Forelæsning 11b: Vacuum og magneter

Transkript

1 Forelæsning 11b: Vacuum og magneter Vakuum Vakuum, hvorfor? Hvad er vakuum? Hvordan frembringer man vakuum? Vakuum systemlayout, systemkriterier Magneter Konventionelle magneter -typer - designkriterier - materialer Superledende magneter -introduktion - teknologier -designs Vakuumsystemer: Integreret del af acceleratoranlæg 1

2 Vakuum Otto von Guericke, Magdeburg Magdeburg halvkugler (Deutsches Museum, München) Demonstration i Magdeburg 1656: 2

3 Introduktion i vakuum teknologi Vacuum: Low medium high ultra high Flow: Viscous intermedium molecular Mean free path (m) 5*10-5 m 0.05 m 500 m 5*10 5 m (1atm=1013mbar=760Torr) Gas pressure (mbar=100pa) FY13 Spring 2004 Vakuum systemkomponenter Vakuumkamre Pumper Pressure gauges Restgas analysatorer Læksøgningsapparater FY13 Spring

4 Diffusionspumpe (historisk...) Princip: Diffusion af gas ind i olie damp kompression Pumpning af udstødningssiden => kræver backing pumpe - Backstreaming af oliedamp! FY13 Spring 2004 Turbomolekylær pumpe ( turbopumpe ) Working principle: FY13 Spring 2004 rotation Rotor blades Gas molecule outlet - Light gases! 4

5 Ionpumpe Funktionsprincip: Sputtering (=forstøvning) af getter material feks. titanium Gas molekyler graver deres egen grav => Kemiske pumpe +H 2, +H 2 O, - ædelgasser - memory effect FY13 Spring 2004 Andre kemiske pumper: a) Ti sublimationspumpe Funktionsprincip: Fordampning af getter material (Ti) Gas molecyler bliver kemisk bundet på overfladen af getter materialet +H 2, +H 2 O, - noble gases + very high pumping speeds for light gasses! FY13 Spring

6 Andre kemiske pumper: b) NEG pumpe NEG: Non-evaporable getters Andre kemiske pumper: c) Kryopumpe Adsorption baffle Desorptionsrate: dθ = n E B ν θ exp dt kbt θ: coverage, ν: attempt frequency Lennard-Jones 1932: 6

7 Rotationspumper (mekaniske pumper) Suspenderet i olie: => isolering mod lufttryk, => smøring, => beskyttelse mod korrosion. Benyttes til: Udpumpning af vakuumsystemet, Sidste pumpetrin i flertrins højvakuumog UHV sytemer Endetryk: 10-3 torr pumping speed: typical 2 l/s FY13 Spring 2004 Rotationspumpe Funktionsprincip FY13 Spring

8 Trykmåling Grov vakuum til højvacuum (fra lufttryk til 10-3 Torr) Funktionsprincip: Pirani gauge (resistive) Thermocouple Temperature of a electrically heated wire depends on heat conductive cooling by restgas. Limit: radiative cooling >> heat conduction of rest gas FY13 Spring 2004 UHV trykmåling Ion gauge eller hot cathode ion gauge Højvakuum til ultrahøjvakuum (10-4 to Torr) Limit: x-rays induce secondary electrons -> mimic ion current FY13 Spring

9 Læksøgning: He læksøgningsapparat FY13 Spring 2004 Restgasanalyse med kvadrupol massespektrometer (QMS) Ion trajectories Tuned mass Channeltron detector FY13 Spring

10 Restgasspektrum UHV restgasspektrum Total tryk omkring mbar 10

11 Vacuumsonder Vacuumpumper 11

12 Flow Knudsen værdien: K=λ/d, hvor λ er gassens middelfri vejlængde, dvs den længde et gasmolekyle i gennemsnit bevæger sig mellem stød med andre molekyler, og d er vakumkammerets størrelse. K<0.01 : 0.01<K<1.0: 1<K: Laminart eller turbulent flow (afh. af strømningshastigheden) Knudsen eller intermediate flow. Molekylært flow Konduktans og pumpehastighed Her er Q flowhastighed (bar*m 3 /h), p er tryk (bar), C=1/Z er konduktans (m 3 /h) En pumpes pumpehastighed S p (m 3 /h) er givet ved S p =dv/dt=q/p, hvor p er trykket ved pumpens indgang. For flere vakuumkomponenter i serie gælder at 1/C tot = 1/C 1 + 1/C 2 + 1/C En pumpe med pumpehastighed S p der er forbundet til vacuumsystemet via vakuumrør m.m. med total konduktans C tot vil have en effektiv pumpehastighed givet ved 1/S eff = 1/S p + 1/C tot. Den effektive pumpehastighed er altså lavere, og mindre jo mindre C tot er. Konklusion: Hvis en pumpe er forbundet med vacuumsystemet gennem et system af forbindelser med lav konduktans (dvs. tynde rør f.eks.), betaler det sig ikke at øge pumpens pumpehastighed. Det eneste der kan hjælpe er at have et større hul, dvs en bedre konduktans mellem pumpe og kammer. 12

13 Gas load, udbagning og sluttryk Sluttrykket i et vacuumsystem er bestemt balancen mellem den rate hvormed gas kommer ind i systemet og pumpehastigheden. Gas kan komme ind i systemet på flere måder: En utæthed: Her er gasflowet Q o konstant, dvs sluttrykket bliver konstant, idet p u =Q o /S eff Udgasning fra vakuumkammerets overflader: Her er gasflowet en funktion af tiden, dvs. sluttrykket vil være faldende over ofte meget lang tid. For at nå sluttrykket hurtigere, varmer man ofte hele vakuumsystemet op til grader i et døgns tid. Denne proces kaldes udbagning, og har til formål at drive gasmolekyler ud af kammerets overflade. Hvis man vil opnå tryk bedre end ~10-7 mbar er det nødvendigt at bage systemet. Acceleratormagneter 13

14 Acceleratormagneter Konventionelle magneter = Magneter med strømførende, normalledende spoler med eller uden jernåg C-type H-type H-type, højfelt window frame 14

15 Elektromagneter med jernåg Dipol Kvadrupol h B gap a NI B gap = μ 0 h db dx y db = dy x 2NI = μ0 2 a μ o =4π*10-7 m kg C -2 (eller Tm/A) Dipolmagneter Magnetisk rigidity (=stivhed): BR = p e Magnetisk afbøjning: θ sin = 2 hvisθ << π / 2 : θ lb BR l 2R lb = 2( BR) 15

16 Kvadrupol fokussering Fokuseringsevne (eng. focussing strength): db k = 1 BR dx Δx = θ = Δx = x f 1 f = kl z = lb BR e p dbz dx l( dbz / dx) x = = lkx BR Shimning 16

17 Fokusering i dipoler Δl = x 0 tan Ψ Δl Δα = = x ρ 0 tan Ψ ρ Begrænsning: magnetiseringsmætning af jern Mætning af jern magnetisering μ r -> 1 Rampning af magnetfelt: Hvirvelstrøm i spole og åg! => laminering af åg 17

18 Superledning Opdaget 1911 af Heike Kamerlingh Onnes i Leiden, NL. Nobelpris : K.A Müller and G. Bednorz opdager høj temperatur superledning på IBMs forskningslaboratorium i Rüschlikon, Schweiz. Nobelpris Superledende faser Meissner Ochsenfeld effekt => Superledere er (næsten) perfekt diagmagnetiske 18

19 Superledende magneter cos Θ magnet CERNs LHC dipolmagnet a I B z = μ0 2a 0 2D spolekonfigurationer 19

20 2D superledende spoledesign Dipol Kvadrupol Superledende kabler 20

21 Spolegeometri Example: CERN LHC magnet Specifikationer: B max 8.3 T ΔB/B < 10-4 T op 1.9K L 14.3 m BR Tm # in machine:

22 LHC uheldet d. 19/ Geneva, 16 October Investigations at CERN 1 following a large helium leak into sector 3-4 of the Large Hadron Collider (LHC) tunnel have confirmed that cause of the incident was a faulty electrical connection between two of the accelerator s magnets. This resulted in mechanical damage and release of helium from the magnet cold mass into the tunnel. Investigations have shown that a faulty electrical connection between two magnets (shown in red) was the cause of the incident in sector 3-4 of the LHC on 19 September. 22

23 LHC kører igen 23

24 Nye teknologier: Højtemperatur superleder (HTS) 2. generations HTS 24

25 Højtemperatur superleder (HTS) Anvendes også i andre brancher: El forsyning: kabler Maglev tog Generatorer og skibsmotorer 25