和储存环的先进重离子加速器，能够提供能量高达4.25 GeV/u的脉冲重离子束流，并配备世界上最精密的核质谱仪[3]。HIAF项目于2018年12月正式获批，预计将在2025年底前建成，建设周期为七年。

作为高强度重离子加速器的关键子系统，HIAF真空系统在实现重离子束流的高稳定性传输和保持长束流寿命方面起着关键作用。真空系统的总长度接近2公里，其中约1公里需要现场烘烤以去除气体。在booster环（BRing）和高能碎片分离器（HFRS）之间，必须实现五个数量级的真空过渡（从10^-5 Pa到10^-10 Pa）[4]。各区域的设计真空水平见表1。

部分内容

Booster环（BRing）真空系统

作为HIAF的关键加速器，BRing需要极高的真空度（XHV），以显著延长束流寿命并抑制由动态真空效应引起的束流质量下降[5]。为此，在结构设计、抽气过程和表面改性等方面进行了多项优化。

BRing的总长度约为570米，由三个110米的弧形段和三个80米的直线段组成。

Spectrometer环（SRing）真空系统

SRing是HIAF设施中的一个先进核物理实验平台，总长度为277.3米，其组件对称分布[17]，如图15所示。该真空系统的特点是孔径较大、气体负荷较高，且泵的集成空间有限，这给实现1×10^-9 Pa的极高真空度带来了巨大挑战。

High Energy Fragment Separator（HFRS）真空系统

HFRS是一个连接BRing和SRing的核物理实验终端，由预分离器和主分离器组成[18]，其布局如图20所示。

烘烤系统

>现场烘烤作为XHV系统中的关键工艺，在实现所需最终真空度方面起着关键作用。为了应对空间限制和真空腔复杂几何形状两大工程挑战，开发了两种定制的烘烤夹套。对于磁体真空腔，采用了一种创新的集成加热和绝缘层方案，总厚度仅为3毫米。这种分层结构从内到外依次包括：

结论

面对HIAF真空系统中的重大技术挑战，实施了一系列独立的设计和工艺创新。这些创新不仅全面超出了目标真空规格，还为HIAF的稳定运行奠定了坚实基础。主要成果总结如下：

通过使用3D打印的钛合金环和薄壁不锈钢开发复合腔体，解决了快速变化的磁场下真空腔的问题

CRediT作者贡献声明

X. J. Lin：资源协调、数据管理。Y. M. Gao：数据管理。W. S. Yang：数据验证、数据管理。R. X. Zhu：数据管理、初稿撰写、数据验证。N. F. Wei：资源协调、调查。J. C. Yang：资金筹措。Y. P. Wan：资源协调、数据管理。C. Luo：撰写、审稿与编辑。R. P. Zhang：调查、数据管理。J. X. Wu：数据管理。X. P. Zhang：正式分析。C. C. Li：数据可视化、数据管理。X. L. Ma：资源协调