超高真空技术.ppt

粒子加速器粒子加速器超高真空技超高真空技术殷立新殷立新上海上海应用物理研究所用物理研究所1-加速器中粒子运行的基本加速器中粒子运行的基本环境境 电场-加速 磁场-导向 真空-减小束流碰撞损失2-超高真空基本知超高真空基本知识压强气气载抽速抽速加速器真空技加速器真空技术同步同步辐射光源射光源其它其它类型加速器型加速器总结目目录3-超高真空基本知超高真空基本知识4-关于关于 P真空真空基本概念基本概念真空划分真空划分常用常用单位位一些数字概念一些数字概念真空真空测量量全全压强分分压强5-真空真空：低于大气低于大气压的稀簿气体状的稀簿气体状态压强：气体分子作用于容器壁的气体分子作用于容器壁的单位面位面积上的力上的力平均自由程：作无平均自由程：作无规则热运运动的气体分子，相的气体分子，相继两次两次碰撞所碰撞所飞越的平均距离越的平均距离粘滞流：气体分子粘滞流：气体分子间碰撞碰撞为主主分子流：气体分子与容器壁碰撞分子流：气体分子与容器壁碰撞为主主基本概念基本概念6-常用常用单位位1 标准大气准大气压（atm）=101,3257607601.0131013帕斯卡帕斯卡（Pascal），国），国际单位位毫米汞柱毫米汞柱（millimeter of mercury)乇乇（Torr），美、），美、亚洲洲巴巴（bar）毫巴毫巴（millibar），欧洲），欧洲1 Torr=1.33 mbar=133 Pa7-粗真空：粗真空：atm to 10-1 Pa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%N2 and 20%O2真空室容积和泵的抽速决定抽气时间高真空：高真空：10-1 to 10-5 Pa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%:H2O and 20%: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：超高真空：10-5 to 10-10 Pa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：H2 and CO 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真空划分8-一些数字一些数字概念概念Pressure(Pa)10-110-410-7Molecules on SurfaceMolecules on Volume0.5500500,0001 标准大气准大气压（atm）1 kgf/cm2Pressure(Pa)Molecular Density(molecules/cm3)Molecular Incidence(molecules/cm2/sec.)Mean FreePath(cm)MonolayerFormation Time(sec)atm2.49 x 10192.87 x 10233.9 x 10-61.7 x 10-9 1331.3310-11.3310-41.3310-71.3310-103.25 x 10163.25 x 10133.25 x 10103.25 x 1073.25 x 1043.78 x 10203.78 x 10173.78 x 10143.78 x 10113.78 x 1085.1 x 10-35.15.1 x 1035.1 x 1065.1 x 1092.2 x 10-62.2 x 10-32.22.2 x103(37 min)2.2 x 106(25.5 days)9-真空真空测量量全全压强冷阴极真空冷阴极真空计热阴极真空阴极真空计电阻真空阻真空计Anodeto groundCathode-2kVMagnet10-真空真空测量量分分压强四极四极质谱计11-关于关于 Q基本概念基本概念气源气源空空间表面表面材料材料泄漏泄漏措施措施材料材料选择结构构设计加工加工表面表面处理理检漏漏12-基本概念基本概念气载：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，PaL/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，PaL/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，PaL/s13-气源气源空空间表面表面材料材料泄漏泄漏14-热解吸解吸物理吸附 E 100 kJ/mol超高真空系统中H2O是主导系统真空度的主要成份150300真空烘烤,降低H2O、CO、CO2出气率2-4量级高温真空烘烤400500，促进碳氢化合物分解。对于烘烤后系统，热出气率为510-10PaL/s/cm2 还有与装置相关的光激发解吸、离子激发解吸等TorrL/s/cm215-材料材料选择材料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、焊接特性成本不不锈钢300系列：304、304L、316、316L、316LN铝合金合金6061-T6、5083 H321铜无氧铜、Glidcop、铍青铜黄铜(超高真空禁用！)陶瓷陶瓷氧化铝陶瓷（95瓷、99瓷），兰宝石等其它其它钼、钛、铍、钨铁镍合金、可伐不能使用不能使用含锌、镉、铅、硫、氟、硒的材料 16-结构构设计结构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 17-结构构设计例例18-制造工制造工艺加工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）19-制造工制造工艺清洗清洗物理清物理清洁：用高压空气吹除金属屑等残片，不能用硬丝刷、砂轮、锉刀等方法脱脂脱脂：蒸汽脱脂、浸泡脱脂或二者结合使用化学清洗化学清洗：使用酸、碱性溶剂的清洗冲淋冲淋：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烘干：经150C、大气下烘箱烘干包装包装：正确包装以保证运输、储存过程中不受损坏，不被污染20-制造工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21-制造工制造工艺组装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任何情况下禁止直接或间接接污染真空表面染真空表面 ！22-检漏漏可能位置可能位置焊缝裂裂纹法法兰冷、冷、热漏漏虚漏虚漏工作介工作介质管道管道氦氦质谱检漏漏RGA检漏漏孔径大小孔径大小漏率漏率0.01mm（头发丝粗）粗）1 Pa.L/s10-10m（1埃）埃）10-10 Pa.L/s23-关于关于 S基本概念基本概念真空真空获得得吸附型吸附型离子离子泵升升华泵非蒸散吸气非蒸散吸气剂输运型运型机械机械泵分子分子泵24-基本概念基本概念名名义抽速：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。流流导：表示真空管道通过气体的能力。有效抽速：有效抽速：泵在容器排气口处的实际抽速。对于于20氮气，分子流状氮气，分子流状态下：下：孔流导 C=11.6 A（L/s），A=面积（cm2)长管道流导 C=12.1 D3/l（L/s），D=直径（cm),l=长度（cm)C 15（L/s），D=5（cm),l=100（cm)抽气管道：短抽气管道：短 ！粗！直！粗！直！25-真空真空获得得吸附型真空吸附型真空泵离子离子泵SIP升升华泵TSP非蒸散吸气非蒸散吸气剂NEG26-输运型运型机械机械泵RP分子分子泵TMP27-超高真空超高真空获得得过程程机械泵初抽分子泵抽气系统检漏150250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28-粒子加速器真空技粒子加速器真空技术29-同步同步辐射光源真空系射光源真空系统电子子储存存环前端区前端区光束光束线与与实验站站软X射射线光束光束线硬硬X射射线光束光束线30-SSRF Electron Linac Electron Linac 150MeV150MeVBoosterBooster3.5GeV3.5GeV，C=180mC=180mStorage RingStorage Ring 3.5GeV3.5GeV，C=432mC=432mBeamlinesBeamlines31-电子束流寿命子束流寿命 1.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 电子子储存存环要求要求 110-7 PaPa的清的清洁超高真空超高真空环境境32-光激光激发解吸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100Ah后，1210-6 mol/ph气载量 Qp 10-3 PaL/s (D=100Ah)3QT Qp33-静态压强:510-8 Pa动态压强:110-7 Pa无污染真空室截面尺寸:70mm(H)35mm(V)主要负载:430kW 热负载;气载.每单元总抽速:2104 L/s.SIP+NEG 700L/s11，600L/s5 TSP 1000L/s9，600L/s1，200L/s1储存存环超高真空系超高真空系统参数参数34-真空室与真空室与压强分布分布35-真空元件真空元件36-同步辐射光快阀屏蔽墙约 8.4m离子泵NEG冷规1联接光束线6台 溅射离子泵，370L/s3台 NEG，900L/s2只 冷阴极电离规 SIP电流做真空测量冷规2功能功能规范引出光束高热负载吸收光束位置监测真空保护、真空过渡元件安全保护人身保护前端区真空系前端区真空系统37-Operation without SR 模式PS1 down 模式Operation with SR模式时间束流束流mA真空度真空度1（Pa）真空度真空度2（Pa）2011-12-2605.210-84.910-82011-12-302007.710-86.710-8前端区前端区压强分布分布38-真空控制与真空控制与联锁真空保真空保护前端快保护系统：真空快反应规G3触发快阀关闭及储存环踢束，隔离储存环与光束线真空前端慢保护系统：超高真空规G1或G2触发真空阀门，隔离前端真空系统真空监测、系统操作、安全联锁39-真空控制界面真空控制界面40-光束光束线站真空要求站真空要求前端区前端区与储存环接口，110-7 Pa光学元件光学元件避免表面污染镜面、光栅：510-7 Pa晶体：510-5 Pa提供绝热环境同步同步辐射射真空紫外光需要在真空中传播样品品依据情况，atm 110-8 Pa光束光束线站真空状站真空状态远比比加速器复加速器复杂，要求，要求atm atm 110-8 PaPa的清的清洁超超高真空高真空环境。境。不同不同压强环境境间需需过渡：渡：差分差分 隔离隔离41-约 26m同步辐射光联接实验站单色器前置镜箱后置镜箱软X射射线光束光束线站站42-13 13台台 溅射离子射离子泵，总抽速抽速 4400L/s4400L/s 10 10只只 冷阴极冷阴极电离离规 9 9只只 超高真空超高真空阀门P7=3.9E-9torr时间束流束流mA真空度真空度1Pa真空度真空度2Pa真空度真空度3 Pa真空度真空度4（前置（前置镜）Pa真空度真空度5（单色器）色器）Pa真空度真空度6Pa真空度真空度7Pa真空度真空度8Pa2011-12-2603.710-84.310-83.610-85.110-88.610-85.210-83.210-81.110-72011-12-302005.110-84.510-86.910-81.910-72.510-75.710-83.510-81.110-7软X光束线光栅单色器510-8 Pa真空系真空系统43-硬硬X射射线光束光束线站站聚焦镜液氮单色器44-液氮冷却双晶单色器Pressure:210-5Pa真空系真空系统 13台 溅射离子泵，总抽速 3600L/s 9只 冷阴极电离规 8只 超高真空阀门45-新一代新一代电子子储存存环真空技真空技术（MAX-MAX-）物理物理设计及及对真空系真空系统的要求的要求束流束流发射度：射度：0.2 nmradLattice 设计：MBA；强多极场梯度。工程挑工程挑战：高系统集成度；高稳定度；高梯度磁铁(4倍)；小孔径真空室 (1/2)；高准直偏差(1/2)。技技术方案方案 强磁铁 小磁铁孔径 小真空室孔径 分布热负载+分布气载 铜真空室+NEG镀膜真空室截面尺寸:25mm46-小孔径真空室小孔径真空室结构构d25547-真空室真空室NEG镀膜（膜（ESRF）磁控溅射镀膜Ti-Zr-V，1m激活温度18048-正正电子子储存存环真空室真空室电子云效子云效应光激发电子及二次电子受正电子束团吸引，加速运动，轰击器壁，产生电子倍增。在一定条件下，空间电子密度可能达到很高，引起束流不稳定性。与真空室表面状态及结构有关。措施措施 降低二次电子产额-真空室TiN、Ti/Zr/V镀膜 改进真空室结构-双室型真空室 阱型结构49-直线加速器真空度 6.510-6Pa束流清晰区(加速管)18mmFEL辐射段真空度 110-5Pa束流清晰区(波荡器)15(H)6(V)mm2阻抗束流通道连续、平滑过渡真空室内表面低电阻表面粗糙度 300nm 自由自由电子激光装置真空系子激光装置真空系统（DCLSDCLS）50-真空系真空系统与真空室与真空室51-快循快循环质子同步加速器真空系子同步加速器真空系统（CSNSCSNS）束流物理束流物理对真空系真空系统的要求的要求真空要求：1.3310-6 Pa压强不稳定性：离子激发气体解吸 I 真空室截面尺寸：222mm(H)154mm(V),256mm陶瓷真空室陶瓷真空室涡流发热磁场干扰大型陶瓷真空室加工焊接RF屏蔽真空室真空室TiN镀膜膜降低二次电子产额，抑制e-p不稳定性磁控溅射镀膜 52-重离子重离子储存存环真空系真空系统（HIRFL-CSRmHIRFL-CSRm）束流物理束流物理对真空系真空系统的要求的要求高能离子与残余气体分子的碰撞：电子俘获、电子损失、角散射、分子电离离子轰击真空室壁，激发气体解吸，形成动态气载并造成真空不稳定性真空要求：3.510-9 Pa 810-10 Pa(对于超重离子，如U，寿命大于50s)真空室截面尺寸:150mm(H)80mm(V)，150mm真空系真空系统周长：161m气载：510-4 PaL/s；抽速1.5105 L/s泵：TSP(5000L/s57)+SIP(330L/s39)真空计：分离规（210-10 Pa）+RGA 53-真空真空处理理真空室材料真空室材料:不锈钢316LN真空除气真空除气:去除熔于材料体内的氢 950，10-4 Pa，1h/mm真空烘烤真空烘烤:降低表面出气率 250 ，40小时 在线烘烤 54-总结空空间：加速器真空是：加速器真空是贯穿全局的整体，穿全局的整体，电子子枪直直线加速器加速器低能低能输运运线增增强器器高能高能输运运线储存存环前端区前端区光束光束线实验站，无可分割。站，无可分割。时间：加速器真空是有始无：加速器真空是有始无终的的过程，程，设计制制造造处理理安装安装调试运行运行维护，步步小心。，步步小心。55-参考参考资料料真空设计手册，国防工业出版社，2004High/Ultra-High Vacuum Seminar,VARIANCAS 2006-CERN Accelerator School:Vacuum in Accelerators,Platja dAro,Spain,2006CERN 99-05:CAS-CERN Accelerator School:Vacuum Technology,Snekersten,Denmark,1999Workshop on Accelerator R&D for Ultimate Storage Rings,Beijing,China,2012Fourth International Accelerator School for Linear Colliders,Beijing,China,2009DCLS Technical Design Report,2013Conceptual Design on Chinese Spallation Neutron Source,2004The vacuum system of HIRFL,IVC18,201256-谢谢!57-