超高真空技术

1、粒子加速器粒子加速器超高真空技术超高真空技术SQP 殷立新殷立新上海应用物理研究所上海应用物理研究所加速器中粒子运行的基本环境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 超高真空基本知识超高真空基本知识压强压强气载气载抽速抽速 加速器真空技术加速器真空技术同步辐射光源同步辐射光源其它类型加速器其它类型加速器 总结总结目录目录超高真空基本知识超高真空基本知识关于关于 P 真空真空基本概念基本概念 真空划分真空划分 常用单位常用单位 一些数字概念一些数字概念 真空测量真空测量 全压强全压强 分压强分压强 真空真空：低于大气压的稀簿气体状态低于大气压的稀簿气体状态 压

2、强：压强： 气体分子作用于容器壁的单位面积上的力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碰撞所飞越的平均距离 粘滞流：气体分子间碰撞为主粘滞流：气体分子间碰撞为主 分子流：气体分子与容器壁碰撞为主分子流：气体分子与容器壁碰撞为主TknPClPln1dl01. 0dl基本概念基本概念常用单位常用单位1 标准大气压（标准大气压（atm） =101,3257607601.0131013帕斯卡帕斯卡 （Pascal），国际单位），国际单位毫米汞柱毫米汞柱 （millimeter of merc

3、ury)乇乇 （Torr），美、亚洲），美、亚洲巴巴 （bar）毫巴毫巴 （millibar），欧洲），欧洲1 Torr = 1.33 mbar = 133 Pa 粗真空：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：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：超高真空： 10-5 to

4、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真空划分一些数字一些数字概念概念Pressure(Pa)10-110-410-7Molecules on SurfaceMolecules on Volume0.5500500,0001 标准大气压（标准大气压（atm） 1 kgf/cm2Pressure(Pa)Molecular Density(molecules/cm3 )Molecular Incidence(molecules/cm2/s

5、ec.)Mean FreePath(cm)MonolayerFormation Time(sec)atm2.49 x 10192.87 x 10233.9 x 10-61.7 x 10-9 1331.3310-11.3310-41.3310-71.3310-103.25 x 10163.25 x 10133.25 x 10103.25 x 1073.25 x 1043.78 x 10203.78 x 10173.78 x 10143.78 x 10113.78 x 1085.1 x 10-35.15.1 x 1035.1 x 1065.1 x 1092.2 x 10-62.2 x 10-32.

6、22.2 x103 (37 min)2.2 x 106 (25.5 days)真空测量真空测量 全压强全压强 冷阴极真空计冷阴极真空计 热阴极真空计热阴极真空计 电阻真空计电阻真空计Anodeto groundCathode-2kVMagnet真空测量真空测量 分压强分压强 四极质谱计四极质谱计关于关于 Q 基本概念基本概念 气源气源 空间空间 表面表面 材料材料 泄漏泄漏 措施措施 材料选择材料选择 结构设计结构设计 加工加工 表面处理表面处理 检漏检漏基本概念基本概念 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

7、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气源气源 空间空间 表面表面 材料材料 泄漏泄漏热解吸热解吸 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 15

8、0300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 1 hour 10 hours 24 hrs untreated degreased polished baked Aluminum (anodized) 3x10-5 3x10-7 8x10-8 3x10-5 3x10-5 N/A 5x10-10 Aluminum 8x10-7 5x10-8 1x10-10 8x10-7 1x10-8 1x10-8 5x10-13 Brass 2x10

9、-6 6x10-7 1x10-7 1x10-6 1x10-6 8x10-6 N/A Beryllium 1x10-6 5x10-7 1x10-9 1x10-6 5x10-7 1x10-6 N/A Copper 1x10-7 5x10-9 1x10-10 1x10-7 1x10-8 1x10-9 1x10-12 Copper (OFHC) 8x10-9 2x10-9 3x10-11 8x10-9 8x10-9 5x10-7 1x10-12 Delrin 6x10-6 1x10-7 7x10-7 6x10-6 not available not available 8x10-7 Lead 1x10

10、-7 2x10-8 4x10-9 1x10-8 5x10-8 1x10-8 N/A Mild Steel 2x10-6 2x10-7 3x108 2x10-6 5x10-7 5x10-8 5x10-10 1018 Steel (Ni plated) 2x10-6 5x10-7 1x10-8 not available not available not available not available Gold Sheet 8x10-8 not available 5x10-9 8x10-8 1x10-8 not available not available Titanium 1x10-9 n

11、ot available 5x10-10 1x10-9 not available not available 2x10-12 Stainless steel 5x10-8 1x10-8 1x10-10 7x10-8 1x10-9 5x10-9 3x10-13 TorrL/s/cm2材料选择材料选择 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 不锈钢不锈钢 300系列：304、304L、316、316L、316LN 铝合金铝合金 6061-T6、 5083 H321 铜铜 无氧铜、Glidcop、铍青铜 黄铜 (超高

12、真空禁用 ！) 陶瓷陶瓷 氧化铝陶瓷（95瓷、99瓷），兰宝石等 其它其它 钼、钛、铍、钨铁镍合金、可伐 不能使用不能使用 含锌、镉、铅、硫、氟、硒的材料 结构设计结构设计 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 结构设计例结构设计例制造工艺制造工艺 加工加工 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

13、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）制造工艺制造工艺 清洗清洗 物理清洁物理清洁：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 脱脂脱脂：蒸汽脱脂、浸泡脱脂或二者结合使用 化学清洗化学清洗：使用酸、碱性溶剂的清洗 冲淋冲淋：从元件顶部开始，初始可用流动的常规水，最后用去离子水 烘干烘干：经150C、大气下烘箱烘干 包装包装：正确包装以保证运输、储存过

14、程中不受损坏，不被污染制造工艺制造工艺 标记标记 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、公差制造工艺制造工艺 组装组装 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

15、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任何情况下禁止直接或间接污染真空表面 ！检漏检漏 可能位置可能位置 焊缝焊缝 裂纹裂纹 法兰法兰 冷、热漏冷、热漏 虚漏虚漏 工作介质管道工作介质管道氦质谱检漏氦质谱检漏RGA检漏检漏孔径大小孔径大小漏率漏率0.01mm（头发丝粗）（头发丝粗）1 Pa.L/s10-10m（1埃）埃）10-10 Pa.L/s关于关于 S 基本概念基本概念 真空获得真空获得 吸附型吸附型 离子泵离子泵 升华泵升华泵 非蒸散吸气剂非蒸散吸气剂 输运型输运型 机械泵机械泵 分子泵分子泵基本概念基本概念 名义抽速：名义抽速：在一定的压强

16、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：流导：表示真空管道通过气体的能力。 有效抽速：有效抽速：泵在容器排气口处的实际抽速。 对于对于20氮气，分子流状态下：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)aCbCcCcbaCCCC11111pSCS11111)/(01PPQC抽气管道：短抽气管道：短 ！粗！直！粗！直！真空获得真空获得 吸附型真空泵吸附型真

17、空泵 离子泵离子泵SIP 升华泵升华泵TSP 非蒸散吸气剂非蒸散吸气剂NEG 输运型输运型 机械泵机械泵RP 分子泵分子泵TMP超高真空获得过程超高真空获得过程012243648607284961081201321441561681E-111E-101E-91E-81E-71E-61E-5 规 管TSP 除 气SIP +TSP 抽 气 极 限 真 空 度TSP 升 华TSP 除 气 升 华室温后48小时室温后24小时降至室温开 始降温 启 动SIP150 烘 烤 过 程 P1（VARIAN1#） P2（VARIAN2#） P3（VARIAN3#）Pressure (Torr)time (hou

18、rs) 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粒子加速器真空技术同步辐射光源真空系统同步辐射光源真空系统电子储存环电子储存环前端区前端区光束线与实验站光束线与实验站软软X射线光束线射线光束线硬硬X射线光束线射线光束线SSRFElectron Linac Electron Linac 150MeV150MeVBoosterBooster3.5GeV3.5GeV，C=180mC=180mStorage RingStorage Ring 3.5GeV3.5GeV，C

19、=432mC=432mBeamlinesBeamlines电子束流寿命电子束流寿命NNeot11111qTRGSion 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 ncRGS1 2ZP1E-91E-81E-71E-60.1110100 B C E I TLifetime (hours)Pressure (Torr)电子储存环要求电子储存环要求

20、 110-7 PaPa的清洁超高真空环境的清洁超高真空环境光激发解吸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 QpRN.nD0S RE D T S PA b真 空 室静态压强: 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

21、: 430kW 热负载; 气载.每单元总抽速 : 2104 L/s.SIP+NEG 700L/s11，600L/s5 TSP 1000L/s9，600L/s1，200L/s1储存环超高真空系统参数储存环超高真空系统参数真空室与压强分布真空室与压强分布真空元件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前端区真空系统020004000600080001E-101E-91E

22、-81E-7operation with SRPS1 downoperation without SRpressure(torr)distance(mm)Operation without SR 模式PS1 down 模式Operation with SR模式时间时间束流束流mA真空度真空度1 （Pa）真空度真空度2（Pa）2011-12-2605.210-84.910-82011-12-302007.710-86.710-8前端区压强分布前端区压强分布真空控制与联锁真空控制与联锁真空保护真空保护 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，隔离储存环与光束线真空 前端慢保护系统

23、：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真空控制界面光束线站真空要求光束线站真空要求 前端区前端区 与储存环接口， 110-7 Pa 光学元件光学元件 避免表面污染 镜面、光栅： 510-7 Pa 晶体： 510-5 Pa 提供绝热环境 同步辐射同步辐射 真空紫外光需要在真空中传播 样品样品 依据情况，atm 110-8 Pa光束线站真空状态远比光束线站真空状态远比加速器复杂，要求加速器复杂，要求atm atm 110-8 PaPa的清洁的清洁超高真空环境。超高真空环境。不同压强环境间需过渡：不同压强环境间需过渡： 差分差分 隔离隔离约 26

24、m同步辐射光联接实验站单色器前置镜箱后置镜箱软软X射线光束线站射线光束线站 13 13台台 溅射离子泵，总抽速溅射离子泵，总抽速 4400L/s4400L/s 10 10只只 冷阴极电离规冷阴极电离规 9 9只只 超高真空阀门超高真空阀门号泵号泵阀门3吸收器的细管柱面聚焦镜镜箱入射光阑阀门47号泵8号泵阀门5单色器超环面聚焦镜镜箱出射光阑阀门69号泵铍窗精密出射狭缝安全光闸号泵号泵号泵号泵狭缝的管道吸收器的细管号泵前端区隔离阀阀门1荧光靶阀门24号泵号泵P7=3.9E-9torr时间时间束流束流mA真空度真空度1Pa真空度真空度2Pa真空度真空度3 Pa真空度真空度4（前置镜）（前置镜）Pa真

25、空度真空度5（单色器）（单色器）Pa真空度真空度6Pa真空度真空度7Pa真空度真空度8Pa2011-12-2603.710-84.310-83.610-85.110-88.610-85.210-83.210-81.110-72011-12-302005.110-84.510-86.910-81.910-72.510-75.710-83.510-81.110-7软X光束线光栅单色器510-8 Pa真空系统真空系统硬硬X射线光束线站射线光束线站聚焦镜液氮单色器SRCollimating MirrorSIP2400L/sDCMSIP3200L/sSIP4200L/sSIP1400L/sSIP5400

26、L/sSIP6600L/sSIP7400L/sFocusing MirrorSIP8200L/sSIP9200L/sSIP10400L/sSIP11200L/sSIP12400L/sRejection MirrorSIP13400L/sBe WindowG1G2G3G4Be WindowG5G6G7G8G10V1V2V3V4V5V6V7V8V9G9trigger to close V2 & photon shutter 1(in the front end)trigger to close valve( in the front end) & fast close shutte

27、r ( in the front end)液氮冷却双晶单色器Pressure: 210-5Pa1号泵阀门1铍窗2号泵水冷四刀狭缝阀2单色仪挡光器的扁管33号泵阀31.84号泵铍窗荧光靶单色光狭缝,4 1.1阀4前置准直镜5(1)号泵5(2)号泵丝扫描8号泵阀67号泵光子光闸单色光狭缝荧光靶铍窗阀56号泵第一真空段 第二真空段第三真空段第四真空段第五真空段第六真空段真空系统真空系统 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（新一代电子储存环真空技术（MAX-MAX-） 物理设计及对真空系统的要求物理设计及对真空系统的要求束流发射度

28、：束流发射度：0.2 nmradLattice 设计：设计： MBA；强多极场梯度。工程挑战：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小孔径真空室结构小孔径真空室结构d255真空室真空室NEG镀膜（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正电子储存环真空室 电子云效应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

29、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 阱型结构直线加速器真空度 6.510-6Pa束流清晰区(加速管) 18mmFEL辐射段真空度 110-5Pa束流清晰区(波荡器) 15(H)6(V)mm2阻抗束流通道连续、平滑过渡真空室内表面低电阻表面粗糙度 300nm 自由电子激光装置真空系统（自由电子激光装置真空系统（DCLSDCLS）真空系统与真空室真空系统与真空室快循环质子同步加速器真空系统（快循环质子同步加速器真空系统（CSNSCSNS） 束流物理对真空系统的要求束流物理对真空系统的要求真空要求： 1.3310-6 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 真空室真空室TiN镀膜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（重离子储存环真空系统（HIRFL-CSRmHIRFL-CSRm） 束流物理对真空系统的要求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： 3.5