Sistemas de Vacío para Aceleradores

Reunión Anual Red-FAE

Anahí Segovia Miranda

Pachuca, HidalgoNoviembre 20161 / 21

Índicede contenidos

1 Definiciones¿Qué es vacío?Escalas para medirVacíoFlujo de GasRégimen de Vacío

2 Propósitos¿Por qué necesitamosvacío?

3 Cámaras de VacíoDescripción General

4 Sistemas de Vacío5 Caracterización del Vacío

Medidores6 Ultra Alto Vacío

Requerimentos7 Diseño de Sistema de

Vacío

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Definiciones¿Qué es vacío?

El término vacío se utiliza generalmente para designar unespacio lleno con un gas a una presión menor que laatmosférica.Hay 2,5×1019 moléculas de aire en 1cm3.

Gas IdealPV = nRT = NKT

donde:K = R

NAR = 8,3145J/mol ◦K

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DefinicionesEscalas para medir vacío

Presión atmosférica (Atm) a nivel del mar y 0◦ Celsius760 Torr (Estados Unidos)1013 mBar (Mili-Bar, Europa)101.330 Pa (Pascal, Asia)29,92 (Pulgadas de mercurio, Estados Unidos)

Conversiones:1 Atm=760 Torr1 Pascal=7,5×10−3 Torr1 mBar=0.750 Torr1 PSI=51.7 Torr

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DefinicionesVelocidad de las Moléculas y Trayectoría Libre Media

V̄ = 1,455×104

√TM

(1)

λi =kT√

2πPd2i

(2)

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Flujo de GasRégimen

Kn =λa

a

Flujo viscosoKn < 0,01

Flujo de transición0,01 < Kn < 1,0

Flujo molecularKn > 1,0

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Régimen de VacíoClasificación

Vacío Bajo, Medio (> 10−3Torr)

Flujo viscosoInteracciones entre partículas son significativasTrayectoria libre media (λ ):

Bajo: 6,7×10−6−5,1×10−1

Medio: 5,1×10−1−5,1Densidad molecular:

Bajo: 2,46×1019−3,25×1014

Medio: 3,25×1014−3,25×1013

Tiempo de formación de monocapa (τ):Bajo: 2,9×10−9−2,2×10−4

Medio: 2,2×10−4−2,2×10−3

El numero de moléculas en el gas es mucho mayorcomparado con el que cubre la superficie. La composicióndel gas se asemeja a la atmosférica.

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Régimen de VacíoClasificación

Alto, Muy Alto (10−3−10−6Torr)

Región de Transición.Trayectoria libre media (λ ):

5,1−5,1×104

Densidad molecular:3,25×1013−3,25×109

Tiempo de formación de monocapa (τ):2,2×10−3−2,2×101

Las moléculas del gas en el sistema están localizadasprincipalmente en la superficie, el recorrido libre medio es igualo mas grande que las dimensiones de la cámara. Lacomposición del gas varia continuamente, hacia uno que tenga70-90% de agua en forma de vapor.

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Régimen de VacíoClasificación

Ultra Alto (10−6−10−12Torr)Flujo Molecular

Interacciones entre partículas son despreciables.Interacciones principalmente son con las paredes de lacámara.

Trayectoria Libre Media de 100-10,000 KmExtremadamente Alto (< 10−12Torr)

Flujo MolecularTrayectoria Libre Media de 100,000 Km o mayor

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AceleradoresRepresentación Esquemática

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Propósitos de los Sistemas de Vacío¿Por qué necesitamos vacío?

Mantener el helio líquido fuera de ebulliciónEvitar arcos de alta tensión dentro de cavidades SRF y enlos disparadores de electronesEvitar la destrucción del fotocátodo por bombardeo degases residuales ionizadosMantener la composición química del fotocátodo en lasproporciones correctasPermitir que los electrones lleguen a los pasillos sindispersarse con moléculas de aireEvitar efectos ópticos causados por gases residualesionizados en la trayectoria del haz.

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Cámaras de VacíoDescripción General

El material de la cámaradebe ser no permeable, nomagnético, estar libre degrietas y volúmenesatrapados (fugasverdaderas y virtuales)La superficie interna debeser suave y no porosa

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Sistemas de VacíoEtapas de bombeo

Bomba MecánicaBomba TurbomolecularBomba IónicaNEG

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Etapas de bombeoPrimera Etapa

Etapa 1: bombeo de la presión atmosférica a 10−3 Torr.Mecanismo de bombeo: desplazamiento positivo ytransferencia de momentoTipo de la bomba: Bomba mecánica seca

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Etapas de bombeoSegunda Etapa

Etapa 2: Bombeo de 10−3 Torr a 10−9 Torr.Mecanismo de bombeo: Transferencia de momentoTipo de bomba: Bomba turbomolécula

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Etapas de bombeoTercera Etapa

Etapa 3: Bombeo de 10−9 Torr a 10−10 Torr.Mecanismo de bombeo: Combinación química Tipo debomba: Bomba sputter de iones

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Etapas de bombeoCuarta Etapa

Etapa 4: Obtención de ultra alto vacío: Bombeo de 10-10 a10-11 Torr, y el mantenimiento del nivel de vacío.

Mecanismo de bombeo: Absorción. Los gases activos sonabsorbidos irreversiblemente por el material del getter.Tipo de bomba: Getter no evaporable (NEG)

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Caracterización del VacíoMedición de Vacío

Vacío medio y bajo: 10−3 Torr a 1000 TorrMedidores Directos

Desplazamiento de una pared sólidaMedidores Indirectos (Por pérdida de calor)

Medidor de termoparMedidor PiraniCONVECTRON (Convección-Pirani)

Ultra-Alto y Alto Vacío: 10−11 Torr a 10−3 TorrMedidores indirectos (Indicadores de ionización)

Medidor de cátodo calienteMedidor de cátodo frío

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Ultra Alto VacíoResumen

Selección adecuada de los materiales para la cámaraAcabado superficial interno y soldadura adecuadaProcedimientos de limpieza húmedos añadiendo unenjuague de alta presión con agua filtrada y desionizadaMontaje del sistema de vacío en un ambiente hermético ylimpioBomba inicial del sistema de vacío con turbo bombasActivación de los extractores no evaporables (NEG)Hornear el sistema de vacío a 250C con bomba de ionesexterna.

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Diseño de Sistema de VacíoRequerimientos

Geometría del AceleradorTipo de partículas que se van a acelerarSistema electrónicoImanesSistemas aceleradoresCavidades RF

Diseño y Simulación del Sistema de Vacío.

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