超高真空靶室设计1010mbar.docx
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超高真空靶室设计1010mbar
超高真空靶室设计(10-10mbar)
粒子物理和原子核物理领域中,主要涉及的是粒子与物质间相互作用。
而在实验中,为确保束流累积时间内,粒子束与靶室内残余气体相互作用造成的相对损失尽可能的低,必须采用超高真空技术。
除此之外,本世纪以来的四大成就——电子学,计算机,航天技术和我们的原子核物理学都在真空技术方面有着突破性进展。
伴随着生产以及科研的发展和需要,超高真空系统技术已经发展成了一门热门技术。
本工作拟设计一个多用途的超高真空靶室系统,为后续实验提供必要条件。
本论文共分为四章。
主要从超高真空简介、超高真空系统搭建、CAD软件介绍、以及本设计中超高真空靶室及管道的设计和组装等几个方面做简要介绍。
1.1稀薄气体的基本性质
真空就是指给定空间内气体的密度小于标准大气压所对应气体密度的状态。
在稀薄气体情况下,分子间的平均自由程很大,分子间的相互作用完全可以忽略,可以应用各种理想气体的定律。
气体密度与真空度成反比,气体密度减小后会出现很多有用的性质。
比如减少带电粒子在电场、电磁场或磁场作用下运动的碰撞损失;延长固体表面沉积气体分子层的时间,进而研究清洁表面和测定气体层的作用;气体化学活泼度有所降低,有利于贮存活性金属和应用其特性;改变大气压下靠分子间相互作用发生的物理过程,当气体的密度减小到分子之间相互作用不再是输运的主要原因后,物理过程就发生极大变化。
这种特定的真空状态与人类赖以生存的大气状态相比较,主要有如下几个基本特点:
(1)真空状态下的气体压力低于一个大气压,因此,处于地球表面上的各种真空容器中,必将受到大气压力的作用,其压强差的大小由容器内外的压差值而定。
由于作用在地球表面上的一个大气压约为10135N/m2,因此当容器内压力很小时,则容器所承受的大气压力可达到一个大气压。
不同压强下单位面积上的作用力。
(2)真空状态下由于气体稀薄,单位体积内的气体分子数,即气体的分子密度小于大气压下的气体分子密度。
因此,分子与分子之间、分子与其他的质点(如电子、离子等)之间及分子与各种表面(如器壁)之间的相互碰撞次数相对减少,使得气体的分子自由程变大。
(3)真空状态下由于分子密度的减小,因此做为组成大气组分的氧、氢等气体含量(也包括水分的含量)也将旧对减少。
1.2超高真空的应用
1超高真空(
)超高真空的用途主要有两个。
用途一是可以先抽至超高真空再充气来得到纯净气体,这方面最有关系的是可控热核聚变反应。
用途二是可以得到纯净的固体表面,来进行表面物理的研究。
1.3超高真空的发展前景与问题
随着科学技术的发展、特别是近年来计算机和微电子学、生物工程、材料科学、表面科学、航夭和航海工程等高技术科学的发展,对真空科学要求越来越高。
真空科学做为这些高技术发展不可缺少的技术必将起到更加重要的作用。
例如,在目前微电子学及其纳米级电子材料和元器件的发展中,对真空系统不仅要求采用高真空、超高真空和真空气氛清洁无油.而且要求耐腐蚀、耐粉尘。
为了适应这些要求,在真空获得设备中制造各种干式泵、耐腐蚀泵,进一步发展磁悬浮式分子泵和能够避免强磁场及等离子体对涡输分子泵金属转子产生涡流发热的用陶瓷做成转子的新型分子泵,是很必要的。
在真空测量方面,我国与国外也存在较大的差距.主要表现在真空规管的结构,电子线路的设计,集成电路和自动换挡及数字显示等新技术的采用上。
因此尽快的改变我国真空测量仪器的现状,促进这一技术向多用化、自动化及体积小、外形美等方面发展,也是一个重要的问题。
第二章超高真空系统简述
2.1超高真空系统的配置
2真空的获取是靠减少真空系统中的气态分子数目来实现的,其主要的方法有对气态分子进行排出或者捕捉。
在此次超高真空获得实验中我们主要利用的真空获取设备有机械泵,分子泵,离子溅射泵和钛升华泵。
2.1.1机械泵
利用机械的方法抽气获得真空的设备都称为机械泵。
其大致的原理如图1所示,是利用工作室体积的周期性变化来达到目的的,在工作室体积最小的时候工作室与吸气孔连通,此后工作室体积不断变大并且在达到最大时与吸气孔断开,之后工作室体积变小且在工作室压强大于1时排气口打开,气体被排除。
图1分子泵原理示意图
3
4属于这一类机械泵的主要有活塞泵,多叶片转到泵,油封泵等几种,在使用这一类的机械泵时要注意一般的机械泵不适宜抽蒸汽,因为蒸汽在压缩以后无法从泵中排出去。
2.1.2分子泵
分子泵主要有涡轮分子泵,牵引分子泵和复合分子泵。
涡轮分子泵是靠高速旋转的动叶片和静止的定叶片相互配合来实现抽气的。
这种泵通常在分子流状态下工作。
牵引分子泵是靠气体分子与高速运动的转子相碰撞而获得动量,被驱送到泵的出口。
复合分子泵是由以上两种分子泵串联起来组成的复合型的分子泵。
分子泵的优点是启动时间比较短,系统压强变化时不会造成损坏。
缺点是分子泵是一种次级泵,不能直接对大气进行抽气,需要配备前级泵。
所以在使用分子泵的过程中要注意启动分子泵所需要的最低真空度。
而且分子泵对氢的压缩比较低,需要使用升华泵来克服这个缺点。
2.1.3离子泵
离子溅射泵的原理如图2所示,它的阳极材料是不锈钢筒,阴极材料是钛板。
在磁场和电场的作用下通过放电过程使气体电离而实现抽气。
电离后离子在电场的作用下加
速飞向阴极钛板,钛板受到轰击后钛被溅射出来,在阳极以及阳极表面形成钛膜,活性气体分子与之反应形成化合物后沉积在冷却的管道壁上,这就达到了气体抽除的目的。
溅射离子泵(200~400L/s)在10-5~10-7Pa范围作为系统的主排气泵。
选用三极溅射离子泵可同时抽除Ar及CH4。
由于真空系统的工作范围在10-8Pa,因此要求离子泵在10-7Pa范围内仍保持其名义抽气速度,同时要求泵极限真空1×10-9Pa。
RIB分离器和束运线的真空度为10-7Pa,对于溅射离子泵极限真空要求可以适当放宽。
在离子泵的使用过程中要注意它的启动压强,启动时真空度过低会导致离子流过大而使泵发热,有时甚至会导致极间辉光放电或系统压力升高,导致离子泵无法正常工作。
图2离子泵原理示意图
2.1.4升华泵
钛升华泵由国内厂产家加工,钛钼丝从国外进口。
美国VACOM公司生产的钛钼合金丝(85%钛,15%钼)不含Ar,是制作钛升华泵的理想材料。
钛升华泵主要利用的是活泼金属钛很强的抽气速度,其抽气速度取决于泵室的蒸着面积。
它的主要原理如图3所示,它是通过对钛丝进行加热升华,在真空器壁上形成新鲜的钛膜,活性气体分子与之发生碰撞形成化合物沉积在管壁上,又被随后的钛膜所覆盖,如此循环来进行抽气的。
由升华泵的原理可以看到,升华泵对所抽气体具有选择性,对惰性气体的抽气速度不高。
它的优点是结构比较简单,安装操作简单,而且在系统真空度发生变化时一般不会损坏。
图
3钛升华泵示意图
2.2超高真空搭建的几种方式
近年来,随着科学技术的不断进步和发展,材料加工及应用方面得到了长足进步,使得现在对实现超高真空有了更多的选择。
目前实现超高真空的方式主要有一下几种方式:
5
(1)由分子泵串联机械泵组成的超高真空系统,这种系统要求在机械泵的入口管道上添加油分子过滤器来收集过滤从机械泵中扩散到管道中的油分子。
若分子泵串联分子筛吸附泵,则它们就构成了无油的超高真空系统,这个系统比较清洁。
6
(2)用钛泵或者溅射离子泵作为主泵,串联或者并联分子筛吸附泵(做为预真空泵),来构成无油超高真空系统。
也可用钛泵联接着预真空机械泵,但这时机械泵的入口管道上要加过滤器来捕集油。
(3)由扩散泵串联扩散泵(作为中间泵)然后再串联机械泵组成的真空系统。
此时主泵可以是一个水银扩散泵,扩散泵的泵顶有冷却挡板和液氮冷阱,中间泵也同样是水银扩散泵。
在中间泵和前级机械泵之间加装过滤器,过滤油。
其间设置有各种单独的加热器和烘烤真空室。
这个系统有能获得超高真空的特点并且它能稳定工作。
(4)由扩散泵和钛泵并联作为主泵,让扩散泵单独串联前级机械泵组成的真空系统。
如钠灯超高真空封接炉系统。
它可以达到的极限真空度为1.33×10-6Pa。
在本设计中,我们计划选择升华泵加上溅射离子泵作为系统的主泵,并联分子泵,以机械泵作为初级泵。
这样选择的优点是,在超高真空范围内,残余气体的主要成分是H2,约占90%左右,其余成分以CO,水份等为主。
钛升华泵抽H2及CO的效果非常好,但对惰性气体几乎没有抽速,而溅射离子泵对惰性气体的抽速很高,因此我们可以搭配溅射离子泵来抽除系统中残存的少量Ar及CH4等,两者配合,即可使系统达到超高真空。
第三章AutoCAD软件介绍
3.1AutoCAD准备
AutoCAD(全称为AutoComputerAidedDesign)是美国Autodesk公司于1982年首次开发设计的计算机自动辅助设计软件,它可用于二维绘图、详细绘制、设计文档和基本三维设计。
现在已经成为国际上流行甚广的绘图工具软件。
AutoCAD的用户界面简洁明了,它可以直接通过交互菜单或者直接输入命令行的方式便可以进行各种图形设计。
它的设计环境可以很方便的让非非计算机专业的设计者也能很容易学会。
而在一次次的设计中也能很快的掌握它的一些技巧。
AutoCAD的兼容性相当的广泛,不论在什么操作系统支持的微型计算机和工作站上它都能很流畅的运行。
AutoCAD软件是由美国欧特克有限公司(Autodesk)出品的一款自动计算机辅助设计软件,可以用于绘制二维制图和基本三维设计,通过它无需懂得编程,即可自动制图,因此它在全球广泛使用,可以用于土木建筑,装饰装潢,工业制图,工程制图,电子工业,服装加工等多方面领域。
本次实验采用AutoCAD2014对实验所要使用的靶室以及与其相连接的管道进行设计制作。
3.2AutoCAD的主要功能
3.2.1绘图功能
使用者可以通过输入命令、参数或单击工具按钮或者执行菜单命令等方法来绘制出各种图形,AutoCAD会根据不同命令的具体情况给出相对的提示和可供选择的选项。
3.2.2编辑功能
AutoCAD提供各种方式来让用户对单一或者一组图形进行细节修改,可以进行移动、复制、镜像等操作。
使用者还能改变图形的颜色、线宽等等特性。
熟练地掌握编辑命令的运用,可以加快绘图的速度。
3.2.3打印输出功能
AutoCAD具有打印及输出各种格式图形文件的功能,也可以调整打印或输出图形的大小比例、颜色等值。
AutoCAD兼容大多数绘图仪和打印机,并且具有极好的打印效果。
3.2.4三维功能
AutoCAD专业版提供有三维绘图功能,可用多种方法按尺寸精确绘制三维实体,生成三维真实感图形,支持动态观察三维对象。
3.2.5高级扩展功能
AutoCAD作为一个绘图平台,提供多种二次开发接口,如LISP、VBA、.NET、ZRX(VC)等,用户可以根据自己的需要定制特有的功能。
同时对于用户已有的二次开发程序,可以轻松移植到AutoCAD上来。
3.3AutoCAD工作界面
3.3.1AutoCAD主界面
7AutoCAD的主界面简洁美观、类似于Office的界面,如图4所示。
8图4AutoCAD主界面
3.3.2功能区选项面板
每个功能选项卡下有个展开的面板,即“功能选项面板”。
这些面板依照其功能进行标记在相应选项卡中,功能面板包含很多的工具和控件与工具栏和对话框中的相同。
如图5所示是“常用”功能选项面板,其中包括“直线”、“多段线”、“圆”、“圆弧”、等功能按键。
图5功能区的选项面板
3.3.3绘图区域
绘图区是屏幕中央的空白区域,所有的关于绘图的操作都是在这个区域中完成的。
在这个区域的左下角显示着当前坐标系的图标,向右方向是X轴的正方向,向上是Y轴的正方向。
绘图区域没有边界,因此无论多大的图形都可以放置其中。
当鼠标移动到绘图区中时,会变为十字光标,而执行选择对象时,鼠标会自动变成一个方形拾取框。
3.3.4指令输入区
命令栏在工作界面的下方,这里显示了用户曾经输入过的命令记录以及AutoCAD程序对用户所作命令进行的提示。
当命令栏显示“命令:
”提示时,表明此时软件正在等待用户输入命令。
而当软件处于命令执行过程时,命令栏中会显示各种操作提示。
所以用户在整个绘图过程中,要随时留意命令栏的提示内容。
3.3.5状态显示区
状态栏在界面的最下方,它能显示当前十字光标在绘图区域所处绝对坐标。
它同时还能显示常用的控制按钮,比如捕捉、栅格、正交等,点击一次所需要的控制按钮,按钮按下表示该功能已经启用,再点击则关闭。
3.4命令执行方式
在AutoCAD中,命令的执行方式有多种,例如可以通过按工具栏上的命令按钮、下拉菜单或命令行等。
当用户在绘图的时候,应根据实际情况选择最佳的命令执行方式,提高工作效率。
以
3.4.1以命令按钮的方式执行
先在工具栏上选择要执行的命令所对应的工具按钮,然后按照所提示的内容完成绘图的工作。
3.4.2以菜单命令的方式执行
用选择下拉菜单的相应命令来执行命令,此过程跟上面两种方式相同。
AutoCAD同时也提供了鼠标右键的快捷菜单,在快捷菜单中也会根据绘图的状态提示一些常用的命令,如图6所示。
图6鼠标右键菜单
3.4.3退出正在执行的命令
AutoCAD可以随时退出正在执行的命令。
当执行完某命令后,可以按<Esc>键退出该命令,也可以按<Enter>键结束某些操命令。
注意,有部分的操作是要多按几次才能退出这个命令。
3.4.4重复执行上一次操作命令
每当结束了某个操作命令之后,如果要再次执行这个命令,可以按<Enter>键或者空格键来重复上次的命令。
可以按上下方向键来翻阅前面执行的多个命令,然后选择需要的执行。
3.4.5取消已执行的命令
如果绘图中出现了错误,要取消前次的命令,可使用Undo命令,或点击工具栏中的按撤销钮,可回到前一步或者前几步的状态。
当恢复已撤消的命令后,又想要恢复已经撤消的命令,可使用Redo命令或点击工具栏中的恢复按钮来恢复命令。
3.4.6使用透明命令
AutoCAD中有些命令可以穿插到另一条命令的期间执行,如果当前正在使用Line命令绘制直线,可同时使用Zoom命令来放大或者缩小视图范围,这样的命令称为透明命令。
在AutoCAD中只有少数命令是透明命令,在使用透明命令的时候,必须在命令之前加一个单引号“’”,这样AutoCAD才能识别到。
第四章超高真空系统的设计与组装
4.1超高真空靶室及管道的设计
真空系统的结构设计主要考虑密封可靠,结构合理,材料对真空度影响要小在设计的时候我们考虑到了真空部件气密性质量,所以我们尽量选择用国家标准中的无缝钢管和板材,但是许多的系统元件又离不开焊接结构,所以我们尽量选择了焊接性能较好的钢材。
而为了保证焊接后焊缝不透气,保证后期的气源固定,也为了清洗简单在设计焊接结构的时候也要注意避免处于真空中的焊缝中有积存污物的空隙在选材的时候要尽量选择一些表面粗糙度较大的,这样也会减少表面放气。
而为了要保证抽气速度足够快,就要避免出现隔离空穴,因为如果出现了隔离空穴它就会成为一个缓慢放气的源泉。
真空系统上的各元件之间多是用法兰连接。
然而法兰与管子之间是用焊接结构。
因为焊接的时候容易引起法兰的变形,所以目前我们国内一般都采用焊接之后再对法兰进行加工处理,这样即可达到尺寸和粗糙度上的要求,又可以保证两个法兰连接的密封可靠。
而对于某些必须要处于较高温度工作的真空橡胶密封圈,因为橡胶的耐温有限,所以可以专门加一个水冷结构来加以保护。
又为了让真空系统元件壳体与真空室壳体有足够的强度,保证它们在内力和外力的作用下不会产生变形,其器壁要有一定的厚度。
而实验表明真空容器采用圆形的结构较好。
端盖采用凸形的结构为好尽量不要采用平盖,因为其抗压能力相差很大。
而壁厚已经有了标准尽寸,当然也可以计算出来。
设计的时候还要注意,在容器检漏的时候,如果是采用内部打压法,一般打入三个大气压力容器不应该变形。
水套检漏的时候也按照三个压力打压。
即有水套的壳体在外部或者内部打入三个大气压力下,都不应该变形。
而为了保证由外面进入真空室内的移动件或者转动件有可靠的动密封。
除了要选择好的密封结构之外,其中的轴或者杆也一定要满足粗糙度的要求。
更要防止在轴和杆上存在轴向的划痕,因为这种划痕会降低真空度,且不容易发现。
真空室的壳体上的水套结构,不仅要保证水流的畅通无阻。
也要保证不能出现死水造成局部过热。
所以进出水管位置要一下一上,而且设置流水隔层,让水沿着一定路线流动。
而在设计真空系统测量真空规管座的位置时应该注意到由于每个密封面都不可能保证绝对的不漏气,密封面集中的地方,必然是容易漏气之处,测量值可能不准。
所以不可以将真空规管放置在密封面较多的地方。
而且规管内壁的各处,都必须保证真空卫生。
不然就会造成测量的不准。
最后规管要尽量的接在接近被测量的地方,来减少测量误差。
本设计分为小靶室、中央大靶室、后级管道以及泵将连接管道。
其中,小靶室与四维操纵平台以及大靶室相连接,如图7所示,其上有6个CF50法兰,可分别接蒸发镀膜设备、离子枪和离子源,我们通过改变其间夹角,可实现样品的清洁、镀膜样品表面电荷交换等研究。
CF35管道法兰
接真空规
CF50管道法兰
接溅射离子枪
CF150管道法兰
接四维操纵平台
图7小靶室
CF35管道法兰
接飞行时间谱仪管道
CF100管道法兰
接观察窗
CF100管道法兰
接后级管道
CF150管道法兰
接四通
大靶室:
与后级管道和四通相连接,其上设计出接飞行时间谱仪管道、观察窗、后级管道等接口管道与真空规管等。
如图8所示。
图8大靶室
图9后级管道
束流后级管道,用于接一维移动探测器
束流后级管道,用于接位置灵敏探测器
CF100管道法兰
用于大靶室与后级管道的连接
CF35电极法兰
用于真空内探测器与外接电路盒的连接
后级管道:
主要用于后续探测器的接入。
对于本次实验其上主要计划连接一维移动探测器、位置灵敏探测器等。
如图9所示。
CF150管道法兰
与离子泵相连接
CF150管道法兰
与分子泵相连接
CF150管道法兰
与钛升华泵相连接
CF150管道法兰
与大靶室相连接
泵间连接管道:
拥有四个CF150的法兰,其分别与分子泵、离子泵、钛升华泵相连接。
最后一个接口与大靶室相连接。
如图10所示。
图10泵间连接管道
另外,系统的材料以及制造成本可以综合来考虑,材料与成本密不可分,当然所设计的系统的形状以及尺寸涉及到了制造所需要的工艺,也是与成本有关的。
在材料选择上要考虑它的机械性能,耐热性,低温性能等,综合考虑最终选择了sus304不锈钢,也就是国内的06Cr19Ni10(0Cr18Ni9)不锈钢。
因为sus304不锈钢具有良好的耐蚀性、耐热性、低温强度和机械性能,能够承受
的真空度,也能够适应在真空获取过程中的烘烤环节。
为得到更高更稳定的真空度,我们考虑将在分子泵前级再加一级分子泵进行抽气。
这样进口分子泵的前级真空会提高到约
Pa的状态,从而提高进口分子泵对一些气体的压缩比。
理论上讲,会进一步提高系统的真空度。
综合以上因素,最终设计如图11所示:
图11:
真空系统设计图
图中我们通过上方的CF200法兰与原有超高真空靶室连接。
右侧CF150法兰连接离子溅射泵,考虑到离子溅射泵质量较大,我们设计了活套法兰并通过波纹管实现离子溅射泵与管道的软连接,以保证此处的密封性。
左侧CF150法兰转换为CF35法兰后接钛升华泵,左侧20cm左右的管道为钛升华泵提供吸附面积。
下方CF200法兰连接分子泵,分子泵连接位置错开竖直管道是为了避免上方管道或靶室中有物体掉入分子泵中使其损坏。
为了配合真空获取中几个泵的相互配合使用,在右侧离子溅射泵连接处增加了手动插板阀,在下方分子泵连接处增加了气动插板阀。
4.2后期超高真空系统的组装
组装过程主要包括清洁处理,真空封接以及后续辅助设备安装。
为了对管道实现冷却,我们计划在设计管道上方以及左侧缠绕固定水冷却金属管。
清洁处理主要是对管道内部以及法兰刀口处的清洁。
管道内部残留的任何一点污渍都可能会成为超高真空获取过程中气体以及蒸汽的来源。
法兰刀口清洁不彻底也可能会影响系统的密封性。
选择干净的清洁工具至关重要,包括干净的镊子等等。
最重要的是不能用赤裸的手,避免带来新的油脂和其他污渍。
清洁处理的第一步是除去大污渍。
第二步是去油,主要是用有机溶剂进行溶解,常用的有丙酮,无水乙醇等。
可以用含有有机溶剂的纱布擦拭,在去油结束后还要用热吹风机或者烘干机烘干。
真空封接过程需要注意的就是管道搬动过程中避免法兰刀口的损坏,保持密封圈清洁,密封圈的正确放置和法兰所有螺丝受力均匀。
为了避免法兰刀口损坏,建议搬运过程中对刀口进行保护。
密封圈可以在安装时再拆封。
为了达到法兰所有螺丝受力均匀的目的,建议使用对称安装法,且同一个法兰由同一个人安装,便于掌握力度。
对称安装法如图12所示,按照所示顺序依次安装螺丝。
图12:
法兰对称安装法
最后就是后续辅助设备的安装,主要是烘烤设备。
烘烤设备主要是由电磁继电器,温度控制仪以及电热带组成。
我们知道烘烤温度的均匀性至关重要,所以安装烘烤设备时电热带一定要分布均匀,而且要紧贴真空管道表面。
为了防止热辐射,烘烤设备安装好以后在真空系统外围用铝箔纸进行了包装。
至此整个系统的组装结束。
4.3总结
本工作主要是利用AutoCAD绘制真空靶室、后级管道以及四通的模型,然后交由制作厂制作出成品进行后续的实验研究。
在作图时要控制靶室与地的距离,以此为主来设计其尺寸,方便与其它实验仪器进行对接。
在AutoCAD制图时,可以选用辅助线来构成一个相对的空间坐标来绘制,这样能更方便的控制其尺寸。
而在挖孔的时候考虑到挖孔完后会自动取交集形成一个完整的整体,所以应该按照先局部后整体的思路来进行,而如若作图的时候有涉及到对称的部分可以直接采用镜像或者旋转命令来提高画图的速度。
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