粒子加速器真空系统

目录 第1章 粒子加速器真空系统概述 1 1.1 粒子加速器简介 2 1.1.1 粒子加速器的基本构成 2 1.1.2 粒子加速器的分类 2 1.1.3 粒子加速器技术的发展趋势 10 1.2 粒子加速器真空系统简介 13 1.2.1 真空物理基础 13 1.2.2 真空系统的计算 19 1.2.3 粒子加速器真空系统的作用 23 1.2.4 粒子加速器真空系统的组成 25 1.2.5 不同粒子加速器对真空度的要求 26 1.2.6 粒子加速器真空系统设计难点及关键技术 28 1.3 本章小结 30 参考文献 31 第2章 真空泵 32 2.1 真空泵的分类 32 2.1.1 基于工作原理分类 32 2.1.2 基于真空度分类 35 2.2 粒子加速器中常用真空泵介绍 36 2.2.1 机械泵 36 2.2.2 低温泵 37 2.2.3 扩散泵 40 2.2.4 涡轮分子泵 42 2.2.5 吸气剂泵 43 2.2.6 溅射离子泵 47 2.3 粒子加速器中真空泵的选择和设计原则 53 2.3.1 真空泵的选型和设计原则 54 2.3.2 常用真空泵参数比较 55 2.4 本章小结 56 参考文献 56 第3章 真空规 58 3.1 真空度测量概述 58 3.2 总压强测量 59 3.2.1 真空规的选用原则 60 3.2.2 真空规的分类及测量范围 60 3.2.3 基于水银或其他非挥发性液体的真空规 61 3.2.4 基于力效应的真空规 62 3.2.5 基于气体比热效应的真空规 65 3.2.6 基于电离效应的真空规 68 3.3 分压强测量 77 3.3.1 分压强测量或残余气体分析的过程 77 3.3.2 四极质谱仪 77 3.3.3 射频质谱仪 78 3.3.4 飞行时间质谱仪 79 3.4 真空度测量的影响因素 80 3.4.1 气体种类的影响 80 3.4.2 温度的影响 82 3.4.3 管规和裸规的影响 83 3.4.4 规管吸放气的影响 83 3.4.5 热表面与气体相互作用的影响 84 3.4.6 规管选择、安装及规程的影响 85 3.5 真空检漏 86 3.5.1 真空检漏概述 86 3.5.2 真空检漏的目的 87 3.5.3 漏孔及泄漏率 88 3.5.4 泄漏类型 89 3.5.5 检漏影响因素 90 3.5.6 氦检漏器 91 3.6 本章小结 95 参考文献 96 第4章 气体吸附与解吸 97 4.1 粒子加速器真空腔室的气体来源 97 4.2 气体吸附 98 4.2.1 气体吸附基础理论 98 4.2.2 吸附等温线 99 4.3 热放气 101 4.3.1 热放气机制 102 4.3.2 热放气测量方法 103 4.3.3 热放气速率的影响因素 107 4.4 光子致解吸 109 4.4.1 光子致解吸机制 109 4.4.2 光子致解吸数学物理模型 109 4.4.3 光子致解吸测量方法 112 4.4.4 光子致解吸与累积光子剂量的关系 115 4.4.5 不同材料的光子致解吸 115 4.4.6 材料处理程序的影响 117 4.4.7 光子致解吸与同步辐射临界光子能量的关系 118 4.4.8 光子致解吸与真空腔室温度的关系 119 4.4.9 光子致解吸与入射角度的关系 119 4.4.10 非蒸散型吸气剂的影响 120 4.5 电子致解吸 121 4.5.1 电子致解吸机制 121 4.5.2 电子致解吸测量方法 121 4.5.3 不同材料的电子致解吸 123 4.5.4 电子致解吸与电子能量的关系 124 4.5.5 表面抛光和真空烧制的影响 126 4.5.6 电子致解吸与腔室温度的关系 128 4.6 离子致解吸 128 4.6.1 离子致解吸数学物理模型 128 4.6.2 离子致解吸测量方法 129 4.6.3 离子致解吸与累积离子剂量的关系 130 4.6.4 离子致解吸与离子能量的关系 131 4.6.5 离子致解吸与腔室温度的关系 132 4.7 本章小结 132 参考文献 132 第5章 粒子加速器中束屏的设计及优化 134 5.1 束屏设计背景 134 5.2 束屏热力学性能及冷却方案 136 5.2.1 工作温度的确定 137 5.2.2 束流管道的冷却方案 138 5.2.3 束屏上的有限元模拟 139 5.3 束屏真空性能及材料选择 141 5.3.1 同步辐射 142 5.3.2 束屏的动态真空模型 143 5.3.3 束屏材料的选择 144 5.4 束屏的机械应力 145 5.4.1 超导失超 145 5.4.2 束屏的结构模拟 146 5.5 排气孔的设计与优化 147 5.5.1 低频耦合阻抗问题 148 5.5.2 高频阻抗 150 5.6 未来展望 151 5.7 本章小结 153 参考文献 153 第6章 粒子加速器中的电子云问题 155 6.1 电子云效应 155 6.1.1 电子云现象 156 6.1.2 二次电子 157 6.2 二次电子抑制方法 163 6.2.1 表面改性 163 6.2.2 外部附件 171 6.3 本章小结 172 参考文献 172 第7章 粒子加速器真空系统材料 174 7.1 材料的选择标准 174 7.2 材料的机械性能 174 7.2.1 应力-应变 174 7.2.2 硬度 176 7.2.3 强化 178 7.3 材料的热导率 179 7.4 材料的电导率 180 7.5 粒子加速器常用材料 180 7.5.1 传统金属材料 180 7.5.2 复合材料 183 7.5.3 非金属材料 183 7.5.4 其他材料 184 7.6 材料的连接 184 7.7 气体渗透率和气体排放 185 7.7.1 气体渗透率 186 7.7.2 气体释放 187 7.8 材料的清洗流程 188 7.8.1 不锈钢的清洗 188 7.8.2 铝的清洗 188 7.8.3 铜的清洗 189 7.8.4 陶瓷的清洗 191 7.8.5 玻璃的清洗 192 7.8.6 材料清洗程序及工艺 192 7.9 本章小结 194 参考文献 194 第8章 真空系统的烘烤 197 8.1 真空系统烘烤概述 197 8.2 真空系统的材料 199 8.2.1 不锈钢 199 8.2.2 铝合金 203 8.2.3 铜合金 205 8.2.4 玻璃 206 8.2.5 吸气剂薄膜 207 8.3 加热方式 218 8.3.1 加热带烘烤 218 8.3.2 氮气流加热 220 8.3.3 电磁感应加热 221 8.4 本章小结 222 参考文献 223 第9章 粒子加速器真空系统典型案例及展望 224 9.1 兰州重离子加速器真空系统 224 9.1.1 扇形回旋加速器真空系统 224 9.1.2 分离扇形回旋加速器真空系统 225 9.1.3 HIRFL-CSR 真空系统 226 9.1.4 束流输运线真空系统 227 9.2 中国散裂中子源加速器真空系统 227 9.2.1 负氢离子直线加速器 228 9.2.2 LRBT&RTBT 束流输运线 228 9.2.3 快循环同步加速器 229 9.3 合肥光源真空系统 229 9.3.1 合肥光源直线加速器真空系统 230 9.3.2 合肥光源电子储存环真空系统 230 9.4 上海光源真空系统 231 9.4.1 输运线真空系统 231 9.4.2 储存环真空系统 232 9.4.3 增强器真空系统 233 9.5 北京正负电子对撞机真空系统 233 9.5.1 BEPCⅡ注入器真空系统 234 9.5.2 BEPCⅡ储存环真空系统 234 9.6 CEPC真空系统 235 9.6.1 CEPC直线加速器真空系统 235 9.6.2 CEPC对撞机真空系统 236 9.6.3 CEPC增强器真空系统 238 9.6.4 CEPC阻尼环真空系统 239 9.7 SPPC真空系统 239 9.7.1 SPPC真空设计挑战 240 9.7.2 SPPC真空设计要求 240 9.8 LHC真空系统 241 9.8.1 LHC真空系统概述 241 9.8.2 HL-LHC的真空设计 242 9.8.3 HE-LHC的真空设计 245 9.9 KEKB真空系统 246 9.9.1 LER真空系统 247 9.9.2 HER真空系统 248 9.10 粒子加速器真空系统的展望 248 9.11 本章小结 251 参考文献 251