超高真空技术

Gold Sheet
8x10-8
Tຫໍສະໝຸດ Baidutanium
1x10-9
Stainless steel
5x10-8
10 hours >24 hrs
3x10-7 8x10-8
5x10-8 1x10-10
6x10-7 1x10-7
5x10-7 1x10-9
5x10-9 1x10-10
2x10-9 3x10-11
1x10-7 7x10-7
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
➢ 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
一些数字概念
1 标准大气压（atm）≈ 1 kgf/cm2
粒子加速器 超高真空技术
PQ S
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
目录
➢ 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
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
基本概念
➢ 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
ld0.01
1 Torr = 1.33 mbar = 133 Pa
真空划分
➢ 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
1 hour
Aluminum (anodized) 3x10-5
Aluminum
8x10-7
Brass
2x10-6
Beryllium
1x10-6
Copper
1x10-7
Copper (OFHC)
8x10-9
Delrin
6x10-6
Lead
1x10-7
Mild Steel
2x10-6
1018 Steel (Ni plated) 2x10-6
Pressure (Pa) 10-1 10-4 10-7
Molecules on Surface Molecules on Volume 0.5 500 500,000
Pressure (Pa)
atm
133 1.33×10-1 1.33×10-4 1.33×10-7 1.33×10-10
Molecular Density (molecules/cm3 )
2.49 x 1019 3.25 x 1016 3.25 x 1013 3.25 x 1010 3.25 x 107 3.25 x 104
Molecular Incidence (molecules/cm2/sec.)
2.87 x 1023 3.78 x 1020 3.78 x 1017 3.78 x 1014 3.78 x 1011 3.78 x 108
➢ 分子流：气体分子与容器壁碰撞为主
ld1
P nkT n l P l C
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
真空测量
➢ 全压强
➢ 冷阴极真空计 ➢ 热阴极真空计 ➢ 电阻真空计
Cathode -2kV
Anode to ground
Magnet
真空测量
➢ 分压强
➢ 四极质谱计
➢ 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
关于 Q
2x10-8 4x10-9
2x10-7 3x108
5x10-7 1x10-8
not available 5x10-9
5x10 not available
-10
1x10-8 1x10-10
untreated degreased
3x10-5 3x10-5 8x10-7 1x10-8 1x10-6 1x10-6 1x10-6 5x10-7 1x10-7 1x10-8 8x10-9 8x10-9 6x10-6 not available 1x10-8 5x10-8 2x10-6 5x10-7
Mean Free Path (cm)
Monolayer Formation Time
(sec)
3.9 x 10-6 5.1 x 10-3
5.1 5.1 x 103 5.1 x 106 5.1 x 109
1.7 x 10-9 2.2 x 10-6 2.2 x 10-3
2.2 2.2 x103 (37 min) 2.2 x 106 (25.5 days)
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
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