Date post: | 31-Dec-2015 |
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1
Photo stimulated desorption in acceleratorsCERN 99-05, Dynamic outgassing, O.Groebner
[Test chamber for SR induced outgassing]
[W]
E: [GeV]I: [mA][m] bending radius
Photon flux per circumference [m-1]
Total radiation power:
yielddesorptionmolecular:0QIEkTQ
Total gas desorptionDynamic pressure rise
S
I
p 0
2
[Beam cleaning]
a0
DD: beam dose [mAh]
a=0.6 ~ 1
Straight line: constant S
Data for OFHC copper
3
[Before degass process]
[After degass process]
! High temperature degass is efficientFor thermal outgassing.Not so efficiebt for photo induced outgassing.
4
Beam induced gas desorption
Particle balance
p:pressure in the beam line
SeI thanlessbemustη
5
Low energy photon induced desorption: PSD
Ag plated
D2H2
6
Electron induced desorption from cryogenic surfacesBass, Sanche; Low Temperature Physics 29, 202 (2003).
O- desorptionDissociative Electron Attachment (DEA)
Absorption and Permeation
Adsorption-desorption
Dissociation-association (recombination)
absorption
diffusion
permeation
吸着ー脱離
解離ー会合
吸収
拡散
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)
)lawfirstsFick'(d
d disdiff x
nDj
RT
EDD diff
0 exp
particledissolvedofdensity:disn
)lawsecondsFick'(2dis
2dis
x
nD
t
n
Dt
d
i
d
xii
d
Dntxn
i
21
0,disdis
)12(πexp
)12(πsin)12(
2),(
2d
),(dis txn
0,disn0for0),d(dis ttn
0for),( 0,disdis tntxn
i d
Dtin
d
Dtdxj
2
22
0,disdif 4
π)12(exp
2),(
outgassingofconstanttimeπ
42
2
out D
dt
(Calder, Fig.1)
out5.0For tt
out02
2
0,disdif exp4
πexp
2),(
t
tjt
d
Dn
d
Dtdxj
out5.0For tt
t
tj
t
tn
d
Dtdxj out
0out
0,disdif 1616
2),(
0,dis0
2n
d
Dj
Numerical values for H2 in stainless steel
mm22 dsD /cm012.0 2
0
kJ/mol56dif E
f=0.1 f=10-6
tout (s) tout (s)
296 1.6x10-12 2.6x109
5.4x109
3.5x1010
500 1.7x10-8 2.4x105
5.0x105
3.3x106
823 3.4x10-6 1.2x103
2.5x103
1.6x104
1223 4.9x10-5 83 174 1.1x10
3
T(K) D (cm2/s) tout (s)
823K x 1h
Bakeout for hydrogen
296K x 23 day
Outgassing rate at room temperature after high temperature bakeout for t1 x Tbake
12
bake2
0,disRT
dif 4
πexp
2t
d
Dn
d
Dj
Example: T1=24h, Tbake=550K 238dif /s/mmPa1001.1 j
Residual dissolved particles
Surface area A, Initial particle quantity N0
t
tAjtN d2)( dif
Outgassing ratio f
259π
8)( 259
20
eee
N
tNf
outt
t
ft
t2
out π
8ln
For f<0.3
Assumption in the simple theoretical calculation
1.Desorption is much quicker than diffusion process2.No energetic barrier between bulk and surfaces3.Homogeneous surface, no grain boundaries, defects, facets
Recombination limited model ( Moore)
2srecrec nKj Krec: recombination rate
ns: particle density in surface region (atom/s/cm2)
numerical calc.SUS-304LN, 950℃, 2d=1.9 mm
Catn 0cm/Torr3.0 30
)s(
/scm25,950for1014.1,103 22722 CCKrec
Post bakeout outgassing rate:
DLM
RLM
950℃ 2h
Bake off
0
0
020 exp1 t
D
kT
ED
dF
Dimensionless outgassing parameter
If coolong time is neglected,2
00
)(
d
tTDF high
[Ishikawa]
Modeling of surface potential
Recombination limited desorption (RLD)
Thick oxide barrier
No surface trapping site
?
Permeation
d2
1p 2p
21permperm d2
1ppKj
For dissociative adsorption
2/12
2/11permperm d2
1ppKj
DKK sperm
RT
EKK s
0ss exp
Heat of solution
solubility
RT
E
n
n
K
K s
outside
inside
0s
s exp
Partial pressure of H2 in atmospheric pressure Pa01.02H p
2mm2d kJ/mol9.59s E
]/s/mmPa[1006.8 2312perm j 23℃
Introduction to the kinetic theory of gases
Textbook
VSJ_3_0
Free molecular flow
VSJ_2_2
圧力差
圧力差による流れ
「ポテンシャル流」
ρ g h
個々の分子の熱運動による流れ
「拡散流」
VSJ_2_2
圧力差
ρ g h
「上流から下流へ」 「濃い方から薄い方へ」
連続流体の流れ希薄気体の流れ
VSJ_3_3
流れの分類
粘性流
分子流
中間流(遷移流)
圧縮性流体
非圧縮性流体
層流
乱流
VSJ_3_3
流れの分類
粘性流
分子流
中間流(遷移流)
圧縮性流体
非圧縮性流体
層流
乱流
真空環境
VSJ_3_3
流れの分類
粘性流
分子流
中間流(遷移流)
圧縮性流体
非圧縮性流体
層流
乱流マッハ数
レイノルズ数
クヌーセン数
VSJ_3_4マッハ数( Mach number)
ベルヌイの式一定 2
2
1up
2
2
1up 流れに伴う圧力変化
周囲との熱のやりとりがない「断熱変化過程」では,
一定pV
圧力による体積変化B
VdV
dp
/B: 体積弾性率
VSJ_3_4マッハ数( Mach number)
ベルヌイの式一定 2
2
1up
2
2
1up 流れに伴う圧力変化
圧力による体積変化pB
VdV
dp /
222
2
1
2
1
2
1M
c
u
p
up
V
V
B
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
dU
Re 断面積
QV d2
4
1d
QV :流量 [Pa m3/s]
pd
QU V
2
41
VSJ_3_6
dkT
mQ
dp
QR VVe
44
経験則:Re > 2200 乱流 < 1200 層流
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_6
dkT
mQ
dp
QR VVe
44
経験則:Re > 2200 乱流 < 1200 層流
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
乱流によるダストの発生の
抑制
流量を絞る
VSJ_3_7
クヌーセン数 (クヌードセン数)
LKn
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
圧力差と壁面での粘性力のバランス
熱運動による分子の酔歩運動
(0.5)
(0.5)
VSJ_3_8
分子流 粘性流
中間流分子流
粘性流
乱流
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_10
�
散乱方向分布
散乱確率
ddf cos1
)(
ddd sin
VSJ_3_11
実用表面での分子の散乱方向分布の測定例
鋼 アルミ
ガラス
壁面に入射する分子の方向分布
cosdS
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_12
3.3 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
dt
dVp
dt
pVdQV
)(
dt
dpVまたは
配管を通過するような場合
容器を排気する場合
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
VM QkT
mQ
nkTp
VSJ_3_14
配管のコンダクタンス 電気回路におけるコンダクタンスと同じ
p1 p2
C: コンダクタンス
)( 21 ppCQV
配管の2点間について定義される量
VSJ_3_15
排気速度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 分子の占有体積:
n
1
排気速度 (理想排気速度)
Avvnn
AS4
1
4
11
VSJ_3_15
排気速度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 分子の占有体積:
n
1
排気速度 (理想排気速度)
Avvnn
AS4
1
4
11
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。
AvSS 4
1real
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,
realV pSQ
ターボ分子ポンプの入口
VSJ_3_17
p1
p2
分子流の開口コンダクタンス
)(4
1
4
1
4
12121 ppAvApvApvQV
AvCO 4
1
開口コンダクタンス
コンダクタンスと排気速度
VSJ_3_18
分子流コンダクタンスの合成則
「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
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
i
11
CC iCC
VSJ_3_19
電気回路系との差異
•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
有効排気速度
真空槽
配管: C
ポンプ: S0
)( 21201* ppCpSpSQV
S*
p
1p
2
CSS
111
0*
dxdx
dprdrF
π2圧力差
drdr
dur
dr
ddxdr
dr
dFF
π2粘性抗力
0 FF
dx
dpr
dr
dur
dr
d
dx
dparru
4)(
22
dx
dppaQ
8
4
V
リング状体積素片に関する力のバランスを考える。
VSJ_3_22長さ Lの配管の粘性流コンダクタンス
( L は十分長いとき)
)(8 21
4
ppL
paQV
8
4 paC
•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e
* 277.0 aRL
VSJ_3_23分子流領域の円形配管のコンダクタンス
★管壁により制約された拡散過程
dx
dnv
dx
dnDJ
3
1
管内での実効的平均自由行程を λ* とすると
L
ppvaQV
)(
3
1 21*2
分子流コンダクタンス CM は
kT
pn
*2
3
1 vaL
CM
VSJ_3_24
λ* の算出
VSJ_3_25
管壁への総衝突回数
22
vaLnaLZ
管内分子の総飛行距離vLna2
aZ
2*
L
aC
L
ava
L
vaCM 3
8
3
8
43
20
23
開口円管部
VSJ_3_26
真空配管の「通過確率」 (クラウジング係数)
入射 通過
反射QV
p1 p2
A1A2
開口面積
)(4
1
4
12122121121 ppCpKAvpKAvQV
通過確率
VSJ_3_27
21 pp 0VQ となる筈であるから,
MCKAvKAv 212121 4
1
4
1
21 AA の場合には, KKK 2112
KCL
aC
L
ava
L
vaCM 00
23
3
8
3
8
43
2
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。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
表 3-1 参照(3-47),(3-48) を比較
通過確率の近似式
VSJ_3_29
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)
)( DpJCC MTF