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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,王志山 201206,本次讲座内容,真空基础知识 部分真空设备的原理 真空室 真空获得 光源真空系统 其它,真空基础知识,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 真空区域划分：低、高、超高、极高 划分的原因： 根据气流特点（低、高、超高真空湍流、 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
2、装置要达到的真空区域要求！,2.常规真空技术的主题：真空容器气源（气载）抽气（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？ 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？,部分真空设备的结构与原理,真空泵： 旋片
3、式机械泵 涡旋式机械泵(干泵)工作范围：105Pa10-2Pa,分子泵定子和转子都装有多层涡轮 叶片，转子和定子叶片倾斜面方 向相反。分子泵工作时，转子 高速旋转，迫使气体分子通过 叶片从泵的上部流向下部出口， 从而产生抽气作用。工作范围1Pa108Pa。,溅射离子泵在钛板（阴极）和不锈钢圆筒（阳极）间加上37kv高压，通过磁场作用，空间中的自由电子产生潘宁放电，轰击钛板，打出的钛原子沉积在阳极筒及和阴极板上，气体分子碰撞到新鲜钛膜产生化学吸附，形成稳定的化合物而产生抽气作用。工作范围：103Pa108Pa。,锆铝吸气剂泵它是由锆铝合金材料（84锆、16铝）在高温下激活后吸附活性气体的泵。工作
4、范围：106Pa1010Pa。,真空泵（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
5、计算 应根据上述评估值结合布泵和流导计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 根据不同真空度时泵实际抽速计算 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。,真空测量,低真空规（热传导规）将规管中的一根张紧的金属丝通以电流加热，在热平衡时，输入的能量为辐射传热量、引线传热量和气体传热量之和。前两项为定值，最
6、后一项与与气体压力成正比（低气压下）。通过电阻的变化得到相应的真空度。常用的有热偶规与电阻规（皮拉尼规）。测量范围105Pa10-1Pa。,高真空规通过热（冷）阴极放电，产生自由电子，电子在电、磁场作用下与气体分子碰撞，再产生正离子与电子。在低气压下，气体分子被电离所生成的正离子数与气体分子密度成正比。通过测量正离子数而得到相应的真空度。常用有热阴极规和冷阴极规。测量范围10-1Pa10-11Pa。,四极质谱仪四极质谱仪是根据不同荷质比的离子在直流高频四极分析场中运动轨迹的稳定与否来实现质量分离的。通过测量得到不同成分气体的分压。,离子的判别,真空测量,不同规管的测量范围： 低真空规（102P
7、a）：薄膜规、电阻规、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（1011Pa）：分离规、磁控规 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 不求真空测量的绝对准确。,真空阀门,阀门是连通/隔离不同真空区域的重要部件。 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屏蔽门阀超高
8、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,真空检漏,检漏方法： 压力检漏法 水压法 气泡法 卤素检漏法 氦质谱检漏仪吸枪法 真空检漏法 真空规检漏法 氦质谱检漏法 四极质谱检漏法,氦质谱检漏仪： 1 MS：质谱仪，氦传感器（180磁质谱仪） 2 涡轮分子泵（TMP，提供MS中的高真空条件） V1aV8：电磁阀（用于控制气流） 涡旋泵（为涡轮分子泵提供前级压强和试件抽空） 被检容器四极质谱仪：可在线检漏,真空室（1）材料,根据总体要求确定材料的选择： 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 抗辐射性
9、能、防辐射性能 机加性能 焊接性能 成本和采购途径,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） 切割加工：激光切割、线切割 复杂板金成型：模具
10、/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,真空获得,根据气载大小及分布合理配置真空泵 真空
11、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、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。 检漏技术：捡漏仪操作和漏孔寻找和判断,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
12、时长、积经验、善判断。,SSRF真空系统（储存环）,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。,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） 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
13、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/缝隙/锥度） 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）anticha
14、mber、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。,真空室： 材料：铝、铜、不锈钢结构：磁铁孔径、抽气通道、高频阻抗在保证真空室强度同时考虑安装、支撑的情况下，尽可能减小磁铁孔径，真空室通道分为两部分束流通道和抽气通道。束流截面要保持一致性且在真空室连接处不能有台阶。抽气通道上可开抽气口及吸收器安装口。真空
15、室内有冷却水管道。,泵的选择：主泵采用离子泵，并配有NEG及升华泵。预抽使用无油分子泵机组。 真空测量：选用热规进行真空测量，测量极限510-11 Torr。 阀门与波纹管：均需采用高频屏蔽结构。 同步光吸收：根据光路计算，在合适的位置安装吸收器，用以阻挡同步光打到真空室上。,插入件真空系统：,要考虑的问题： 磁块放气磁块表面镀膜 束流通道连续性前后两端加过渡节 真空度控制材料放气，加工、安装过程严格保证真空卫生，合理配置真空泵,安装前预调试,每个单元8段真空室分成3部分组装，并安装真空泵进行检漏、烘烤，达到要求的真空指标后整体吊装进隧道就位后贯通。尽量减少暴露大气时间。,其他,光源真空人员的
16、目标知识面 目标知识面和系统集成能力： 真空机械一体化 真空低温一体化 机械电器一体化 工程物理一体化 技术人文一体化,涉及真空的书刊、杂志、文集,书刊：国内外“真空设计手册”、真空专业教科书、真空科技专著 真空科技杂志：国内：“真空”、“真空科学与技术”、“真空电子”、“真空与低温”、“核技术”国际：J.V.S.T、Vacuum等各国的“真空” 3. 涉及真空科技的期刊文集：Review of Sci Instr、核技术、表面科学、纳米等，各种会议和workshop（加速器会、真空会）文集,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。 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。（抓住关键） 和真空厂商量特殊真空问题的解决方法，并实施。（合理利用真空厂力量）,谢谢,
