超高真空技术.

粒子加速器超高真空技术SQP殷立新上海应用物理研究所加速器中粒子运行的基本环境•电场----加速•磁场----导向•真空----减小束流碰撞损失超高真空基本知识•压强•气载•抽速加速器真空技术•同步辐射光源•其它类型加速器总结目录超高真空基本知识关于P真空基本概念真空划分常用单位一些数字概念真空测量全压强分压强真空：低于大气压的稀簿气体状态压强：气体分子作用于容器壁的单位面积上的力平均自由程：作无规则热运动的气体分子，相继两次碰撞所飞越的平均距离粘滞流：气体分子间碰撞为主分子流：气体分子与容器壁碰撞为主TknPClPln1dl01.0dl基本概念常用单位1标准大气压（atm）=101,3257607601.0131013帕斯卡（Pascal），国际单位毫米汞柱（millimeterofmercury)乇（Torr），美、亚洲巴（bar）毫巴（millibar），欧洲1Torr=1.33mbar=133Pa粗真空：atmto10-1Pa•气体主要来自真空室空间•气体运动以粘滞流为主•气体成份：80%N2and20%O2•真空室容积和泵的抽速决定抽气时间高真空：10-1to10-5Pa•气体主要来自真空室壁表面•气体处于分子流状态•气体成份：80%:H2Oand20%:N2,CO,H2,CO2•表面积、材料及泵抽速决定极限真空度和抽气时间超高真空：10-5to10-10Pa•气体来自真空室壁表面、体内及泵释放•气体处于分子流状态•基本成份：H2andCO@10-8Pa;H2@10-9Pa•表面积、材料、泵抽速及温度决定极限真空度和抽气时间真空划分一些数字概念Pressure(Pa)10-110-410-7MoleculesonSurfaceMoleculesonVolume0.5500500,0001标准大气压（atm）≈1kgf/cm2Pressure(Pa)MolecularDensity(molecules/cm3)MolecularIncidence(molecules/cm2/sec.)MeanFreePath(cm)MonolayerFormationTime(sec)atm2.49x10192.87x10233.9x10-61.7x10-91331.33×10-11.33×10-41.33×10-71.33×10-103.25x10163.25x10133.25x10103.25x1073.25x1043.78x10203.78x10173.78x10143.78x10113.78x1085.1x10-35.15.1x1035.1x1065.1x1092.2x10-62.2x10-32.22.2x103(37min)2.2x106(25.5days)真空测量全压强冷阴极真空计热阴极真空计电阻真空计AnodetogroundCathode-2kVMagnet真空测量分压强四极质谱计关于Q基本概念气源空间表面材料泄漏措施材料选择结构设计加工表面处理检漏基本概念气载：用流量Q表示。在确定温度下，单位时间进入系统容器内的气体量，Pa·L/s解吸：真空表面吸附气体分子脱离表面进入容器的过程热解吸：在热作用下气体分子脱离表面进入容器的过程光激发解吸：在同步辐射光激发作用下气体分子脱离表面进入容器的过程离子激发解吸：在离子激发作用下气体分子脱离表面进入容器的过程扩散出气：材料体内溶解气体通过扩散过程从真空表面进入容器渗透出气：真空室外气体分子通过渗透过程穿过真空室壁进入容器表面出气率q：单位时间从真空表面单位面积产生的气体量，Pa·L/s/cm2漏率：单位时间通过漏孔从真空室外进入系统容器内的气体量，Pa·L/s气源空间表面材料泄漏热解吸物理吸附E30kJ/mol；化学吸附E100kJ/mol超高真空系统中H2O是主导系统真空度的主要成份150~300℃真空烘烤,降低H2O、CO、CO2出气率2-4量级高温真空烘烤400~500℃，促进碳氢化合物分解。对于烘烤后系统，热出气率为＝5×10-10Pa·L/s/cm2还有与装置相关的光激发解吸、离子激发解吸等1hour10hours24hrsuntreateddegreasedpolishedbakedAluminum(anodized)3x10-53x10-78x10-83x10-53x10-5N/A5x10-10Aluminum8x10-75x10-81x10-108x10-71x10-81x10-85x10-13Brass2x10-66x10-71x10-71x10-61x10-68x10-6N/ABeryllium1x10-65x10-71x10-91x10-65x10-71x10-6N/ACopper1x10-75x10-91x10-101x10-71x10-81x10-91x10-12Copper(OFHC)8x10-92x10-93x10-118x10-98x10-95x10-71x10-12Delrin6x10-61x10-77x10-76x10-6notavailablenotavailable8x10-7Lead1x10-72x10-84x10-91x10-85x10-81x10-8N/AMildSteel2x10-62x10-73x1082x10-65x10-75x10-85x10-101018Steel(Niplated)2x10-65x10-71x10-8notavailablenotavailablenotavailablenotavailableGoldSheet8x10-8notavailable5x10-98x10-81x10-8notavailablenotavailableTitanium1x10-9notavailable5x10-101x10-9notavailablenotavailable2x10-12Stainlesssteel5x10-81x10-81x10-107x10-81x10-95x10-93x10-13Torr·L/s/cm2材料选择材料选择低出气率低蒸汽压耐高温低导磁率导热导电特性抗腐蚀低活性高机械强度机加工、焊接特性成本不锈钢300系列：304、304L、316、316L、316LN铝合金6061-T6、5083–H321铜无氧铜、Glidcop、铍青铜黄铜(超高真空禁用！)陶瓷氧化铝陶瓷（95瓷、99瓷），兰宝石等其它钼、钛、铍、钨铁镍合金、可伐不能使用含锌、镉、铅、硫、氟、硒的材料结构设计结构设计足够的强度避免死空间禁止隔离水--真空的直接焊接和过渡封接伸缩性波纹管伸缩要求波纹管承受压差时必须有限制元件合适的焊接结构钨惰性气体熔化焊（TIG）焊接采用内焊，否则全融化焊需双侧焊加强结构时，内侧连续焊，外侧断续焊，禁止两侧都连续焊可钎焊，但不允许用银焊料或软焊料结构设计例制造工艺加工主要元件材料损伤测试经标准清洗方法无法去除的切削润滑液不允许采用禁止使用含硫、硒成分的切削液、研磨剂磨轮、锉刀、粗研磨剂等禁止使用焊接前严格的清洗洁净元件不允许接触油脂物体（包括裸手）所有接触元件的焊接设备必须彻底擦洗钎焊要保证不能有焊料流出接缝外填充焊料要妥善保管，以避免油、尘埃或其它污染镀层不能分层、起泡、剥落。（烘烤）制造工艺清洗物理清洁：用高压空气吹除金属屑等残片，不能用硬丝刷、砂轮、锉刀等方法脱脂：蒸汽脱脂、浸泡脱脂或二者结合使用化学清洗：使用酸、碱性溶剂的清洗冲淋：从元件顶部开始，初始可用流动的常规水，最后用去离子水烘干：经150C、大气下烘箱烘干包装：正确包装以保证运输、储存过程中不受损坏，不被污染制造工艺标记真空表面不做标记外表面也不允许用记号笔，以免交叉污染，或堵塞疏松处不干胶之类的胶带，只能用于非真空表面，并且保证丙酮能融化处理掉出于辨认目的的标签最好系在元件上，小元件则附在包装袋上检测目测清洁度无水痕迹可拆卸密封面无经向划痕、变形无擦伤、缺口、明显起卷、剥落、分层所有真空表面无可见缺陷如凹陷、裂痕、缺口等焊缝无剥落、空虚段、气孔等机械尺寸、公差制造工艺组装在洁净室或洁净层流罩中进行使用洁净手套、口罩、工作服、头套使用的工具、设备、夹具都要严格按超高真空工艺擦洗干净组装中禁止使用含镉的板、黄铜、铅或木材真空室中运动部件的组装禁止使用油、脂润滑任何情况下禁止直接或间接污染真空表面！！！检漏可能位置焊缝裂纹法兰冷、热漏虚漏工作介质管道氦质谱检漏RGA检漏孔径大小漏率0.01mm（头发丝粗）1Pa.L/s10-10m（1埃）10-10Pa.L/s关于S基本概念真空获得吸附型离子泵升华泵非蒸散吸气剂输运型机械泵分子泵基本概念名义抽速：在一定的压强和温度下，单位时间内由泵进气口处抽走的气体量称为泵的名义抽速。流导：表示真空管道通过气体的能力。有效抽速：泵在容器排气口处的实际抽速。•对于20℃氮气，分子流状态下：孔流导C=11.6A（L/s），A=面积（cm2)长管道流导C=12.1D3/l（L/s），D=直径（cm),l=长度（cm)C≈15（L/s），D=5（cm),l=100（cm)aCbCcCcbaCCCC11111pSCS11111)/(01PPQC抽气管道：短！粗！直！真空获得吸附型真空泵离子泵SIP升华泵TSP非蒸散吸气剂NEG输运型机械泵RP分子泵TMP超高真空获得过程012243648607284961081201321441561681E-111E-101E-91E-81E-71E-61E-5规管TSP除气SIP+TSP抽气极限真空度TSP升华TSP除气升华室温后48小时室温后24小时降至室温开始降温启动SIP150℃烘烤过程P1（VARIAN1#）P2（VARIAN2#）P3（VARIAN3#）Pressure(Torr)time(hours)机械泵初抽分子泵抽气系统检漏150~250℃烘烤48小时升华泵除气/NEG泵激活离子泵启动分子泵隔离真空规除气降温升华泵升华获得系统极限真空粒子加速器真空技术同步辐射光源真空系统电子储存环前端区光束线与实验站软X射线光束线硬X射线光束线SSRFElectronLinac150MeVBooster3.5GeV，C=180mStorageRing3.5GeV，C=432mBeamlines电子束流寿命NNeot11111qTRGSion1.量子涨落——与真空室尺寸有关2.托歇克效应3.电子与气体分子的散射(1).轫致辐射——与残余气体有关(2).库仑散射——与残余气体及真空室尺寸有关(3).电子－电子弹性散射——与残余气体有关4.离子俘获——与残余气体有关5.尘埃效应——与真空室内尘埃粒子有关6.尾场效应——与真空室结构有关ncRGS12ZP1E-91E-81E-71E-60.1110100BCEITLifetime(hours)Pressure(Torr)电子储存环要求≤1×10-7Pa的清洁超高真空环境光激发解吸•同步辐射光在照射到表面，通过光电效应从器壁材料中激发光电子发射；•光电子以一定的能量轰击器壁表面，引起表面吸附气体成份的解吸；•光电解吸系数被定义为每个入射光子通过光电解吸作用激发出的气体分子数,与表面材料与结构、同步辐射入射角、束流清洗作用有关；•经100A·h后，＝1~2×10-6mol/ph•气载量Qp~10-3Pa·L/s(D=100A·h)~3×QTQp＝RN.nD0SREDTSPAb真空室•静态压强:5×10-8Pa•动态压强:1×10-7Pa•无污染•真空室截面尺寸:～70mm(H)×35