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1、粒子加速器超高真空技术,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,基本概念,常用单位,1 标准大气压（atm）=,101,3257607601.0131013,帕斯卡（Pa
2、scal），国际单位毫米汞柱（millimeter of mercury)乇（Torr），美、亚洲巴（bar）毫巴（millibar），欧洲,1 Torr=1.33 mbar=133 Pa,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：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：10-5 to 10-10 Pa气体来自真空室壁表面、体内
3、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,一些数字概念,Pressure(Pa)10-110-410-7,Molecules on SurfaceMolecules on Volume0.5500500,000,1 标准大气压（atm）1 kgf/cm2,真空测量,全压强冷阴极真空计热阴极真空计电阻真空计,Anodeto ground,Cathode-2kV,Magnet,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,
4、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/s,气源,空间表面材料泄漏,热解吸,物理吸附 E 1
5、00 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/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
6、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
7、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150C、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
8、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,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
9、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=11.6 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！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,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
10、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,SSRF,Electron Linac 150MeV,Booster3.5GeV，C=180m,Storage Ring 3.5GeV，C=432m,Beamlines,电子束流寿命,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
11、储存环要求 110-7 Pa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100Ah后，1210-6 mol/ph气载量 Qp 10-3 PaL/s(D=100Ah)3QT,Qp,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 7
12、00L/s11，600L/s5 TSP 1000L/s9，600L/s1，200L/s1,储存环超高真空系统参数,真空室与压强分布,真空元件,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,前端区真空系统,Operation without SR 模式PS1 down 模式Operation with SR模式,前端区压强分布,真空控制与联锁,真空保护前端快保护系统：真空快反应规G3触
13、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,真空控制界面,光束线站真空要求,前端区与储存环接口，110-7 Pa光学元件避免表面污染镜面、光栅：510-7 Pa晶体：510-5 Pa提供绝热环境同步辐射真空紫外光需要在真空中传播样品依据情况，atm 110-8 Pa,光束线站真空状态远比加速器复杂，要求atm 110-8 Pa的清洁超高真空环境。,不同压强环境间需过渡：差分 隔离,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射线光束线站,13台 溅射离子泵，总抽速 440
14、0L/s 10只 冷阴极电离规 9只 超高真空阀门,P7=3.9E-9torr,软X光束线光栅单色器,510-8 Pa,真空系统,硬X射线光束线站,聚焦镜,液氮单色器,液氮冷却双晶单色器,Pressure:210-5Pa,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,新一代电子储存环真空技术（MAX-）,物理设计及对真空系统的要求束流发射度：0.2 nmradLattice 设计：MBA；强多极场梯度。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)。技术方案 强磁铁 小磁铁孔径 小真空室孔径 分
15、布热负载+分布气载 铜真空室+NEG镀膜,真空室截面尺寸:25mm,小孔径真空室结构,真空室NEG镀膜（ESRF）,磁控溅射镀膜Ti-Zr-V，1m激活温度180,正电子储存环真空室,电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 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,自由电子激光装置真空系统（DCLS）,真空系统与真空室,快循环质子同步加速器真空系统（CSNS）,束流物理对真空系统的要求真空要求：1.3310-6
16、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TiN镀膜降低二次电子产额，抑制e-p不稳定性磁控溅射镀膜,重离子储存环真空系统（HIRFL-CSRm）,束流物理对真空系统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真空系统周长：161m气载：510
17、-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,真空处理,真空室材料:不锈钢316LN真空除气:去除熔于材料体内的氢 950，10-4 Pa，1h/mm真空烘烤:降低表面出气率 250，40小时 在线烘烤,总结,空间：加速器真空是贯穿全局的整体，电子枪直线加速器低能输运线增强器高能输运线储存环前端区光束线实验站，无可分割。时间：加速器真空是有始无终的过程，设计制造处理安装调试运行维护，步步小心。,参考资料,真空设计手册，国防工业出版社，2004High/Ultra-High Vacuum Sem
18、inar,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,IVC18,2012,谢谢!,
