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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.

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Presentation Transcript

  1. 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

  2. D: beam dose [mAh] a=0.6～1 Straight line: constant S Data for OFHC copper [Beam cleaning]

  3. [Before degass process] [After degass process] ! High temperature degass is efficient For thermal outgassing. Not so efficiebt for photo induced outgassing.

  4. Beam induced gas desorption p:pressure in the beam line Particle balance

  5. Low energy photon induced desorption: PSD Ag plated D2 H2

  6. Electron induced desorption from cryogenic surfaces Bass, Sanche; Low Temperature Physics 29, 202 (2003). O- desorption Dissociative Electron Attachment (DEA)

  7. 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

  8. 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)

  9. 2d

  10. (Calder, Fig.1) Numerical values for H2 in stainless steel

  11. 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

  12. 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

  13. Post bakeout outgassing rate: RLM Bake off DLM 950℃　2h Dimensionless outgassing parameter If coolong time is neglected,

  14. [Ishikawa]

  15. Modeling of surface potential ? Recombination limited desorption (RLD) No surface trapping site Thick oxide barrier

  16. Permeation For dissociative adsorption Heat of solution solubility Partial pressure of H2 in atmospheric pressure 23℃

  17. Introduction to the kinetic theory of gases

  18. Textbook

  19. VSJ_3_0 Free molecular flow

  20. 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

  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

  22. 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

  23. 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

  24. 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

  25. 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，

  26. 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

  27. 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 ｄ QV：流量 [Pa m3/s]

  28. 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

  29. 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

  30. 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)

  31. 分子流 粘性流 乱流 VSJ_3_8 分子流 中間流 粘性流

  32. 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

  33. 散乱確率 散乱方向分布  VSJ_3_10

  34. 実用表面での分子の散乱方向分布の測定例 鋼 アルミ VSJ_3_11 ガラス

  35. 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

  36. 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 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。

  37. 質量流量と流量 VSJ_3_13

  38. 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 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

  39. 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 VSJ_3_15 分子の占有体積： 排気速度　（理想排気速度）

  40. 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 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

  41. 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，

  42. p2 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

  43. コンダクタンスと排気速度

  44. 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 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

  45. 電気回路系との差異 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。

  46. 有効排気速度の算出 真空槽 VSJ_3_20 有効排気速度 S* p1 配管：C p2 ポンプ：S0

  47. 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

  48. 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） 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

  49. 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 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

  50. λ*の算出 VSJ_3_24

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