同步辐射光源的真空系统

3. 真空阀门
• • • • 阀门是连通/隔离不同真空区域的重要部件。 适用不同真空范围的阀门（结构、材料不同）：低 真空阀、高真空阀、超高真空阀 适用不同场合（管道结构、高温、低温、高压、腐 蚀性气体、辐射）的阀门： 光源用阀门：全金属角阀－TMP，氟橡胶密封圈门 阀－超高真空＋直通，全金属门阀－超高真空＋直 通＋辐射，全金属RF屏蔽门阀－超高真空＋直通＋ 辐射＋RF屏蔽，快关闭阀/全金属直通阀－光束线 用。 保持阀门性能寿命：防止灰尘、适度密封力
C ，CH
+ +
+
C，CH4，C2H4
N ，CH2 ，CO
NH ，CH3
+ + +
N2，NH3，CH4，C2H4，CO
NH3，CH4
O ，CH4 ，NH2 OH ，NH3 H2O F
+ + ++ ++ + +
+
H2O，CO，CO2，O2，CH4，NH3 H2O，NH3 H2O F2
20 22
Ne ，Ar
离子的判别
荷质比 离子 分子
1 2 4 8 10 11 12 13 14
15 16 17 18 19 20 22 24
20 22 + + + 18
H
+ + +
H2 H2 He O2
20 22
H2
He O
20 22
++ ++ ++
Ne Ne C
+
Ne Ne
CH4，C2H2，CO，CO2
+ ++ 13
同步辐射光源的真空系统
本次讲座内容
1. 真空基础知识 2. 部分真空设备的原理 3. 真空室 4. 真空获得 5. 光源真空系统 6. 其它
一． 真空基础知识
1. 什么叫真空？ • 一定范围空间内的气体压强低于大气 压的状态 • 真空区域划分：低、高、超高、极高 • 划分的原因：
①根据气流特点（低、高、超高真空→湍流、 粘稠流、分子 流）； ②不同区域功能不同，所用真空设备不同。
真空泵（3）－粗略简易配泵法
• • • • • • • • • 比照国内外类似装置的布泵 加一点抽速余量，比如20％ 加其它一种泵更可靠（如SIP+TSP） 如气载均布，泵抽速也均布，多台小泵好 如气载集中，泵靠近气载，距离尽量短 根据不同真空度时泵实际抽速计算 预抽分子泵抽速不必很大，前级油泵可用。 国产SIP/TSP/TMP性价比不低，完全可用。 规管放置合理，反映真实压强。
工作范围：10－3Pa～10－8Pa。
•
锆铝吸气剂泵 它是由锆铝合金材料（84％锆、16％铝）在高温下激活 后吸附活性气体的泵。 工作范围：10－6Pa～10－10Pa。
真空泵（1）－泵的性能特点
• • • • • • • • 极限真空度（泵本身达到最低压强） 抽速曲线（压强～抽速） 抽气选择性（对各种气体抽除能力不同） 对混合气体的抽气行为（一种气体影响泵对另一 种气体的抽除） 抽气容量抽速曲线（容量～抽速） 标称/有效抽速（有效抽速和泵及流导有关） 泵的返油（是否获得无油真空） 泵的震动（影响主体设备工作）
真空泵（2）－泵的配置原则
从泵的性能特点归纳出泵的配置方法： • 单一泵极限压强要高于所需系统压强 • 几种泵组合可获得好于单一泵的真空 • 应把工作压强时的泵抽速用于计算 • 应根据系统内的气体成份配置泵 • 应把泵对各气体成份的抽速用于计算 • 应把随容量下降到一定量的抽速用于计算 • 应根据上述评估值结合布泵和流导计算得到有效抽速值用于 计算 • 气载分布－有效抽速分布－压强分布的计算程序
•
•
•
抽气：泵（抽气原理和特性）～气体流导（抽气通道结 构和气体分子运动学）→如何提高抽气能力和效率？ 全压强测量和气体成份分析（分压强）→如何提高测量 真实性、精度和一致性？ 真空系统控制→如何操作真空设备、真空数据采集和处 理、真空联锁保护？
二． 部分真空设备的结构与原理
1. 真空泵： ● 旋片式机械泵2.常规真空技术的主题：
真空容器－气源（气载）－抽气（抽速），即真空获得和测 量。 • 真空容器：结构、材料、密封、制造、工艺→如何适应总体、 漏气出气少、易加工、经济？ • 气源：空间气体、漏气、渗气、材料表面出气（热解吸、电 子离子光子感应解吸、室壁体内气体输运到表面）、人为充 入的介质气体→如何减少气载、控制气体成分？
+
Ne，Ar
Ne ，CO2 C2
Ne，CO2 C2H4
真空测量
不同规管的测量范围： • 低真空规（＞10－2Pa）：薄膜规、电阻规、热偶 规 • 中/高真空规（＞10－6Pa）：电离规、冷规 • 超高真空规（＞10－9Pa）：B-A规、冷规 • 极高真空规（＞10－11Pa）：分离规、磁控规 各种规管测量误差：一般＞20％ 多个规管测量的零散性和变化：来源于结构和参 数零散性 规管的校准和比对：相对、范围 不求真空测量的绝对准确。
2. 真空测量
• 低真空规（热传导规） 将规管中的一根张紧的金属丝通以电流加热，在热平衡时， 输入的能量为辐射传热量、引线传热量和气体传热量之和。 前两项为定值，最后一项与与气体压力成正比（低气压 下）。通过电阻的变化得到相应的真空度。常用的有热偶 规与电阻规（皮拉尼规）。测量范围105Pa～10-1Pa。
真空区域划分及对应真空泵
• 低真空：105～10－1 Pa →RP • 中（高）真空：10－1～10－5 Pa →TMP • 超高真空：10－5 ～10－9 Pa →TMP or SIP、SIP＋TSP＋ NEG • 极高真空：＜10－9 Pa →LHeCP+SIP • 先弄清你的装置要达到的真空区域要求！
● 涡旋式机械泵(干泵)
工作范围：105Pa～10-2Pa
•
分子泵
定子和转子都装有多层涡轮 叶片，转子和定子叶片倾斜面方 向相反。分子泵工作时，转子 高速旋转，迫使气体分子通过 叶片从泵的上部流向下部出口， 从而产生抽气作用。 工作范围1Pa～10－8Pa。
•
溅射离子泵
在钛板（阴极）和不锈钢圆筒（阳极）间加上 3～7kv高压，通过磁场作用，空间中的自由电 子产生潘宁放电，轰击钛板，打出的钛原子沉 积在阳极筒及和阴极 板上，气体分子碰撞到 新鲜钛膜产生化学吸附， 形成稳定的化合物而产 生抽气作用。
• 高真空规 通过热（冷）阴极放电，产生自由电子，电子在电、磁场 作用下与气体分子碰撞，再产生正离子与电子。在低气压 下，气体分子被电离所生成的正离子数与气体分子密度成 正比。通过测量正离子数而得到相应的真空度。 常用有热阴极规和冷阴极规。 测量范围10-1Pa～10-11Pa。
• 四极质谱仪 四极质谱仪是根据不同荷质比的离子在直流—高频四 极分析场中运动轨迹的稳定与否来实现质量分离的。通过 测量得到不同成分气体的分压。