超高真空技术技术分析.ppt

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） = 101,325 760 760 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 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 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， Pa·L/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， Pa·L/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， Pa·L/s 气源 空间 表面 材料 泄漏 热解吸 物理吸附 E 30 kJ/mol；化学吸附 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 150~300℃真空烘烤,降低H2O、CO、CO2出气率2-4量级 高温真空烘烤400~500℃，促进碳氢化合物分解。 对于烘烤后系统，热出气率为＝5×10-10Pa·L/s/cm2 还有与装置相关的光激发解吸、离子激发解吸等 Torr·L/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