Photo stimulated desorption in accelerators
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Photo stimulated desorption in accelerators. CERN 99-05, Dynamic outgassing, O.Groebner. Total radiation power:. [W]. E: [GeV] I: [mA] r: [m] bending radius. [Test chamber for SR induced outgassing]. Photon flux per circumference [m -1 ]. Total gas desorption. Dynamic pressure rise.

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Presentation Transcript
Photo stimulated desorption in accelerators
Photo stimulated desorption in accelerators

CERN 99-05, Dynamic outgassing, O.Groebner

Total radiation power:

[W]

E: [GeV]

I: [mA]

r: [m] bending radius

[Test chamber for SR induced outgassing]

Photon flux per circumference [m-1]

Total gas desorption

Dynamic pressure rise


D: beam dose [mAh]

a=0.6~1

Straight line: constant S

Data for OFHC copper

[Beam cleaning]


[Before degass process]

[After degass process]

! High temperature degass is efficient

For thermal outgassing.

Not so efficiebt for photo induced

outgassing.


Beam induced gas desorption

p:pressure in the beam line

Particle balance



Electron induced desorption from cryogenic surfaces

Bass, Sanche; Low Temperature Physics 29, 202 (2003).

O- desorption

Dissociative Electron Attachment (DEA)


Absorption and permeation

Absorption and Permeation

Adsorption-desorption

吸着ー脱離

Dissociation-association (recombination)

解離ー会合

absorption

吸収

diffusion

拡散

permeation

透過


  • Handbook of Vacuum Technology (Wiley-VCH,2008)

  • Ishikawa: Vacuum 69, 501(2003)

  • Calder: British J. Appl. Phys. 18, 1459(1967)

  • Moore: J. Vac. Sci. Technol. A13, 545(1995)

  • Carter: Vacuum 34, 801(1984)

  • Fremerey: Vacuum 53, 197(1999)

  • Fukai: The Metal Hydrogen System (Springer, 2005)



(Calder, Fig.1)

Numerical values for H2 in stainless steel


Bakeout for hydrogen

823K x 1h

296K x 23 day

Outgassing rate at room temperature after high temperature bakeout for t1 x Tbake

Example:

T1=24h, Tbake=550K

Residual dissolved particles

Surface area A, Initial particle quantity N0

Outgassing ratio f

For f<0.3


Assumption in the simple theoretical calculation

Desorption is much quicker than diffusion process

No energetic barrier between bulk and surfaces

Homogeneous surface, no grain boundaries, defects, facets

Recombination limited model(Moore)

Krec: recombination rate

ns: particle density in surface region (atom/s/cm2)

numerical calc.

SUS-304LN, 950℃, 2d=1.9 mm


Post bakeout outgassing rate:

RLM

Bake off

DLM

950℃ 2h

Dimensionless outgassing parameter

If coolong time is neglected,



Modeling of surface potential

?

Recombination limited desorption (RLD)

No surface trapping site

Thick oxide barrier


Permeation

For dissociative adsorption

Heat of solution

solubility

Partial pressure of H2 in atmospheric pressure

23℃




Vsj 3 0

VSJ_3_0

Free molecular flow


Vsj 2 2

個々の分子の熱運動による流れ

「拡散流」

圧力差による流れ

「ポテンシャル流」

VSJ_2_2

圧力差

ρgh


Vsj 2 21

連続流体の流れ

希薄気体の流れ

「上流から下流へ」

「濃い方から薄い方へ」

VSJ_2_2

圧力差

ρgh


Vsj 3 3

流れの分類

圧縮性流体

粘性流

乱流

VSJ_3_3

非圧縮性流体

層流

中間流

(遷移流)

分子流


Vsj 3 31

流れの分類

圧縮性流体

粘性流

乱流

VSJ_3_3

非圧縮性流体

層流

中間流

(遷移流)

真空環境

分子流


Vsj 3 32

流れの分類

圧縮性流体

マッハ数

粘性流

乱流

VSJ_3_3

レイノルズ数

非圧縮性流体

層流

中間流

(遷移流)

クヌーセン数

分子流


Vsj 3 4

マッハ数(Mach number)

ベルヌイの式

VSJ_3_4

流れに伴う圧力変化

圧力による体積変化

B:体積弾性率

周囲との熱のやりとりがない「断熱変化過程」では,


Vsj 3 41

マッハ数(Mach number)

ベルヌイの式

VSJ_3_4

流れに伴う圧力変化

圧力による体積変化

マッハ数


Vsj 3 5

レイノルズ数

流体に作用する慣性力と粘性力の比

VSJ_3_5

断面積

QV

QV:流量 [Pa m3/s]


Vsj 3 6

VSJ_3_6

Re > 2200 乱流

< 1200  層流

経験則:

流量で表すと

QV > 2.6 x105 d [Pa m3/s] 乱流

QV < 1.4 x105 d [Pa m3/s] 層流

通常,乱流が真空装置で生じるのは,排気開始直後か大気開放時


Vsj 3 61

乱流による

ダストの発生の

抑制

流量を絞る

VSJ_3_6

Re > 2200 乱流

< 1200  層流

経験則:

体積流量で表すと

QV > 2.6 x105 d [Pa m3/s] 乱流

QV < 1.4 x105 d [Pa m3/s] 層流

通常,乱流が真空装置で生じるのは,排気開始直後か大気開放時


Vsj 3 7

粘性流領域: Kn < 0.01

中間流領域: 0.01 < Kn < 0.3

分子流領域: Kn > 0.3

クヌーセン数 (クヌードセン数)

VSJ_3_7

圧力差と壁面での粘性力の

バランス

(0.5)

熱運動による

分子の酔歩運動

(0.5)


Vsj 3 8

分子流

粘性流

乱流

VSJ_3_8

分子流

中間流

粘性流


Vsj 3 9

壁面による分子散乱

真空工学では,壁面での分子散乱の方向分布は,

「余弦則」に従う 「拡散反射」を仮定している

VSJ_3_9


Vsj 3 10

散乱確率

散乱方向分布



VSJ_3_10



余弦則散乱は,分子が壁面裏の仮想空間から入射してくる方向分布余弦則散乱は,分子が壁面裏の仮想空間から入射してくる方向分布

壁面に入射する

分子の方向分布


Vsj 3 12

3.3 余弦則散乱は,分子が壁面裏の仮想空間から入射してくる方向分布流量とコンダクタンス

気体の流量 : 単位時間に輸送される

             気体の体積と圧力の積

VSJ_3_12

配管を通過するような場合

容器を排気する場合

または

すべて,温度一定の場合には流量が便利であるが,

温度の変化する場合や反応が生じる場合には,質量流量を用いた方が明快になる。


Vsj 3 13

質量流量と流量余弦則散乱は,分子が壁面裏の仮想空間から入射してくる方向分布

VSJ_3_13


Vsj 3 14

配管のコンダクタンス余弦則散乱は,分子が壁面裏の仮想空間から入射してくる方向分布

  電気回路におけるコンダクタンスと同じ

VSJ_3_14

C: コンダクタンス

p1

p2

配管の2点間について定義される量


Vsj 3 15

排気速度余弦則散乱は,分子が壁面裏の仮想空間から入射してくる方向分布

真空ポンプの開口面のような真空装置内の

特定の断面(表面)について定義される量

VSJ_3_15

分子の占有体積:

排気速度 (理想排気速度)


Vsj 3 151

排気速度余弦則散乱は,分子が壁面裏の仮想空間から入射してくる方向分布

真空ポンプの開口面のような真空装置内の

特定の断面(表面)について定義される量

VSJ_3_15

分子の占有体積:

排気速度 (理想排気速度)

p.15 表1-5参照


Vsj 3 16

ポンプの排気速度は,ポンプの開口に入射した分子がポンプの排気速度は,ポンプの開口に入射した分子が

すべて捕捉されるわけではないので,理想排気速度より

小さくなる。

VSJ_3_16

ターボ分子ポンプの入口

ε:捕獲確率

  ホー因子(Ho factor) DP

0.2~0.5

ポンプにより排気される気体流量は,


Vsj 3 17

pポンプの排気速度は,ポンプの開口に入射した分子が2

p1

分子流の開口コンダクタンス

VSJ_3_17

開口コンダクタンス


コンダクタンスと排気速度ポンプの排気速度は,ポンプの開口に入射した分子が


Vsj 3 18

分子流コンダクタンスの合成則ポンプの排気速度は,ポンプの開口に入射した分子が

  「希薄気体の流れと圧力」で詳細を学ぶ

電気回路系との類似関係

VSJ_3_18

電気回路       真空排気系

 電圧         圧力

 容量         体積

 抵抗         コンダクタンスの逆数

コンダクタンスの直列接続

コンダクタンスの並列接続


Vsj 3 19

電気回路系との差異ポンプの排気速度は,ポンプの開口に入射した分子が

VSJ_3_19

  • 電気回路が集中定数系であるのに,真空系は「分布定数」回路的側面が多い。圧力の意味を考える必要。

  • コンダクタンスが開口端に分子がマックスウェル分布で入射した場合に定義されているため,多段接続では,次段へ入射する分子が「ビーム化」することによる誤差がある。

  • 電子は一方向にドリフトするのに対し,分子は戻ってくる確率がある。


Vsj 3 20

有効排気速度の算出ポンプの排気速度は,ポンプの開口に入射した分子が

真空槽

VSJ_3_20

有効排気速度

S*

p1

配管:C

p2

ポンプ:S0


リング状体積素片に関する力のバランスを考える。リング状体積素片に関する力のバランスを考える。

圧力差

粘性抗力


Vsj 3 22

長さリング状体積素片に関する力のバランスを考える。Lの配管の粘性流コンダクタンス

(Lは十分長いとき)

VSJ_3_22

  • 圧力に比例

  • 管径の4乗に比例

  • 管長に反比例

端面の影響:速度場形成


Vsj 3 23

分子流領域の円形配管のコンダクタンスリング状体積素片に関する力のバランスを考える。

★管壁により制約された拡散過程

VSJ_3_23

管内での実効的平均自由行程をλ*とすると

分子流コンダクタンスCMは


Vsj 3 24

λリング状体積素片に関する力のバランスを考える。*の算出

VSJ_3_24


Vsj 3 25

管壁への総衝突回数リング状体積素片に関する力のバランスを考える。

VSJ_3_25

管内分子の総飛行距離

円管部

開口


Vsj 3 26

pリング状体積素片に関する力のバランスを考える。1

p2

A2

A1

開口面積

真空配管の「通過確率」 (クラウジング係数)

入射

通過

VSJ_3_26

反射

QV

通過確率


Vsj 3 27

となる筈であるから,リング状体積素片に関する力のバランスを考える。

VSJ_3_27

の場合には,


Vsj 3 28

通過確率は,分子流領域の流れを考える基本量である。通過確率は,分子流領域の流れを考える基本量である。

また,モンテカルロ法などにより,複雑な形状の配管の

通過確率も容易に求めらる点も有用である。

 ⇒ 画像でみる真空工学

通過確率の近似式

VSJ_3_28

表3-1 参照

(3-47),(3-48)を比較


Vsj 3 29

広い圧力範囲で成り立つコンダクタンスの表式広い圧力範囲で成り立つコンダクタンスの表式

(クヌーセンの経験式)

VSJ_3_29


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