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1、同步辐射光源的真空系统SSRF系列技术讲座之一蒋迪奎 080521本次真空讲座的目标 听讲人的目的？ 听讲人情况：SSRF非真空专业人员，1h 演讲人的目标：给你一个思路怎样理解、把握、解决 你的工作中所涉及的真空技术问题。本次讲座内容 掌握真空系统基本概念的思路 把握某个装置特殊真空问题的思路以 储存环真空系统为例 其它参考资料SSRF非真空专业人员解决真空问题 的基本条件和方法 了解点常规真空技术的基本概念和知识， 并有点实践和感性认识。（一点不懂不行 ） 适当了解本装置的总体设计，把握本装置 真空问题的特殊性。（否则抓不住关键） 和真空厂商量特殊真空问题的解决方法， 并实施。（合理利用真
2、空厂力量）真空系统的基本概念（1） 什么叫真空？ 一定范围空间内的气体压强低于大气 压的状态（宇宙和生活中随处可见） 真空区域划分：低、高、超高、极高 这样划分的原因： 根据气流特点（低、高、超高真空踹流 、 粘稠流、分子流）； 不同区域功能不同，所用真空设备不同。真空区域划分及对应真空泵 低真空：105101 Pa RP 中（高）真空：101105 Pa TMP 超高真空：105 109 Pa TMP or SIP 、SIPTSPNEG 极高真空：109 Pa LHeCP+SIP 先弄清你的装置要达到的真空区域要求！真空系统的基本概念（2）2. 常规真空技术的主题：真空容器气源（气 载）抽气
3、（抽速），即真空获得和测量。 真空容器：结构、材料、密封、制造、工艺 如何适应总体、漏气出气少、易加工、经 济？ 气源：空间气体、漏气、渗气、材料表面出 气（热解吸、电子离子光子感应解吸、室壁 体内气体输运到表面）、人为充入的介质气 体如何减少气载、控制气体成分？ 抽气：泵（抽气原理和特性）气体流导（ 抽气通道结构和气体分子运动学）如何提 高抽气能力和效率？真空系统的基本概念（3） 全压强测量和气体成份分析（分压强） 如何提高测量真实性、精度和一致性？ 真空系统控制如何操作真空设备、真空 数据采集和处理、真空联锁保护？ 真空系统的基本组成部分：真空室、泵、 阀、规、电源和控制。 真空系统的其它
4、常用部分：内部机构（复 杂）、H2O/LN2/LHe冷却、电信号出入、 介质气体引入、运动导入等。SSRF真空系统的建造标准 真空系统已发展到全金属无油超高真空系 统 SSRF建造所有真空系统追求的共同标准 全金属无油超高真空系统 全金属无油超高真空系统的概念：系统所 有材料是金属（密封、规管、阀门的改进 ），真空容器内无油分子（无油泵或无油 分子返流），压强达到超高真空。 实际系统有例外：如陶瓷真空室、油旋片 泵、TMP、阀门氟橡胶密封圈、导线绝缘 等。真空室（1）材料 根据总体要求盘点材料选择因数： 机械性能强度、硬度、比重、熔点 真空性能表面氧化层、出气率 导磁率 导热、导电性能 抗辐射
5、性能、防辐射性能 机加性能 焊接性能 成本和采购途径 2. SS、Al合金、Cu合金比较：真空室（2）结构 形状/内部及外围设备装拆空间（设备总体决定 ） 大气压变形/壁厚/加强筋（ANSYS分析变形） 抽气流导（气载分布、流导、压强分布计算） 泵阀规/电极/冷却水/运动传导/观察窗/安装孔 真空室烘烤和冷却/热胀冷缩/支撑点（热负载 温度分布计算、支撑点及自由度、关键部位位移） 安装程序/热胀冷缩/波纹管/松套法兰 支撑/位置调节/准直靶标 吊装点（避免变形、焊缝断裂、翻转） 尺寸精度（机加和焊接变形）真空室（3）加工设计想着如何加工： 机床加工：车、刨、铣、磨、镗、钻（加工中心 ） 切割加
6、工：激光切割、线切割 复杂板金成型：模具/油压机拉伸、模具数控折弯 焊接：氩弧焊、电子束焊、真空钎焊（焊接结构 设计和焊接工装设计） 板金工：成型、校正变形 钳工：装配、焊接配合 表面处理和真空清洗：电抛光、超声波清洗 表面镀镆：真空镀镆、电镀 真空调试：捡漏、烘烤、除气、去磁、抽气、测 量减少气载的技术、工艺和材料 减少漏气 焊接和真空密封 减少热解吸出气电抛光/清洗/清洁/烘烤 减少粒子和室壁相互作用出气粒子清洗 减少体内气体高温除气 减少室壁渗气材料 减少颗粒吸放气减少空间和泵内灰尘 快速降低气载和便于捡漏减少死空间、 留有出气通道、不准双面焊接等 尽量避免暴露大气干燥纯N2预注入真空泵
7、（1）泵的性能特点 极限真空度（泵本身达到最低压强） 抽速曲线（压强抽速） 抽气选择性（对各种气体抽除能力不同） 对混合气体的抽气行为（一种气体影响泵 对另一种气体的抽除） 抽气容量抽速曲线（容量抽速） 标称/有效抽速（有效抽速和泵及流导有关 ） 泵的返油（是否获得无油真空） 泵的震动（影响主体设备工作）真空泵（2）泵的配置原则从泵的性能特点归纳出泵的配置方法： 单一泵极限压强要高于所需系统压强 几种泵组合可获得好于单一泵的真空 应把工作压强时的泵抽速用于计算 应根据系统内的气体成份配置泵 应把泵对各气体成份的抽速用于计算 应把随容量下降到一定量的抽速用于计算 应根据上述评估值结合布泵和流导计
8、算得 到有效抽速值用于计算 气载分布有效抽速分布压强分布的计 算程序真空泵（3）粗略简易配泵法 比照国内外类似装置的布泵 加一点抽速余量，比如20 加其它一种泵更可靠（如SIP+TSP） 如气载均布，泵抽速也均布，多台小泵好 如气载集中，泵靠近气载，距离尽量短 107Pa时泵实际抽速按标称抽速50计 算 预抽分子泵抽速不必很大，前级油泵可用 。 国产SIP/TSP/TMP性价比不低，完全可用 。 规管放置合理，反映真实压强。真空获得的关键（1）1. 真空获得第一关键：不漏气（漏气往往是 真空搞不上去的主因） 漏气种类：焊缝和法兰密封漏气 焊接技术和工艺：材料可焊性、密封性、 贯穿深度、焊接变形
9、、焊缝导磁率、杂质 混入。 法兰密封：密封种类（CF刀口、平面金属 丝、快卸、方刀口）、密封面粗糙度/硬度/ 粉尘、刀口和密封圈变形、配对法兰刀口 一致性、密封操作。 捡漏技术：捡漏仪操作和漏孔寻找和判断真空获得的关键（2）2. 真空获得第二关键：真空清洁（最易疏忽 ） 真空清洗：适用真空室材料和结构的清洗 工艺，超声波和纯净水（去离子水）必须 。 高温真空炉除气最好。 环境卫生极其重要，但极其忽视。 绝不允许脏手套和徒手触摸往往忘记。 真空技术有很强的工艺性和实践性：常驻厂、到现场、多干活、耗时长、积 经验、善判断。真空测量1. 不同规管的测量范围： 低真空规（102Pa）：薄膜规、电阻规、
10、 热偶规 中/高真空规（106Pa）：电离规、冷规 超高真空规（109Pa）：B-A规、冷规 极高真空规（1010Pa）：分离规等 各种规管测量误差：一般20 多个规管测量的零散性和变化：来源于结 构和参数零散性 规管的校准和比对：相对、范围、时段 不求真空测量的绝对准确。真空阀门1. 阀门是连通/隔离不同真空区域的重要部件 。 2. 适用不同真空范围的阀门（结构、材料不同 ）：低真空阀、高真空阀、超高真空阀 适用不同场合（管道结构、高温、低温、高 压、腐蚀性气体、辐射）的阀门： 光源用阀门：全金属角阀TMP，氟橡胶密 封圈门阀超高真空直通，全金属门阀 超高真空直通辐射，全金属RF屏蔽门阀 超
11、高真空直通辐射RF屏蔽，快关闭 阀/全金属直通阀光束线用。 保持阀门性能寿命：防止灰尘、适度密封力储存环真空系统的特殊问题 及其处理方法（1） 高能电子束流和残余气体作用（气体散射 束流寿命韧致辐射）束流通道内 1ntorr阻档和屏蔽韧致辐射 强烈同步辐射光和真空室壁作用（真空室 安全光电解吸气载）吸收器布局和结 构高温除气/3105 l/s泵抽速/SR清洗 束流和真空室作用（镜像电流通路）金 属密封圈、冲击磁铁陶瓷室内壁镀金属膜 、IVU磁铁覆盖镀Ni铜箔储存环真空系统的特殊问题 及其处理方法（2） 束流和真空室内壁作用（真空室阻抗）真 空室内壁连续平滑（屏蔽波纹管/屏蔽门阀/ 台阶/焊缝/
12、缝隙/锥度）、 wiggler SS真空 室内壁镀铜 SR应用（光束引出储存环并输入前端） 吸收器排列和结构、真空室结构、前端、真 空连锁保护 插入件新光源（导致新真空问题：磁铁真空 内、小间隙、束流路径长、和残余气体作用 严重）磁铁和磁极镀TiN、磁铁覆盖镀Ni 铜箔、屏蔽机构、真空室内壁镀NEG和分布 抽气储存环真空系统的特殊问题 及其处理方法（3） 真空设备位置受磁铁/光束线限制（真空设备 结构和真空调试）antichamber、真空室结 构、泵非标结构、不能现场烘烤的抽气工艺 人不准进入隧道（泵/电源和规管/真空计远离 ）TSP/NEG特制电源短距离输送大电流、特 制规管电缆避免离子流
13、信号衰减 真空室外侧SR泄漏（有机材料辐射损伤） 外侧壁材料和结构、水/电/气管道不准穿越 外侧 SR和冷却水管壁作用（辐射损伤腐蚀）去 离子冷却水、冷却水管结构、不同材料的冷 却系统。光束线站真空系统的特殊问题 前端：SR光束引入、韧致辐射防护、对 环真空的联锁保护、前端部件避免SR损 伤、热负载、光电解吸气载等。 光束线：狭缝机构及其冷却、光学元件的 SR热负载/变形/冷却、光电解吸气载、元 件位置调节及运动导入、光学镜面的碳污 染及原位清洗等。 实验站：样品多样性对光束线和环真空影 响、样品导入机构、样品室和储存环的巨 大压强差、样品室内多种信号探测器、样 品室频繁开启、人员防辐射等。其
14、它 对光源真空人员说几句 非真空人员的职业和真空科技的缘份 参考资料光源真空人员做过的某些课题 SIP、TSP、（SIP+NEG）泵研制 Tokamak真空系统、等离子体和壁相互作用 前端、光束线、实验站真空系统和真空联锁 超导wiggler真空、机械、准直 上海EBIT的真空、机械、准直、低温、超导 光源真空系统（铝真空室、不锈钢真空室、 光子吸收器、RF屏蔽波纹管） SR光电解吸研究 Wiggler、EPU、IVU真空、间隙光源真空人员可达工作深度 以插入件真空室NEG镀膜为例（1） NEG镀膜方法选择：离子束溅射？直流和脉 冲磁控溅射？圆柱型磁控溅射？ 特殊镀镆机设计制造：小截面长真空室
15、内 壁镀NEG 镀镆工艺：基底材料表面处理（粗糙度和 清洁度？化学清洗？O2等离子体清洗（期 间CO、CO2的有效抽除）？刻蚀？）；基 底材料温度？Zr/V丝/Ti管制成阴极方法？ 电压/电流参数？膜厚测量和控制？光源真空研究工作的宽度和深度 插入件真空室NEG镀膜为例（2） NEG膜真空性能测试：气体粘滞系数？抽 速吸气量？对混合气体抽速？极限真空 ？热解吸出气率？电子、离子、光子、正 电子感应出气率？二次电子产额？测量方 法？测量设备？测量数据处理？ NEG抽气的不确定性原因分析：对气体不 灵敏？低抽速？低抽气容量？激活工艺？ NEG膜的物理化学分析：膜厚均匀性？ Zr/V/Ti成份、微结构、形态分析（ RBS/EDX/XPS/ XRD/ TEM）光源真空研究工作的宽度和深度 插入件真空室NEG镀膜为例（3）7. NEG抽气/激活过程中表面的物理化学过程 检测和分析：气体吸附能？体内气体输运过 程？ 使用NEG 膜的其它问题：镀膜管的切割
