Vacuum og magneter. Vakuum Vakuum, hvorfor? Hvad er vakuum? Hvordan frembringer man vakuum? Vakuum systemlayout, systemkriterier

Transkript

1 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 Tryksonder Restgas analysatorer Læksøgningsapparater FY13 Spring

4 Rotary vane pumps Pressure range 1 to 10 5 Pa 10 to 200 m 3 /h Rough pumping Backing for diffusion and turbo pumps 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

5 Scroll pump Oil free (dry) Tens of m 3 /h Down to 10-2 mbar Diffusionspumpe (historisk...) Princip: Diffusion af gas ind i olie damp kompression Pumpning af udstødningssiden => kræver backing pumpe - Backstreaming af oliedamp! FY13 Spring

6 6

7 Turbomolekylær pumpe ( turbopumpe ) Working principle: FY13 Spring 2004 rotation Rotor blades Gas molecule outlet - Light gases! Getter pumps Gas molecules collide and react with the surface Sublimation pump is a surface getter pump for active gases Titanium: inexpensive, effective, easily sublimed Non-evaporable getter Pump by surface adsorption followed by bulk diffusion High temperatures 7

8 Ionpumpe Funktionsprincip: Sputtering (=forstøvning) af getter materiale feks. titanium Gas molekyler graver deres egen grav => Kemiske pumpe 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

9 Andre kemiske pumper: b) NEG pumpe NEG: Non-evaporable getters Cryogenic pumps Entrainment of molecules on a cooled surface by weak van der Waals or dispersion forces In principle, any gas can be pumped, provided that the temperature is low enough Cryocondensation, cryo sorption and cryotrapping Down to 10-9 mbar 9

10 Cryopumps usually consist of two internal stages The inlet array K. pumps or captures water vapor The second stage consists of a series of metal pumping surfaces K pumps gases such as nitrogen and argon The metal pumping surfaces are partially covered with charcoal granules Gases such as hydrogen and helium, which cannot be frozen at typical second-stage temperatures, are adsorbed by the charcoal granules and thereby removed from the vacuum chamber 10

11 Pirani Thermal conductivity gauge Heated wire forms one arm of a Wheatsone bridge Down to 10-3 Pa with a compensating tube Penning Cold cathode tube Magnetic field guides electrons: more effective ionization of residual gas Down to 10-8 Pa Pressure by measuring current n i kp Gauge constant

12 UHV trykmåling Ion gauge eller hot cathode ion gauge Højvakuum til ultrahøjvakuum (10-4 to Torr) Limit: x-rays induce secondary electrons FY13 Spring

13 Restgasanalyse med kvadrupol massespektrometer (QMS) Ion trajectories Tuned mass Channeltron detector FY13 Spring 2004 UHV restgasspektrum Total tryk omkring mbar 13

14 CF KF 14

15 ISO-K Vacuumsonder 15

16 Vacuumpumper Flow Knudsen værdien: K=l/d, hvor l 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 16

17 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 åbning, dvs en bedre konduktans mellem pumpe og kammer. 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. 17

18 Acceleratormagneter 18

19 19

20 Skew quad 20

21 21

22 22

23 23

24 ASTRID2 bumper før modifikation 24

25 Keramiske skaller før og efter Ti coating ASTRID2 bumper efter modifikation 25

26 26

27 27

28 28

29 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. 29

30 30