上海光源首期Wiggler真空室材料选择及测试(2)

2009-11-18 卢裕 中国科学院上海应用物理研究所

  先进行一次极限真空调试来测量系统本底,记录上室、下室真空规读数P11、P21,求出不锈钢测试室的出气率Q1=C(P11-P21)。然后将镀铜304不锈钢样品放入测试室,再进行一次极限真空调试,记录上、下规读数P12、P22,求出热出气率Q2=C(P12-P22),此出气率包括本底和被测件出气率。上述两式拟合可知待测材料的表面热出气率:

  测试样品是按照Wiggler真空室设计结构加工出一个SS304样段,采用制定的的氰化物镀铜工艺对样段镀铜(厚度115μm) 作为测试样品。测试前将SS304测试罩和待测样品放入真空炉进行850℃高温除气退磁处理。测试过程严格按超高真空工艺规程进行操作, 限制系统暴露大气时间。系统本底测试完成后,对系统充干燥高纯氮气,然后打开装入待测品,整个操作过程1 小时内完成。调节实验室空调温度,使测试环境温度按照测率标准控制在(20±2)℃范围内。通过上述措施和手段,系统的测试误差完全控制在容许范围内,以确保测试获得的数据准确、可靠的,达到测试目的。

2.2、真空性能测试过程工艺

  首先进行测试系统本底出气率测试。按照测试系统图连接设备进行检漏,无漏后进行真空调试。启动分子泵机组粗抽,待真空度小于1.0E-4Pa 时启动离子泵,关闭角阀及分子泵机组,离子泵常温抽气24h。关闭离子泵后启动分子泵机组,待前级真空度小于1.0E-4Pa 时开启角阀,启动系统烘烤(包括测试室、Gauge、RGA及离子泵),系统烘烤温度达到200℃并稳定后,保持系统200℃×24 h 烘烤。然后启动离子泵待其稳定工作后,关闭角阀及分子泵机组,对系统再进行200℃×24 h 烘烤,气压合适时开启真空计记录P1、P2,并启动RGA监测残余气体状况。48 h烘烤结束时对规管、RGA进行除气,然后系统开始降温。

  其次装入待测样品进行测试。空载调试完成后对系统充干燥高纯氮气,打开测试罩装入待测物品后进行调试。调试工艺与本底测试相同。

2.3、真空测试结果

  从测试过程看,烘烤前24h样品热出气率比较大,气压较高,没有打开真空计。根据系统分子泵机组粗真空规记录可知,烘烤初期样品热出气率很大,随烘烤时间增加逐渐减小。24h后出气率变化逐渐趋缓,此时打开真空计并记录真空度P1、P2。根据测试记录求出测试样品烘烤过程中热出气率,绘出样品热出气率随时间变化曲线如图2。

304 不锈钢镀铜材料热出气率

图2 200℃/48h 304 不锈钢镀铜材料热出气率

  从曲线可以看出系统200℃×48h烘烤测试过程中,随着烘烤进行不锈钢镀铜材料热出气率变化逐渐趋于平缓。48h后系统开始降温,降温12h后系统接近室温,在此过程出气率急剧下降3个量级之多。随着系统抽气时间增加,96h后系统真空度基本达到极限,热出气率降低趋势逐渐趋于稳定。已知被测SS304镀铜样品表面积为A0 为1047.5 cm2,根据表面出气率计算公式求出SS304 镀铜热出气率为1.64×10- 10 Pa·m3/s·m2。观察RGA 获得的被测样品系统残气谱图,并根据导出数据对残气碎片二次峰分析,系统内主要残气成分以及占比如下:

  另外,分子质量数大于44的残气离子流均低于E-12率级,可以判断SS304碱式镀铜被测样品无污染迹象。

3、结论

  选择SS304制造小间隙Wiggler真空室可行,利用碱性(NaCN)镀铜工艺可以满足减小尾场效应的要求,且无需增加特殊的清洗工艺。通过小孔流导法得出SS304镀铜材料经过200℃×48h烘烤调试后的热出气率为1.64×10-10Pa·m3/s·m2,既满足Wiggler真空室使用要求,达到加速器物理对储存环真空室表面处理要求,也为粒子加速器设备超高真空系统设计提供了参考依据。

  注:SSRF首期两台Wiggler真空室采用SS304不锈钢镀铜加工完成并安装于储存环,2008年9月已顺利调束并出光,希望此文给后续类似插入件的设计加工提供参考。