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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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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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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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