摘要：真空是粒子加速器的核心技术。如果真空度达不到要求，循环粒子与残余气体分子之间的相互作用率将产生多种不利条件。粒子束不稳定性增加的同时，粒子损失率也将增加，危及仪器设备，损坏加速器硬件。此外，真空对于避免高压设备发生电气故障以及低温流体的隔热至关重要。

真空是粒子加速器的核心技术。如果真空度达不到要求，循环粒子与残余气体分子之间的相互作用率将产生多种不利条件。粒子束不稳定性增加的同时，粒子损失率也将增加，危及仪器设备，损坏加速器硬件。此外，真空对于避免高压设备发生电气故障以及低温流体的隔热至关重要。

在实际操作中，粒子加速器所需的真空度涵盖了很大范围——从高真空（HV，10-1 至10-6 Pa）到超高真空（UHV，10-6至 10-10 Pa）再到极高真空（XHV，通常定义为 10-12 Pa 及以下）。例如，在隔热应用中，需要真空度低于 10-2 Pa。现代同步加速器设施要求 UHV 真空度≤10-7 Pa，而一些反物质实验所需的真空度甚至达到了 10-13 Pa 左右。在最具挑战性的实验中，真空室内每立方厘米只有几个气体分子保持随机运动，两个气体分子要行进数十亿公里后才会相撞，这段长度相当于从太阳到木星的距离。

欧洲核子研究组织（以下简称 CERN）拥有超过125公里的束流管和液氦传输管线，拥有世界上最大的真空系统，并且是最长、最复杂的粒子加速器。从 HV 到 UHV/XHV 模式，CERN 和其他大型科学实验室的粒子加速器相比，其真空系统的复杂性主要表现在粒子束与材料表面的相互作用。

▲ 瑞士梅兰附近地下洞穴中的 CERN 大型强子对撞机 图片来源：CERN

束流和材料表面的相互作用会导致材料表面的气体解吸，这是真空容器内气体分子的主要来源。

事实上，如果气体分子从真空系统中迅速抽出，在没有泄漏的情况下，几立方米的腔体只需几个小时就可以达到超高真空条件。虽然真空容器内壁会自发释放气体分子（主要是水蒸气和氢气），但选择合适的材料和热处理会在加速器运行前将排气率降低到可接受范围。

因此，加速器束流导致的气体解吸仍然是粒子加速器面临的最大难题。当然，这种影响只有在循环粒子加速时才会出现。针对该问题，在采用化学表面处理的同时，CERN 逐步增加束流并提高了真空系统的性能，通过表面清洁和化学改性降低气体解吸。科研团队将这种表面处理称为“scrubbing run”。

借助非蒸发性吸气剂（NEG）涂层，可以大幅缩短表面处理所需的时间，这是 CERN 在20世纪90年代末提出的概念。其原理简单理解为：在管壁上涂有一层微米厚的 Ti-Zr-V 合金膜，在约 200 °C 的加速器中加热数小时，即可提供相对干净的金属表面。因为此过程气体分子通过表面的化学反应被吸附，该涂层也有抽气的作用。加热过程中，随着氧化物钝化层溶解到薄膜中，表面吸附的气体分子消除；此后，每当涂层表面气体分子吸附饱和或需要排气时，就会重复该循环。

▲ CERN 拥有世界领先的真空科学和技术研发能力。① HL-LHC 真空室薄膜涂层新装置的原型。② CMS 光束管穿过内部跟踪器探测器。中央部分由0.8毫米厚的纯铍制成，而真空容器的其余部分主要由铝合金制成。③ 用于研究非晶碳薄膜溅射沉积新阴极的系统。④ LHC 机器保护装置射频屏蔽的薄膜涂层。⑤ 真空电缆卷轴，用于为可移动溅射靶供电，该靶设计用于LHC 独立磁体光束屏中的原位非晶碳薄膜涂层。图片来源：Pedro Costa Pinto/CERN；Micheal Hoch/CERN

CERN 在加速器设备中大量应用了 NEG 技术，LHC 室温段6公里光束线全部覆盖 NEG 材料。瑞典同步加速器 MAX IV 也同样部署了 NEG 技术。NEG 涂层对于当前一代加速器中的小直径光束管而言，是不可或缺的。

另外，束流产生的电磁场与材料表面会产生电流，这些电流会引起焦耳热。可以用良好电导体（如铜）作为光束管材料或涂层来减少此热量。降低真空系统（以及所有真空组件）的阻抗可以延长束流寿命并保持束流发射率，让加速器实验中的粒子碰撞率更高。

对于下一代超流氦高能质子加速器（如环形对撞机 FCC-hh）来说，光束管的阻抗可能会对低温系统的整体热负荷平衡产生不利影响。为了对抗这种热源，CERN 启动了一项研究，其中真空室内壁涂有高温超导体（HTS）。由于超导体与普通金属相比电损耗大大降低，成功使用 HTS 有望显著降低阻抗。虽然现在处于早期研究阶段，但据报道 HTS 稀土钡铜氧化物 （ReBCO）涂层测试的初步结果令人满意。

同时，同步辐射和电子撞击真空腔室内壁也会将部分能量传递到别的容器。撞击电子倍增是加速器低温系统所关注的问题。

CERN 真空小组开发了具有极低二次电子产额的非晶碳涂层，以有效防止电子倍增。碳涂层还被应用于超级质子同步加速器的既定区域，以减少电子云对光束性能的直接影响。

▲ LHC 中非晶碳涂层的制备。这些薄膜具有非常低的二次电子产额，可防止电子倍增。来源 Pedro Costa Pinto/CERN

缩减束流与表面的相互作用对于 CERN 如此庞大的真空基础设施来说，真空计量方面也是一项挑战。

据不完全统计，现共有超过12000种真空仪器仪表、泵、阀门和相关控制器，具有近一百万种配置设置。20世纪60-70年代，欧洲建立了世界上第一台强子对撞机——交叉储存环（ISR），在此经验之上，高真空至极高真空的测量一直是 CERN 真空团队的核心能力之一。

▲ 1965 年 12 月 15 日，欧洲核子研究中心理事会批准了交叉存储环（ISR）的建设 图片来源：中国物理学会期刊网

如今 CERN 使用的测量范围在10-5 ~10-10 Pa 的真空计是 ISR 真空计原始模型的迭代品，而 CERN 研发实验室和反物质实验中使用的测量范围≤10-12 Pa的真空计则是20世纪70年代末进一步发展的成果。

CERN 也与欧洲真空计量界加强合作，不断研究新的真空测量技术，以便真空计在极高真空环境下可以准确测量。

LHC 在经历一段长期停机状态后于2021年5月重启，2024年底将停止运行。据 CERN 透露，2025年 CERN 将对 LHC 再升级，预计2027年高亮度大型强子对撞机（HL-LHC）登场。目前，HL-LHC 已完成了第一个节点的建造。

▲ 2021年对 CERN 真空团队来说十分紧迫，他们需要重新启动 LHC 真空系统中的光束循环，并对长时间停用的系统进改进和调整，包括 ALICE 光束管。图片来源：Maximilien Brice、Julien Marius Ordan/CERN

但建造 HL-LHC 的难度可想而知。高亮度大型强子对撞机增加束流意味着真空系统及其电子控制电路将会受到更多的辐射，加速器隧道中大型真空系统电子设备随着辐射的增加，其性能与稳定性也会面临挑战。

如今，CERN 的真空团队也在通过现场及其他欧洲研究机构的辐射源，对数百个真空系统关键组件和电子设备的抗辐射能力进行评估。

综上，HL-LHC 或拟议中的环形对撞机 FCC 等主要加速器计划，将确保 CERN 真空科学与技术大研发在世界处于领先地位，而真空科学与技术的进步也会支持 CERN 乃至世界其他领域基础科学的进步。

来源：iVacuum真空聚焦