突破性真空解决方案的应用

2017年9月的开始标志着纳米技术研究史上的一个里程碑：随着European XFEL（X射线自由电子激光）的启用，全球最大、最强的X射线激光器正式投入使用。它将开启纳米世界研究与探索从未企及的全新领域。

X射线自由电子激光器产生超短脉冲X射线光的速度可达每秒27000次。

European XFEL是一家新的国际研究机构，共有12个欧洲国家参与其中。非营利性European XFEL GmbH负责X射线激光器的建设和运营。全球领先的物质结构研究中心之一、Pfeiffer Vacuum长期合作伙伴DESY（德国电子同步加速器），是该机构主要的利益相关者。该设施从位于汉堡的DESY所在地，一直延伸到德国石勒苏益格-荷尔斯泰因州的舍内费尔德镇。

图1：XFEL加速器隧道内部视图（© European XFEL / Heiner Müller Elsner）

European XFEL的跨学科研究将为许多科学领域带来宝贵的意见和深刻的洞察。经验表明，这类基础研究将使诸多重要应用得到发展。包括医学、药理学、化学、物理、材料科学、纳米技术，以及能源技术和电子在内的许多科学领域将因这一新设施而获益。

例如，利用European XFEL无与伦比的X射线光，科学家们将能够破译病毒和细胞的原子细节、获取纳米世界的三维图像、摄制化学反应影像，或对发生在行星深处的进程进行研究。

为产生X射线光，首先要将电子束加速到高能状态，然后穿过特殊的磁体通道，即所谓的波振器。波振器是按交替模式布设的永磁体阵列。它们以曲折回旋的路径对电子进行强力加速。每转一圈，电子就会发出X射线光。由于X射线的特性涉及到电子，还因为波振器中的磁体模式，出现的光与激光相似，所有的波彼此同相位。因此，这意味着European XFEL可产生性质相似于激光射线的X射线辐射。

所有这些过程都需要在超高真空（UHV）或高真空（HV）条件下完成。在几年的合作中，Pfeiffer Vacuum为European XFEL的高真空应用开发出了匹配的真空解决方案。所有解决方案都是专门针对这些应用的特定需求和要求而设计的。

图2和图3：安装于European XFEL的HiPace涡轮泵

通过对European XFEL高能量密度（HED）装置工程师Ian Thorpe（伊恩•索普）的采访，可以更好了解Pfeiffer Vacuum的作用。

European XFEL高能量密度（HED）装置工程师Ian Thorpe解释了真空解决方案用于何处、它们必须满足什么要求，以及为什么选择Pfeiffer Vacuum作为供应商。

Pfeiffer Vacuum：Thorpe先生，是否可以给我们解释一下X射线激光最重要的特征？

Thorpe：European XFEL将开启先前无法企及的研究领域。采用European XFEL的X射线光，科学家们有望破译细胞的分子组成、记录化学反应、研究行星内部的进程，或绘制病毒的原子细节。

Pfeiffer Vacuum：在European XFEL工作期间，您对哪些进程应用了真空技术？

Thorpe：我是European XFEL的HED装置工程师。HED装置专注于各类科学应用，包括产生于太阳系外行星内部的物质、新极压相、固体密度等离子体，以及磁场中复杂固体的结构相变。例如，它对行星科学、磁学和等离子体物理学都是十分有价值的。

我们需要高水平真空，以保障XFEL和高能激光的传播及与物质相互作用，免受空气分子的影响或产生可被探测器识别的杂散背景信号。

Pfeiffer Vacuum： Pfeiffer Vacuum解决方案是在哪儿使用的？

Thorpe：在HED装置中，光学箱中包含UHV X射线光学器件和诊断。这些系统使用离子泵抽吸以维持UHV条件。当光束进入实验箱，即仪器用户进行实验之处时，对真空的要求降低到高真空（HV）。Pfeiffer Vacuum产品就是在这投入使用的。

Pfeiffer Vacuum：Pfeiffer Vacuum产品还有其它的应用领域吗？

Thorpe：在European XFEL的超高、高真空应用主要使用Pfeiffer Vacuum涡轮泵、控制器和仪表。此外，我们的便携式泵车也配备了Pfeiffer Vacuum解决方案。

Pfeiffer Vacuum：我们的真空解决方案有哪些特点对European XFEL是特别重要的？

Thorpe：首先也最为重要的一点是，它们可以被集成到特定的XFEL控制系统中。此外，易于安装则是一项额外优势。同时，低维护需求使其更符合我们的应用要求。

在European XFEL的HED装置中，有多台Pfeiffer Vacuum涡轮泵被自用来将压力从UHV提高到HV。而离子泵无法在此使用。整个光束是无窗的，所以不同抽吸阶段不仅要能处理不同的真空水平，还必须能应对突发或意外的气体流入。此外，涡轮泵必须保持HHV作为离子泵一侧的连接，以免触发机器保护阀和关闭光束。

Pfeiffer Vacuum还为大型交互室开发并提供了定制法兰。体积约为7立方米。Pfeiffer Vacuum解决方案是专门针对应用需要而设计的。

通过在两个专门设计的歧管法兰上采用800升泵。由于800升泵的高压缩性， 客户要求得到超额满足。现在可将泵速调 整到用户需求。更高或更低的泵速，取决 于实验类型。此外，不仅用户安全得到保 证，停机时间也实现了最小化。

来自Pfeiffer Vacuum的真空专家还建议使用更多的小型泵。因为，如果一个大型泵出现故障，不仅可能产生危险，还会导致光束在故障泵被更换之前停止运作。现在，则可便捷地换泵或安装一只盲法兰，即可继续正常运作，直到方便时再更换泵。

在European XFEL的进一步高真空应用中，采用了HiPace 80、300和800涡轮泵及相应的控制器。此外，还应用了仪表及法兰、视口和标准件。另外，Pfeiffer Vacuum还为HED装置设计并制造了定制部件和仪器。HiPace涡轮泵可方便地集成到XFEL控制系统。Pfeiffer Vacuum根据XFEL标准对泵进行调整，使之可选用去离子水进行冷却。同时，Pfeiffer Vacuum提供定制电缆以匹配XFEL标准连接器的具体长度。

单一来源的真空解决方案

与此同时，法兰、管组件等特殊真空器件也被开发出来，供European XFEL电子束使用。此外，还与客户密切合作，设计涡轮泵和质谱仪，以符合要求。特别型号的泄漏探测器也按照客户的要求交付。因此，Pfeiffer Vacuum成功地为UHV和European XFEL提供了单一来源的定制真空解决方案。