為什麽“真空”如此重要：超高真空（UHV）對粒子加速器的重要性

現代粒子加速器，例如位於(yu) 歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（Large Hadron Collider, LHC），能夠使粒子在接近光速並以遠高於(yu) 超新星爆炸的能量密度條件下相互碰撞。一些加速器，比如英國鑽石光源（Diamond Light Source）的電子儲(chu) 存環，可以讓電子以接近光速的速度進行圓周運動繞行數百萬(wan) 公裏，使電子發射出明亮的X射線輻射，用於(yu) 科學實驗。顯然，這些裝置都需要極端的條件，實驗人員絕不希望有任何隨機的氣體(ti) 分子阻礙加速粒子的運動。超高真空（UHV）是目前能夠實現的*高真空度，而對該領域的工程師和研究人員來說，這是一項極具挑戰性的任務。

粒子加速器中典型的UHV真空度為(wei) 10^-10 mbar，如何理解這一真空度？在10^-10 mbar條件下，相當於(yu) 在一個(ge) 沙粒（Small Sand Grain, SSG）體(ti) 積的空間內(nei) ，包含1個(ge) 氣體(ti) 分子，這幾乎是月球表麵稀薄程度的真空度。相比之下，我們(men) 呼吸的空氣相當於(yu) 在同樣體(ti) 積的空間中包含10萬(wan) 億(yi) 個(ge) 氣體(ti) 分子。

這不僅(jin) 是一個(ge) 巨大的量的差異，更是一個(ge) 質的差異。在大氣壓下，氣體(ti) 分子不斷相互碰撞，每次碰撞之間的平均自由程隻有約0.1 μm。而在10^-10 mbar下，氣體(ti) 分子的平均自由程約為(wei) 1000公裏 ，氣體(ti) 分子可以真空壁之間自由遊走，有時會(hui) 進入真空泵中。

真空中材料的放氣現象一直是實現超高真空技術的一大阻礙。讓我們(men) 考慮一個(ge) 內(nei) 徑為(wei) 50 mm的粒子加速器束管，如果該束管由奧氏體(ti) 不鏽鋼製成，在未進行烘烤處理的情況下，用真空泵抽氣10小時後，每SSG體(ti) 積將釋放約1000個(ge) 氣體(ti) 分子。而如果該束管內(nei) 壁完全覆蓋矽脂（不推薦），其放氣量將增加1萬(wan) 倍，即每SSG體(ti) 積將釋放10,000,000個(ge) 氣體(ti) 分子。請注意，UHV要求每SSG體(ti) 積空間內(nei) 僅(jin) 有1個(ge) 氣體(ti) 分子。這就是實現UHV麵臨(lin) 的挑戰之一，既需要使用強大的真空泵，也需要選擇合適的材料。在粒子加速器中，同時還麵臨(lin) 輻射的影響。高能粒子可能會(hui) 撞擊並損壞材料，產(chan) 生部分原子汙染真空環境。在輻射環境中，如要避免氯和氟原子汙染，就不能使用常見的含鹵素聚合物，如PTFE。

2018年，Allectra推出KAP301，這是一款使用優(you) 化Kapton絕緣層的耐輻射、兼容UHV的線纜。其絕緣膜具有優(you) 異的釋氣性能，且僅(jin) 由H、C、N、O原子組成。KAP301專(zhuan) 為(wei) 粒子加速器及其它高輻射環境應用而設計，複製下方鏈接可以閱讀更多關(guan) 於(yu) KAP301信息及其在鑽石光源進行的相關(guan) 測試。

https://www.allectra.com/product-development-allectra/#radiation-resistant-kapton

https://www.allectra.com/news/diamond-light-source-test-kap301-series/

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