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边 悦 刘春艳 ( 北京北方华创真空技术有限公司 北京 100015) 
摘 要: 为满足中科院高能物理研究所环型正负电子对撞机项目650MHz/800kW连续波速调管的超高真空排气需要， 北方华创真空研制了由无油干泵和磁悬浮分子泵作为预抽系统，溅射离子泵作为主抽系统的特大型超高真空排气台。设备 以温度和真空度作为主要工艺参数，对尺寸达到Φ1600mm×5000mm的连续波速调管进行高温真空烘烤排气，极限真空度 优于8.0×10^－8 Pa; 烘烤温度25～600℃连续可调，温区均匀性±5℃，具备充氮快速降温功能，整个工艺过程实现自动化控制。
关键词: 环型正负电子对撞机项目 连续波速调管 特大型超高真空排气台 高温真空烘烤排气
随着高能粒子加速器、远距离特高压输电、新能源半导体研究、空间探索等现代科学技术的迅猛发展，真空技术的应用领域也得到快速拓展。从低真空向高真空、超高真空快速发展，同时对相关的控 制、测量、分析等技术提出了更进一步的自动化、智能化要求。
650MHz/800kW 连续波速调管( 图1) 是中国科学院高能物理研究所环型正负电子对撞机项目( CEPC) 高频功率源系统的重要组成部分，整个电子束储存环共需168套这种特大型速调管。
国内目前尚无此类产品，国际上只有日本东芝、 美国CPI和法国THALES 可以生产，但价格极其昂贵。如果持续以高昂的价格从国外进口，势必影响国内重大科学工程发展的自主性和可持续性，所以国家加大投入对生产特大型速调管所需的各种设备进行研制，其中对速调管进行真空烘烤排气的特大型超高真空排气台经公开招标由北京北方华创真空技术有限公司负责方案设计和研发制造。
特大型超高真空排气台按照特定的大型电真空器件生产工艺规程对连续波速调管进行真空烘烤排气，使其内部产生超高真空并可以长期保持。速调 管内的真空环境主要用来保证高速电子束在其内部调制时不会与气体分子频繁碰撞而衰减。大型电真空器件排气过程具有很强的工艺性，除了要求 排气设备机械结构合理、具备获取目标真空度的能力外，还要满足烘箱升降运动安全可靠、烘烤温度准确均匀等一系列要求。所以特大型超高真空排气台具有较高的研制难度，主要技术指标见表1。
设备整体采用立式平台配合分段式烘箱结构 (图2)，主要由真空系统、烘烤加热系统构和烘箱升降运动机构组成。
真空系统由内真空系统和外真空系统构成。内真空系统负责速调管内部超高真空的获得。电子对撞机功率源用连续波速调管内部空间巨大，使用的不锈钢、铜和陶瓷等多种材料真空下放气率都比较大， 而且电子枪组件覆膜浸渍钡钨阴极经灯丝电源大电 流加热后，也要产生大量气体。为了确保排气过程中管内真空达到技术指标要求，同时尽量缩短整个排气工艺的时间，内真空系统配置了两套大抽速无油超高真空系统，两套系统可共用也能够互为备用。外真空系统负责保证在600℃高温烘烤速调管排气时，速调 管外部有足够的真空保护不被氧化。外真空系统配置了6个高转速分子泵和两套大抽速前级泵系统。 内外真空系统具体元器件配置见表2和表3。
同时内外真空系统测量都采用进口真空规计和国产真空规计两套独立的测量系统，可以实时比对， 确保真空测量的准确性。
烘烤加热系统由分段式组合结构烘箱、内部热区和烘箱升降运动机构组成。
综合考虑排气速调管工件的长圆柱外形的特点和质量重心分布情况，烘箱采用立式结构的好处要明显多于使用卧式结构。但如果简单的设计成一体 式钟罩结构，升降机构就要具备将接近20t的负荷运送到十多米的高空并保持的能力，除了设计难度大和制造成本高以外，还不好保证设备整体的稳定性，产生安全隐患，同时也会增加维修保养的难度。 经反复考虑设计成了分段式组合结构的烘箱(共6段，加顶盖，见图3) ，并配有充氮气( N2 ) 阀门，用于 真空烘烤排气完成后充入气体使工件快速降温，提高生产效率。
各分段通过升降机构实现叠加和拆卸，相互连接部分用大法兰压紧真空胶圈密封，并设有定位装置防止分段侧向滑动。另外为避免高温导致胶圈老 化，在密封面的两侧采用了水冷保护措施。
将镍铬(Cr20Ni80 ) 材质的加热丝加工成环形带， 绝缘固定在内壁支撑杆上。加热带以真空辐热的方式辐射热量，实现烘箱升温。镍铬加热丝最高使用温度可达1000℃，抗氧化性能好，价格也较低廉。
烘箱升降运动机构由主平台骨架、变频电机、蜗杆减速器、主动轴、传动轴、可伸缩式提升臂等部件组成。
电机驱动减速器经联轴器带动主轴作正反向旋转、主动轴由伞齿轮分别带动左右两侧的提升机构中的丝杠正反转，丝杠螺母传动使提升机构中的横 梁上下运动，横梁上装有顶锥构件，四个顶锥对应每个分段烘箱壳体上的定位孔，带动分段烘箱实现上下运动。烘箱整体由各个分段叠加组合而成的，因场地空间和设计起重能力限制，升降机构每次只能承载一个分段运动，所以升降运动机构的提升臂必须具备伸缩功能，承重运送时，提升臂伸出;空载返回时，提升臂缩回。
电气控制以研华UNO-3083G 工控机和西门子S7-1500 PLC 为核心，协同温控模块、温控表、真空计、变频器、压强传感器、绝对值编码器、电力调整器等各种仪器仪表综合控制。整体方案如图4所示。
由PLC 程序根据工艺曲线计算出温度实时目标值，通过ＲS485 通讯发送给主调节器欧陆Mini8 温控模块。温控模块采集工件热偶温度值，经过PID 控制算法计算输出送到副调节器温控表2604， 该输出结合热电偶采集的加热器温度共同作为副调节器温控表的输入，温控表再次通过PID计算输出 4 ～20 mA控制信号至电力调整器，经变压器改变次级加热器上的电压，实现可控升温。PLC根据绝对值编码器提供的位置信息，结合一系列光电感应位置开关，通过变频器控制升降电机速度实现对整个升降运动机构的精准控制。工艺气体压强值由压强传感器(0～120 kPa) 检测，模拟信号传送到PLC用于控制充入氮气冷却时的气体压强。真空计采集真空规的信号，通过与预设数值进行比较，再由数字DI传入PLC实现整个真空系统的合理控制，真空度 数值通过ＲS485 通讯传送到工控机中用于数据记 录，PLC 按照工艺过程通过DO输出控制真空泵阀的启停与开闭。
电气硬件主要由控制柜、加热柜、检测元件、执 行元件和相应的连接电缆组成。控制柜内装有不同 规格的断路器作为设备整体和各分立系统的电源开关，对相关电路起保护作用;接触器作为干泵、罗茨泵和升降电机(带变频器)的输出控制;继电器作为 分子泵、离子泵和各个真空阀门的输出控制。柜门 上装有温控表、真空计、触摸屏、电压表、电流表等仪 器仪表，实时接收显示抽真空、加热过程中各种外部 检测元件的测量信号，并以模拟量、数字量、数据通讯三种方式送入柜内PLC和工业计算机中实现对 执行元件的自动控制。加热柜内装有电力调整器和 变压器，通过受控移相调压实现负载功率控制。设备还设置了两个自锁式急停开关，分别负责在紧急 情况下切断烘烤加热电源和停止升降机构运动，有效确保设备运行安全。
在全尺寸模拟样管试制的真空烘烤排气过程中，内外真空系统全部实现按工艺流程自动运行。 内真空冷态极限真空度达到5.2×10^－8 Pa，优于技 术指标8.0 ×10^－8 Pa 的要求; 外真空在600℃工作温度时，热态极限真空度达到2.1×10^－3 Pa，冷态极限真空达到1.8×10^－4 Pa，同样满足技术指标要求。
通过此次CEPC的重要配套设备特大型超高真空排气台的研发设计与生产制造，使尺寸达到Φ1600 mm ×5000 mm 的连续波速调管这类特大型电真空器件通过国产设备获得了10^－8 Pa数量级以内的洁净真空，填补了国内特大型电真空器件真空排气领域的空白。
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