为什么“真空”如此重要：超高真空（UHV）对粒子加速器的重要性

现代粒子加速器，例如位于欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（Large Hadron Collider, LHC），能够使粒子在接近光速并以远高于超新星爆炸的能量密度条件下相互碰撞。一些加速器，比如英国钻石光源（Diamond Light Source）的电子储存环，可以让电子以接近光速的速度进行圆周运动绕行数百万公里，使电子发射出明亮的X射线辐射，用于科学实验。显然，这些装置都需要极端的条件，实验人员绝不希望有任何随机的气体分子阻碍加速粒子的运动。超高真空（UHV）是目前能够实现的*高真空度，而对该领域的工程师和研究人员来说，这是一项极具挑战性的任务。

粒子加速器中典型的UHV真空度为10^-10 mbar，如何理解这一真空度？在10^-10 mbar条件下，相当于在一个沙粒（Small Sand Grain, SSG）体积的空间内，包含1个气体分子，这几乎是月球表面稀薄程度的真空度。相比之下，我们呼吸的空气相当于在同样体积的空间中包含10万亿个气体分子。

这不仅是一个巨大的量的差异，更是一个质的差异。在大气压下，气体分子不断相互碰撞，每次碰撞之间的平均自由程只有约0.1 μm。而在10^-10 mbar下，气体分子的平均自由程约为1000公里 ，气体分子可以真空壁之间自由游走，有时会进入真空泵中。

真空中材料的放气现象一直是实现超高真空技术的一大阻碍。让我们考虑一个内径为50 mm的粒子加速器束管，如果该束管由奥氏体不锈钢制成，在未进行烘烤处理的情况下，用真空泵抽气10小时后，每SSG体积将释放约1000个气体分子。而如果该束管内壁完全覆盖硅脂（不推荐），其放气量将增加1万倍，即每SSG体积将释放10,000,000个气体分子。请注意，UHV要求每SSG体积空间内仅有1个气体分子。这就是实现UHV面临的挑战之一，既需要使用强大的真空泵，也需要选择合适的材料。在粒子加速器中，同时还面临辐射的影响。高能粒子可能会撞击并损坏材料，产生部分原子污染真空环境。在辐射环境中，如要避免氯和氟原子污染，就不能使用常见的含卤素聚合物，如PTFE。

2018年，Allectra推出KAP301，这是一款使用优化Kapton绝缘层的耐辐射、兼容UHV的线缆。其绝缘膜具有优异的释气性能，且仅由H、C、N、O原子组成。KAP301专为粒子加速器及其它高辐射环境应用而设计，复制下方链接可以阅读更多关于KAP301信息及其在钻石光源进行的相关测试。

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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