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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） =,101,325
2、760 760 1.013 1013,帕斯卡 （Pascal），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
3、 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) 10-1 10-4 10-7,Molecules on Surface Molecules on Volume 0.5 500 500,000,1 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,Anode to ground
4、,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,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
5、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 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/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
6、 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
7、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
8、，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
9、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） ，
10、 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
11、射线光束线,SSRF,Electron Linac 150MeV,Booster 3.5GeV，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
12、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 700L/s11，600L/s5 TSP 1000L/s9，
13、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/s 3台 NEG，900L/s 2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触发快阀关闭及储存环踢束，隔离储存
14、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 4400
15、L/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 nmrad Lattice 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
