Вакуумная система бустерного ускорителя.

Вакуумная система
ускорителя.
Вакуумная схема ускорителя
(старая)
Состав вакуумной системы
• 1.Высоковакуумные насосы НМД-0.4 –48 шт.
•
НМД-0.63 – 3шт.
•
НМД-0,4 с нераспыляемым геттером -3 шт.
• 2Турбомолекулярные насосы ТМН-500 --4шт.
• 3.Форвакуумные насосы используются совместно с
ускорителем У-10.
• 4.Высоковакуумные затворы 8шт.
• 5.Датчики измерения давления -4 шт.
• Масспектрометры -1шт.
• 5.Система питания насосов.
Ток насосов НМД 2009-2011г.
Прогрев вакуумной системы
01-02.2011
Парцильные давления до прогрева
Изменение парциального давления
во времени
Парциальные Давления
Масспетрометр e-Vision
Модернизированная вакуумная система
синхротрона УК.
Состав вакуумной системы
1.Магниторазрядные насосы CVX L300
1а. Магниторазрядные насосы TR L300
2.TSP Модули
3. Турбомолекулярные насосы
HiPace2300
4.Форвакуумные насосы Hepta
5.Вакуумные датчики среднего вакуума
PBR280,PKR251
6.Вакуумметр Mаxigauge
7.Холоднокатодные датчики CFKS
8.Ионизационные датчики ETI
9.Масспектрометры
63 шт.
21шт.
63шт.
4шт.
4шт.
4+4шт.
2шт.
14шт.
4шт.
2шт.
период1
Расчетные параметры давления по длине вакуумной камеры 1
суперпериода
Расчетные параметры давления по длине вакуумной камеры 1
суперпериода
Вакуумные Насосы
Магниторазрядные насосы
Магниторазрядный насос
Принцип работы
магниторазрядного насоса
Типы элементов магниторазрядных насосов
Элемент CV
Элемент DI
Элемент TR
Типы элементов магниторазрядных насосов
CV - диодный элемент с титановыми пластинами, предназначен для откачки реактивных газов, не
качает инертные газы, обладает наибольшей скоростью откачки;
DI – комбинированный диодный элемент с титановой и танталовой пластинами, предназначен для
откачки реактивных и инертных газов, обладает высокой стабильностью разряда, имеет немного
меньшую скорость откачки по сравнению с CV-элементом;
TR - триодный элемент со щелевыми титановыми пластинами, предназначен для откачки реактивных
и инертных газов, имеет более высокое давление запуска, но меньшую скорость откачки по сравнению с
DI-элементом.
Контроллер магниторазрядного насоса
Титан сублимационный насос
Характеристики геттеров
Характеристики геттеров
Неиспаряемый геттер
• ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ
•
•
Процесс вакуумирования NEGом осуществляется с помощью химической реакции.
Активные молекулы газа, падают на чистую металлическую поверхность сорбционного
материала. Чистой металлической поверхностью считается поверхность, без окислов
или карбидов , которые образовываются, когда сорбционный материал подвергается
воздействию воздуха при производстве, установки или удаления воздуха шаги.
Метод, используемый для получения этой чистой металлической поверхности отличает
не испаряемых сорбционные насосы от других: сорбционный материал не должен
испаряться, как и титан, в титан сублимационных насосах. Он только нуждается в
подогреве, в рамках динамического вакуума,чтобы рассеять пассивационный слой,
покрывающий поверхность геттера. Пассивированный слой состоит, главным образом
из оксидов и карбидов. Процесс термической обработки, называется активацией.
Неиспаряемый геттер
Рисунок 1 - Схематическое представление
процесса активации для NEG.
Газы откачиваемые неиспаряемыми геттерами
• 1.Водород и его изотопы.
• 2.CO,углекислый газ,азот,кислород.
• 3.Вода ,
Водород
• Водород не образует стабильное соединение со сплавом геттера, но
быстро диффундирует в массу геттерного материала, где он хранится в
виде твердого раствора.Концентрация водорода внутри геттерного
сплава соответствует равновесному давлению водорода, которая
сильно зависит от температуры.
Другие Активные Газы(N2,O2,CO,Co2)
• Другие активные газы, такие как окись углерода, двуокись углерода,
азот и кислород, хемосорбируются необратимо . Химические связи
молекулы газа сначала разбивается на поверхности геттера, а затем
составные элементы сорбируются как атомы, образуя окислы,
карбиды и нитриды. Прочность химических связей между геттером и
этими элементами настолько сильны, что даже если сорбционный
материал нагревается до температур порядка 1000 0С, эти газы не
выбрасываются в вакуум. Наоборот, высокая температура ведет к
диффузии газовых соединений в материал геттера, очищается
поверхность для последующей сорбции.
Редкие Газы
• Редкие газы - не сорбируется неиспаряемым геттером.
Что может откачивать NEG
Что не откачивает NEG
Что NEG делает
Снижает десорбцию газа:
Пленка чистого металла толщиной около 1-мкм
без вредных примесей.
Барьер для молекул в
объем вакуумной камеры.
Увеличивает распределенную
скорость откачки, S:
сорбирующая поверхность на всей
поверхности вакуумной камеры
S = α*A*v/4;
где α- вероятность прилипания,
A - площадь поверхности,
v - молекулярная скорость
Процесс активации NEG
Материалы для геттеров
Свойства откачки металлов
Zr лучший:
Низкие температуры активации и
высокая емкость.
Hf
Ti
V имеет наибольшую температуру
активации.
Свойства откачки композиций из двух металлов
Zr-V является лучшим
Ti-Zr температура активации
ниже, чем для Ti-V
Zr-Hf не был изучен
Откачные свойства тройных сплавов
Hf-Zr-V, Ti-Zr -Hf ,Ti-Hf-V сопоставимы
Ti-Zr-V имеет наивысшую температуру активации.
Типы неиспаряемых геттеров.(SAES-Getters)
St707 Полосы с
геттером
толщиной г около
70 мкм с каждой
стороны полосы
Геттерные
модули
(предназначе
нные для
максимилиза
ции откачки
водорода.
насосы-катриджи
смонтированные на CF
фланцах
Осаждение пленок геттера
•
Планарное магнетронное распыление
Параметры распылительной системы
Магнитное поле 500 Gauss
DC источник 3кВт U=500В I=0,14A/m
Давление Kr -10-2mbar
Цилиндрическое магнетронное распыление
Проволока диаметром=2мм
Осаждение пленок геттера
•
Оба вида ,как DC распыление и магнетронное DC распыление исследовались. Скорость осаждения при DC
распылении была намного ниже, чем у DC магнетронного распыления, поэтому остановились на DC магнетронном
распылении . Перед нанесением, кремниевых подложек были обезжирены ультразвуком и очищенную в ацетоне и
этилового спирта. Затем они были, промыты в разбавленном растворе HF, промывают деионизированная вода и
высушены путем продувки азотом. После напыления подложки были проанализированы с XPS, EDX, SEM и XRD (Cu,
Ka излучением). Оптимальная температура подложки в процессе осаждения 250 0С, что повышает шероховатость и
пористость TiZrV покрытий . Но шероховатая поверхность пленки может больше адсорбировать кислорода после
циклов напуска воздуха-активации и, таким образом, приводит к преждевременному старению. Следовательно,
оснований для преднамеренного подогрева в процессе напыления не было и температура колебалась от 70 0C до
180 0С взависимости от тока распыления тока. Температура TiZrV мишени, из витой проволоки, может быть выше,
чем их температура плавления из-за бомбардировки ионами Ar+, поэтому ток разряда должен быть достаточно
низким, чтобы предотвратить термического испарения мишени. На рис. показаны микрофотографии TiZrV пленки
полученные при токе разряда-0.3А и 0.2A. XPS (рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия)анализ показал, что
состав поверхность была Ti 25 %, Zr 48 %, и V 27.%.
Фотографии пленок геттера Ti-Zr-V
• Столбчатый
•
Лучший для откачки
Плотный
Лучший кандидат на барьер
Установка для напыления NEG в
GSI
Очистка вакуумной камеры
Процесс очистки для разных давлений
• 1 бар
1.промывка в горячей воде.
2.Очистка моющими средствами.
• 1 мбар
1.Промывка горячим моющим средством.
• 10-6 мбар
1.Ультразвуковая очистка в моющем средстве.
2.Промывка в горячей дистиллированной воде.
• 10-9 мбар
1.Ультразвуковая очистка в горячем растворителе.
2.Очистка в парах растворителя.
3.Промывка в горячей деионизованной воде.
4.Прогрев в вакууме при 200 ОС
Информация
Скорость газовыделения
Q(mbar*l/sec*sm2
Чистая сталь
9.3E-14
Не загрязненная, очищенная в трихлорэтилене
7.9E-13
Загрязненная, очищенная в трихлорэтилене
9.3E-13
Загрязненная,очищенная в Lenium
2.8E-12
Загрязненная, очищенная в Leksol
9.3E-14
Загрязненная, очищенная в Novec HFE
7.5E-13
Загрязненная, очищенная в IPA
7.5E-13
Загрязненная, очищенная в Micro 90
3.7E-13
Загрязненная, очищенная в Lancerclean
4.6E-12
Очистка вакуумной камеры
Нагрев как традиционное средство удаления с поверхности слоев адсорбата для
ЭФУ недостаточен. Причина этого коренится в эксплуатационных особенностях
вакуумного тракта, прежде всего, в интенсивном облучении стенок. Средняя
энергия частиц, бомбардирующих стенку, в зависимости от типа ЭФУ составляет
десятки и сотни электронвольт. Она намного превышает энергию связи даже
хемосорбированных газовых атомов (около 10 эВ) и, тем более, энергию связи
физически адсорбированных газов (доли электрон вольта). Поэтому падающие
на стенку потоки излучении вызывают массовый разрыв связей сорбата с
твердым телом, разрушают оксидные и гидрокарбонатные пленки и приводят к
окислению содержащихся в металле атомов углерода, серы, других примесей с
образованием летучих компонент. В результате в вакуумную систему поступают
.
мощные потоки радиационно-стимулированного газовыделения Между тем
даже длительное предварительное высокотемпературное обезгаживание ВС
затрагивает исключительно адсорбированные слои и не может поэтому в
заметной степени предотвратить формирование потоков стимулированной
десорбции в эксплуатационных режимах.
Факторы ограничивающие вакуум
Газовыделение
Очистка вакуумной камеры
Если в прогретой камере из нержавеющей стали
при давлении 10-9 Па фиксируются обычно только Н2 (~82%) и следы СН4 ( 4%), СО ( 9.5%) и
СО*, то воздействие на стенки синхротронного излучения резко увеличивает долю
углеродсодержащих компонент:в масс-спектре идентифицируются , наряду
с Н2 (31%), СН4 (7%). СО (24%) и С02 (38%). Абсолютная величина десорбционных потоков
возрастает более чем на три порядка.
Таким образом, для эффективной тренировки вакуумных систем ЭФУ необходимо сочетать
традиционные методы физико-химической очистки поверхности, термическое
обезгаживание и обработку стенок быстрыми частицами либо электромагнитным
излучением.
Очистка вакуумной камеры
Типичная процедура предварительной физико-химической очистки сверхвысоковакуумных
камер включает следующие этапы:
1. удаление с поверхности посторонних механических включений и масляных пленок;
обезжиривание в парах трихлорэтилена (С2Сl3Н), перхлорэтилена (С2Сl4). фреонов либо
других растворителей;
2.ультразвуковая очистка в щелочном моющем растворе;
3. промывка в холодной дистиллированной воде;
4. сушка в потоке чистого воздуха при температуре 150° С.
Эта процедура оптимальна для аустенитной нержавеющей стали, титана и его сплавов и
меди, загрязненных машинным маслом и смазками.
Поверхностные слои образца в исходном состоянии (до очистки) содержат, в основном,
атомы углерода в свободном состоянии н в виде различных гидрокарбонатов и тяжелых
углеводородных молекул (свыше 80%). Наблюдаются также сера, хлор, кальций и натрий.
Кислород существует в виде оксидов металлов, адсорбированных пленок паров воды и
оксидов углерода. Атомы железа, хрома и никеля, т. е. основных компонентов металла,
скрыты под слоем загрязнений и примесей.
Очистка вакуумной камеры
Коэффициенты ионно-стимулированного
газовыдслснии с поверхности образца из
аустенитиой нержавеющей стали как
функция его температуры
Очистка вакуумной камеры
Наибольшей эффективностью очистки характеризуется тлеющий разряд, возбуждаемый
непосредственно в вакуумной камере, заполненной инертным газом. С этой целью обычно
используют аргон при давлении около 1,3 Па. Бомбардируя стенку, положительные ионы
аргона разрушают оксидные пленки, гидрокарбонаты, другие поверхностные включения,
формируя атомарно чистую поверхность. Происходят также частичная имплантация
падающих ионов и распыление стенки.
После прекращения разряда имплантированные атомы, диффундируя к поверхности,
создают остаточный десорбционный фон.
Для его подавления обработанную в разряде камеру прогревают в течение нескольких
часов при максимально возможной температуре, проводя одновременно ее откачку.
Динамику этого процесса характеризуют следующие данные. Сразу после прекращении
разряда, осуществлявшегося при температуре камеры 300° С, удельная скорость десорбции
аргона близка к 10 -8 м3 Па/ (с-м2). Последующая 10-часовая выдержка камеры при 350° С
снижает ее почти на порядок. Если после этого камеру охладить до комнатной
температуры, скорость десорбции падает до 1*10-12 м3*Па/ /(с*м2). Для удаления аргона
вместо прогрева можно использовать тлеющий разряд в гелии.
Скорость очистки в тлеющем разряде возрастает с увеличением атомной массы
бомбардирующих ионов. Именно поэтому аргон как рабочий газ предпочтительнее гелия и
неона. Применение более тяжелых криптона и ксенона ограничивается только их
стоимостью.
Очистка вакуумной камеры
При очистке в тлеющем разряде даже предварительно прогретой камеры могут
наблюдаться резкие всплески давления, свиде-тельствующие о стимулированной
десорбции газов из тех состояний, которые характеризуются повышенной энергией связи.
Поэтому очистку разрядом желательно совмещать с прогревом до ~300°С. Основной
компонент десорбирующихся газов —оксид углерода; в масс-спектре присутствуют также
Н2, С02 и СН4.
Важно еще одно обстоятельство. Как показывает практика, аргонная обработка
нержавеющей стали формирует на поверхности структуру, весьма устойчивую к
последующим контактам с атмосферой. Концентрация примесных компонент на
поверхности обработанной в разряде камеры даже после нескольких экспозиций в воздухе
лишь немногим превышает начальный уровень.
Процесс очистки вакуумных
деталей ускорителя.
Процесс
реагент
1.Промывка после механической
обработки в углеводородных
растворителях.
ацетон
бензин
2.Электрополировка
3.Промывка после механической
обработки в углеводородных
растворителях.
ацетон
бензин
4.Промывка в горячей воде
высокого давления
(приблизительно 80°C)
Дистиллированная вода
5.Промывка в паре
трихлорэтилена в течение по
крайней мере 15 минут
трихлорэтилен
Процесс очистки вакуумных
деталей ускорителя.
Процесс
реагент
6.Промывка в горячей воде
высокого давления
(приблизительно 80°C)
дистиллированная вода
7.сушка горячим воздухом
8.Промывка в ультразвуковой
ванне горячего (60°C)
щелочного обезжиривающего
средствоа
Щелочь.
9.Промывка в горячей воде
высокого давления
(приблизительно 80°C) с
ультразвуком
дистиллированная вода
10.Сушка с чистым сухим
горячим воздухом.
Процесс очистки вакуумных деталей ускорителя.
Процесс
реагент
11. Прогрев в вакууме при 250°C в
течение 24 часов, используя
безмасляную систему откачки.
12.Охлаждение до комнатной
температуры при откачке.
13.Очистка в тлеющем разряде
Ar-90%,O2-10%
при T=300 C P=3Pa
Ar-90%,O2-10%
14.Прогрев в вакууме при 250°C
в течение 24 часов, используя
безмасляную систему откачки
15.Охлаждение до комнатной
температуры при откачке
16.Напуск сухого азота или
вакуум.
N2
Схема измерения давления ускорителя.
Схема измерения давления
ускорителя.
Датчики давления
Датчики измерения низкого давления
Датчики измерения низкого давления
Датчики измерения сверхнизкого давления
Модульный вакуумметр на
микропроцессорной основе с двойным
дисплеем и возможностью установки в
половину 19-ти дюймовой стойки, заменяет
целый ряд инструментов, предназначенных
для различных функций и диапазонов.
Используя базовый блок, модули датчиков,
датчики и кабели Вы можете создать
измерительную систему, идеально точно
отвечающую вашим требованиям, а при
необходимости изменить ее в соответствии
с вашими новыми задачами.
Вакумметр Televac MM200
Очищаемый датчик быстрого включения с
холодным катодом 7FCS
Очищаемый датчик быстрого включения с
холодным катодом 7FCS
Угловой металлический электронный
ионизационный датчик
Этот высокотехнологичный датчик типа Баярда-Альперта размещается в
прямоугольном корпусе из нержавеющей стали. Заключение датчика в
прямоугольном корпусе значительно уменьшает количество осаждений, которые
могут попадать на чувствительные элементы датчика. Таким образом
значительно повышается стойкость датчика к загрязнениям. В отличии от
стеклянного корпуса ионизационных датчиков, широкое горло датчика 8140EA
обеспечивает отличную проводимость, что повышает быстродействие
измерительной системы. Датчик может быть установлен в любом положении.
Этот высокотехнологичный датчик базируется на проверенной конструкции
безкорпусных датчиков ETI 8130 и 8140. Он доступен в конфигурации с
одинарной или двойной нитью накала, покрытой торием. При работе нить
накала поддерживается в натянутом состоянии для обеспечения высокой
точности.
Угловой металлический электронный
ионизационный датчик
Система блокировки и сигнализации вакуумной
системы.
В систему защиты вакуумной системы входят:
• 1 .Вакуумные датчики.
• 2.Вакуумметры.
• 3.Система управления вакуумными затворами.
• 4.Система сигнализации.
• Сигнал с вакуумных датчиков поступает на вакуумметры .Вакуумметры имеют
релейные выходы с нормально закрытыми и открытыми контактами.
Релейные схемы имеют предустановленные настраиваемые
параметры(давление срабатывания).Сигналы с релейных устройств поступают
на логическое устройство управления вакуумными затворами и сигнализации
вакуума. В первоначальном состоянии все затворы закрыты и при
достижении заданного вакуума открываются. При ухудшении вакуума ,ниже
заданного предела, с хотя бы с одной стороны от затвора и при пропадании
питания происходит закрытия соответствующих затворов и загорается
сигнализация “Плохой вакуум” . Также эти релейные устройства
используются для отключения высоковольтных устройств.
Система блокировки и сигнализации вакуумной системы
.
Прогрев вакуумной камеры.
Прогрев вакуумной камеры ускорителя.
Для уменьшения газовыделения с внутренних стенок
вакуумной камеры, необходим прогрев
ее до температуры ≤450 0С.
Прогрев будет осуществляться нагревательными лентами
ЭНГЛУ-400-1,0/220-5,0 и ЭНГЛУ-400-2,0/220-10,0
,намотанными на вакуумную камеру и покрытыми
теплоизоляцией(рис.1).
Питание нагревательных элеменетов и регулирование
температуры возможно осуществить с помощью
Измерителей - регуляторов "Сосна - 004".» регулятора
на период.
Используемая теплоизоляция Pyrogel®XT или МКРР-130
(муллитокремнизёмистая вата) толщиной 20мм
,покрытая сверху тепло отражающей алюминиевой
фольгой.
Для прогрева отдельных элементов возможно
использование специальных греющих жакетов.
Прогрев вакуумной камеры.
участок
диаметр
трубы(мм)
длина(м
м)
периметр (мм)
кол-во мощнос
Нагревательный элемент лент
ть(кВт)
линза Д
пикап
120
154
600
255
377 ЭНГЛУ-400-1,0/220-5,0
483
1
1
камера пикапотк.ст.
ос
120
154
2200
380
377 ЭНГЛУ-400-2,0/220-10,0
483
1
2
350 ЭНГЛУ-400-2,0/220-10,0
483 ЭНГЛУ-400-1,0/220-5,0
377
483
1
2
154
120
154
1722
380
600
278
камера магнита
б
140х60
ос
154
1722
380
350 ЭНГЛУ-400-2,0/220-10,0
483 ЭНГЛУ-400-2,0/220-10,0
1
1
2
2
камера ввода из
и2
камера и2-ос
ос
120
154
2100
380
377 ЭНГЛУ-400-1,0/220-5,0
483
1
1
камера магнита
а
140х60
ос
линза ф
секст.л
Цикл обезгаживания.
Сверхвысоковакуумный стенд.
Стенд для напыления пленок
NEG