le vide dans les accelerateurs

8/15/2019 Le Vide Dans Les Accelerateurs

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Le vide dans lesaccélérateurs

P. Dolégié[email protected]

Ecole des Accélérateurs – IN2P3La Londe Les Maures 11 – 16 Novembre 2007


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P. Dolégiéviez - Le vide - Ecole des accélérateurs – Novembre 2007 2

sommaire

1. Généralités

2. Eléments de théorie

3. Technologie du vide4. Exemples de systèmes de vide :

le Ganille projet Spiral 2 : contraintes particulières


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Qu’est ce que le vide ?

Petit Larousse : espace où les particulesmatérielles

sont fortement raréfiées (P < Patmosphérique)

nv < 2,5 . 10 19 molécules/cm 3

Technique du vide : technologie mise en œuvre pourobtenir et maintenir des pressions < Patm.

1. Généralités


4/97P. Dolégiéviez - Le vide - Ecole des accélérateurs – Novembre 2007 4

unités de pressionutilisées dans le domaine du vide :

le Pascal (SI) (1N/m2)

le mbar (UE)le Torr (US)le mmHg .. (=1Torr)

1 Torr = 133,3 Pa

1. Généralités

1 Pa = 10-2 mb1hPa = 1 mb

avant d’aller plus loin


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Les limites doivent être considérées comme approximative

de 105 à 102 Pa : vide industriel ou vide primairePas d’influence des parois – régime d’écoulement turbulentlaminaire

de 102 à 10-1Pa :vide moyenVariation de la viscosité et de K – régime laminaire oumoléculaire suivant les dimensions de l’enceinte à vide

de 10-1à 10-5 Pa :vide pousséLes phénomènes de surface interviennent – régimed’écoulement moléculaire

< 10-5 Pa :ultra-vide

Domaine des faibles concentrations moléculaire – phénomède surface – technologie ultra-vide

Domaines de pression

1. Généralités


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1/ Le vide : tout autour de nous


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Altitude (Km) P (hPa)

Niveau de la mer 0 1013Sommet Mont-Blanc 4.8 560Altitude des jets 15 120

Satellites géostationnaires 35800 2.10-5

Au voisinage du sol lunaire 0 5.10-7

A l’altitude de la lune 384000 5.10-9

Dans notre galaxie (estim.) 10-15 -10-17

Espace inter-galactique (estim.) 10-22 -10-24

P => exp- h

Pexp~ 10-12hPa

1/ Le vide : tout autour de nous


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1/ Composition de l’air atmosphérique sec

Concentration(%)

Pression partielle(mbar)

Azote N2 78 780

Oxygène O2 21 210Argon Ar 0.93 9.3

Gaz carbonique C02 0.03 0.3Néon Ne 0.0018 1.8 10-2

Hélium He O.OOO5 5 10-3

Krypton Kr 0.0001 1 10-3

Hydrogène H2 0.00005 5 10-4

Xénon Xe O.000006 6 10-5

ε = 65%Pp(H20)=15 m

∑= PT PP ∑= PT PP


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1/ Le vide : pourquoi faire ?

Domaine d’application étendu choix d’une technologi


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perte du faisceau par collision avec le gaz résiduelperte du faisceau par collision avec le gaz résiduel

Collisions élastiquesCollisions inélastiques :perte d’energieéchange de charges avec le gaz résiduel

1/ Le vide : pourquoi faire ?

limiter les interactions du faisceau avec le gaz résidudans les accélérateurs de particules :

permettre le fonctionnement de systèmes spécifiques• les sources de particules• les systèmes HT (cavités accélératrices HF..)• les cryosystèmes (cavités HF supra, cryomagnétisme, détecteurs..)

Sourcesyst. accélérateur

transport

cible / détection


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2.2/ Description macroscopique :loi des gaz parfaits

Hypothèses : gaz permanents et vapeurs éloignées desconditions de liquéfaction

Loi d’AvogadroM = 29.d M: masse molaired: densité du gaz(273K / 1 atm.)

des volumes égaux de gaz différents (mêmes cond. de T et P)contiennent le même nb. de molécules

dans les conditions normales(TPN) une mole de gaz occupe 22,4l econtientN molécules

avecN A = 6,02. 1023 molécules

Soit aux conditions TPN une densité moléculairen =N A / V = 2,7 1019molécules/cm3

Conditions TPN : T 0 = 273,15 KP0 = 1 atm = 1013,25 hPa


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Evolution du nb. de molécules avec la pression et la température

Transformation isotherme : PV = cte (loi de Mariotte)Transformation isobare : V/T = cte (loi de Gay LussTransformation isochore : P/T = cte (loi de Charles)

Un gaz vérifiant les trois lois précédentes serait soumis à la loi d’état : P

2.2/ Description macroscopique : Loi des gaz pa

P1,V1,T1 P2,V2=V1,T2 P3=P2,V3,T3

V=cte P=cte

P2 = (P1/T1)T2 V3 = (V2/T2)T3

P2 V3 = P1V2 (T3/T1)P3 V3 =(P1V1)/T1T3

P V = R T

R = constante des gaz parfaits = 8,314 J / K.mole

PV a la dimension d’uénergie (Ep)


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pour n moles P V = n R T

en introduisant le nb. de molécules N = nN A P V = N (R/N

A ) T

cte de Boltzmannk = 1,381.10-23 J/K (par molécule)

Soit P V = N k T ouP = n V k T avec nV densité moléculaire

la pression est proport. à la densité moléculaire …

2.2/ Description macroscopique : Loi des gaz p

loi des gaz parfaits => description macroscopique

la pression résulte de l’ensemble des chocs des moléculessur les parois (1 Pa = 1 N/m2)

notion de pressions partiellesdiminuer la pression revient à réduire le nombre demolécules ou leur vitesse (T)

loi des gaz parfaits => description macroscopique

la pression résulte de l’ensemble des chocs des moléculessur les parois (1 Pa = 1 N/m2)

notion de pressions partiellesdiminuer la pression revient à réduire le nombre demolécules ou leur vitesse (T)

2 3/ D i ti i ithé i i éti d


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2.3/ Description microscopique :théorie cinétique desgaz

basée sur les hypothèses :

gaz constitué d’un très grand nombre de particules ddimensions très faibles et indépendantes les unes deautresmouvement incessant et aléatoire des molécules dedont la vitesse (Ecinétique) dépend de la température dugazcollisions élastiques et trajectoires rectilignes entredeux chocs (inter-moléculaires ou avec les parois)

basée sur les hypothèses :

gaz constitué d’un très grand nombre de particules ddimensions très faibles et indépendantes les unes deautresmouvement incessant et aléatoire des molécules de dont la vitesse (Ecinétique) dépend de la température dugazcollisions élastiques et trajectoires rectilignes entredeux chocs (inter-moléculaires ou avec les parois)


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Vitesse la plus probable(maximum de la distributio

Vitesse moyenne arithmétique

Vitesse quadratique moyenne

fv

vT’ > T

T

vp

M

RT v p

2=

M

RT vm

π

8=

M

RT vc

3=

à 20°C, v p ~400 m/s (N 2 )

v p ~1500 m/s (H 2 ) 5400 km/h …

2.3/ Distribution des vitesses (Maxwell – Boltz

Importance de la nature dugaz dans les calculs

d’écoulement aux bassespressions


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2.3/ Pression et densité moléculaire

La force de pression résulte des chocs des molécules sur les parois. Si lesmolécules et les parois sont à la même T° => pas d’échange d’énchocs élastiques

D’où la force de pression = variation de la qtté de mouvement => 2mSoit la pressionP = 2mv.G avec G nb de choc.s-1.m-2

Pour un cube de volume unitaire, toutes les directions de v sontéquiprobables. Le nb de chocs sur une des 6 faces du cube est

G = nv (v/6) avec nv densité moléculaire

d’où P = 1/3 . nv . m . v2

en prenant la vitesse quadratique moyenne vc

P = n v . K . T

Pour P = 10 -11 Pa technologie XHV ( ~ limite exp.)

à 293 K , il reste 2500 molécules/cm 3 …


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2.3/ Chocs sur les parois

Le choc d’une particule gazeuse avec une paroi ne suit pade la réflexion (boule de billard)

La particule séjourne sur la parois ( avec untemps de séjourτs )puis est ré-émise dans une direction avec une probabilitédonnée par la loi de Lambert

α v

V0V = V 0 cos α

Fondamental pour le calcul deécoulements gazeux à très

basses pressions (lm> d)écoulement gazeux difficile à

basses pressions (régimemoléculaire)


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2.3/ temps de séjour sur la parois

E dépend de la nature du gaz et de la parois

N2 2 à 3 kcal/moleH2O 10 à 25 kcal/moleH/H2 sur Fe 32 kcal/mole physisorptionchimisorption adsorption

τ séjour=τ0 exp (E / RT)avec E : chaleur d’adsorption

t0 : période d’oscillation de la molécule adsorbée (~10-13s à 20°C)

temps de séjourτ court écoulement en RM

τ long phénomènes de surface

τ très long piège pour les gaz


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2.3/ libre parcours moyen

PT k

d d nlm

..

2..

1

2...

122 π π

==

Lm définition du videpoussé

(intéraction des molécules dgaz avec les parois, régime

d’écoulement)


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2.3/ temps de formation d’une monocouche

Cas idéal, permet d’apprécier la propreté d’une surface(en terme de quantité de gaz)Taux d’incidence ou nb de chocs de molécules par unité de temps et d

n = ¼ . nV

. Vm

(théorie cinétique)

Pour former une monocouche , il faut un temps :τ =μ s / n (μ s nb de molécules par unité de

surface)

pour des molécules alignées :μ s = 1 / d² ( d diamètre de la moléculed

nb. de molécules pour une monocouche (pour N 2 : μ s = 7.10 18 /m 2 )

( ) RT M

nd nvm.2

41τ

2s π μ ==

pour N 2 à 3OOK τ = 2,5s à 10 -4 Pa

~7h à 10 -8

Pa


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2.3/ accomodation

T gaz T paroi échange d’énergie entre le gaz et laparoi≠

T i

T R1 T R2

T p

T p

Le coefficient d’accommodationdéfinit la capacité d’une paroi échanger de l’énergie avec une

molécule de gaz (modifier sa T

ip

iR

TTTT

−−=α

dans les cryopompes, optimisation ducoefficientα ( 1) et de la géométrie des

surfaces froides pour ‘thermaliser’ le gaz


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2/3 probabilité de transfert (régime moléculai

Prise en comptedu coefficient decollage s

P T = 2,5 .10 -3

stat. 10 6 particules

s = 1

Φ = L/10

P T = 0,1

s = 0Simulation de laprobabilité detransfert des

molécules de gaz dansune structure (régime

d’écoulementmoléculaire)


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2.4/ Bilan des flux gazeux

P

tLog/Log

pompage en volume P(t) = P0 exp -(Seff/V . t)phénomènes de ‘surface’ (dégazage) : désorpt

Analyse de la descente en pressionAnalyse de la descente en pression

diffusion

perméation

lafuite !


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Analyse de la descente en pression : aspect qualitatifAnalyse de la descente en pression : aspect qualitatif

évolution type de la composition du vide résiduel d’un

système UHV


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fuite

matériau

conception

diffusion

perméation

vaporisation

désorption• statique• induite par le faisceau

• directement• indirectement

Q

procédé

fuites ‘virtuelles’ (Δn C )

pompage



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2.5/ Phénomènes de surface

Prise en charge par le système de vide d’un corps àl’état gazeux ou vapeu

* phase gazeuse d’un corps solide ou liquide à P et T donn

Diagramme de phases

P

T

solide

gazeux

liquideliquéfaction

condensation Utilisation sous vide de

corps non volatils (à

basses tension devapeur) auxtempératuresd’utilisation

sublimation

vaporisation


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T (K)

10-3 Pa/200°Cidem pour Mg à 29

1,8

cryocondensation


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phènomènesendothermique

Fuite d’eau sous vide :


l’eau et le vide

• quantité d’eau importante

• micro fuite sur uncircuit de

refroidissementévaporation en

empruntant de lachaleur à l’eaurestante => formationde glaçon => bouchagepartiel de la fuite =>

sublimation de la glace


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)21(. PP f eS

J q gp −=

LaLaperméationperméationLes corps solides ne sont pas des obstacles aux gaz. Les gaz ptraverser les corps solides suivant un processus complexe :

•Adsorption de la molécule sur la parois externe•Dissociation de la molécule•Dissolution dans le réseau•Diffusion•Recombinaison sur la parois interne•Désorption sous vide


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Absorption des gaz parphysisorption largement utilisé en technique du videlargement utilisé en technique du vide pour pour pièger pièger les molécules de gaz résiduel les molécules de gaz résiduel

Principaux absorbants utilisés :• Zéolites• Silica-gel• Charbon actif

sous forme de fibres(V. Baglin CERN)

X25

X 10000

V. Anashin et al. Vacuum 75 (2004) 293-299

Charbon actif : le meilleur absorbant• 1000 à 1700 m2/g porosité qq diz. 10-10m• utilisation sous forme de batonnets(diam. 3 mm, L: 4 à 5 mm)


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2 5/ Phé è d f


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Cryosorption de l’H2 sur charbonactif refroidi à 20 K (couplagethermique par collage sur la

source cryogénique)

Étage 20K sur cryopompe DN800 (CSS – Ganil)

2 5/ Phé è d f


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q t g ∝ 1

DésorptionDésorption-- dégazagedégazage élastomères

plastiques

métaux

q t g ∝ 1

qt g

∝ 1

Évolution du dégazage sous vide

Élastomères et plastiques :Qg (t = 0)et

Métaux : Qg (t = 0)et


Phénomène limitant l’obtentiondes basses pressions

2 6/ fl d d d


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Taux de désorptionTaux de désorption

après nettoyage et 100h de mise sous vide

Métaux (inox) qq. 10-8 Pa.m.s-1 (qq. 10-11mb.l.s-1.cm-2)élastomères qq.10-4 Pa.m.s-1

+ traitement thermique (étuvage 120°C)Métaux (inox) qq. 10-9 Pa.m.s-1élastomères (viton) qq.10-6 Pa.m.s-1

étuvage 300°C in-situMétaux (inox) qq. 10-11Pa.m.s-1

2.6/ flux gazeux : ordres de grandeur

2 6/ fl g é l


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( )eff

pollution fuitestimulé dég process perméationgu

S

QQQQQst qt P ∑ +++++= .).()(

choix des matériaux, optimisation des surfaces, nettoyage des s

choix matériaux (technologie tt métal), épaisseu

à évaluer à limiter

efficacité du système en terme de po

2.6/ flux gazeux : conséquences sur la concep

2 7/ Eco lement des g


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2.7/ Ecoulement des gaz

nb. de Reynolds

Flux gazeux (Pa.m3.s-1) RT

MQ

d πη

4Re =

V qPQ .=

Détermination des régimes d’écoulement gazeuxDétermination des régimes d’écoulement gazeux

Turbulent Re > 2200 Q > 2,6 103 d (air 20°C)

Re < 1200 Q < 1,4 103 dd/lm > 80

d/lm < 3

Laminaire

Moléculaire

2 7/ écoulement des gaz : notion de conductan


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En régime permanent, le nb. de molécules N’ par unité de temps traverse un plan de canalisation estΔnN’ = C (n1-n2)

Pour un ensemble isotherme :N’kT = C(n1kT – n2kT)

= C (P1-P2)

En notant que N’= n qVP qV = C (P1-P2)Q = C .ΔP (avec C en m3.s-1) C = 1/Z = Q /ΔP

∝

N’n1n2

Combinaison des circuits• en série

• en parallèle ∑= i iC C ∑= i

iC C 11

2.7/ écoulement des gaz : notion de conductan

2 7/ écoulement des gaz : notion de conductan


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dL

P1 P2

2.7/ écoulement des gaz : notion de conductan

exemple deconductances C : tubede section circulaire

⎟ ⎠ ⎞

⎜⎝ ⎛ +=

212821

4 PP L

d C

η π

Régime laminaire

ex :d= 2cm, L=1mRL :ΔP = 104 Pa => c = 2,2 m3.s-1

ΔP = 102 Pa => c = 2,2 10-2 m3.s-1RM : => c = 9,8 10-4 m3.s-1

Ld

M RT

C 32

61 π =

Régime moléculaire

En régime moléculaire, pour un une température donnée, la

conductance ne dépend que de

géométrie de l’élément decanalisation

En régime d ’écoulement moléculaireutiliser des canalisations courtes et degrands diamètres pouroptimiser lesconductances

2 7/ écoulement des gaz


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2.7/ écoulement des gaz

Conductance etConductance etdébit volume effectifdébit volume effectif

conductance : facteur limitantla vitesse de pompage effective

S eff / q v

C / q v

qv : débit volume de la pompeC : conductance de raccordement dela pompe sur l’enceinteS eff : débit volume effectif sur

l’enceinte

111

−

⎟⎟ ⎠ ⎞

⎜⎜

⎝ ⎛ +=

C qS

veff

cher le l.s- 1 de pompage !



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C2Q

C2

LlqP gu ==Δ ..

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

+ −=CL2x

Cx

lqPxP2

gu0 ..)(

P0 Pmax P0

Pour une géométrie fixée,ΔP ne dépend que du dégazage du tuberéduire le taux de désorption (traitement de surface, conditio

propreté)pompage réparti


cas particulier des accélérateurs de particules : dégazage récas particulier des accélérateurs de particules : dégazage rétitiLongues canalisations en vide poussé => prise en compte de la condu

du tube de faisceau et du dégazage du matériau



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ruban NEG

Electron Beam

Cooling and Heating channels NEG coating

LHC vacuum chamber section

dépôt NEG

dégazage réparti => une solution : lepompage réparti

3/ Technologie : les moyens de pompage


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pompes

Pompes à transfertPompes à transfertPompes à fixationPompes à fixation

Pompes volumétriquesPompes volumétriques Pompes cinétiquesPompes cinétiques

à oscillations

à pistons

à palettes

à spirales

à becs

Roots

à parois mobiles à fluide moteur

moléculairesturbomoléculaires

à diffusion

cryogéniquesrotatives

à membranes

ioniques

sublimateurs

NEG

3/ Technologie : les moyens de pompage

Classification parClassification parprincipe physiqueprincipe physique

3/ Les moyens de pompage


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3/ Les moyens de pompage

Le débit-volume qv = f(P, gaz)La pression limiteLa pression d’amorçageLe taux de compression

pompes à transfert de flux

k = Pref / Pasp= f (P, gaz)Critères spécifiques au process• peu contaminante (technologie sèche)• pompage sélectif ou non• pas de vibration (paliers magnétiques)• critères de maintenance (zone INB)• …• coût (investissement, maintenance)

Caractéristiques principales des pompes à vide, critères deCaractéristiques principales des pompes à vide, critères dexx

3/ Les moyens de pompage : les pompes à tran


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-fiable, faible coût

- présence d’huile


Pompe volumétrique rotative

Pl ~10-1

PaNon sélectivePrésence d’huile (joint dynamique,

lubrifiant ,refroidissement)Pl limitée par Qf et Qdég. Huile(T !!)

Pompe à palettesPompe à palettes



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Pompe volumétrique sans huilePl~10-2 PaDébit-volume élevéPas de film d’huile => K ~ 50Couplage à une pompe primaire

- débits-volumes élevés,robustes

PompePompeRootsRoots




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Pompe à diffusion d’huilePompe à diffusion d’huileJet supersonique de molécules lourdes

collisions avec le gazdirection privilégiée du gaz

vers la zone HP

Pmax~1 Pa Pl ~10-5 Pa (Pv huile..)

- robustes, faible coût de maintenance- risque de pollution

retrodiffusionincident




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Pmax~ 1Pa Pl->UHVK dépend de de vrotorCouplage à une pompe primaire

M

- pompage propre (magnétique)- pompage à transfert de flux- évolution vers des pompes moisélectives (H2)

vrotor

PompesPompesturbomoléculairesturbomoléculairesPompes cinétiques à parois mobiles




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Σq P S g x x= .

Pq

S g eff 1 1=∑

22 eff

g

S q

P ∑=

Couplage des pompes à transfert de fluxCouplage des pompes à transfert de flux

Dans un circuit en série, il y a conservation du flux

q g∑

y p p g p p

3/ Les moyens de pompage : les pompes à fixa


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y p p g p p

la pompe à sublimation de titanela pompe à sublimation de titanePrincipe :Principe :un film de Titane sublimé est

déposé sur une paroi et capture parchimisorption les particules gazeuses(formation d’un composé chimiquestable -hydrure, nitrure, oxyde)Les gaz nobles sont mal pompés(physisorption ou enterrement)

222

22

22

2

22

HTiOTiTiHOTiTi2OH

HTiTiH

COTiTiCO

COTiTiCO

NTi2Ti2 N

OTiTiO

+→+↑+→+→+→+

→+→+

→+

qv = 1,15 (T/M)1/2 . A. s

avec A surface du film actifet s probabilité d’adsorption du gaz

Capacité d’aspiration d’une couche ‘fraiche’



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la pompe à sublimation de titanela pompe à sublimation de titaneSaturation du film avec la pression

Pmax UHV

pompe sèchedébits volumes importantssimple

très sélectivefilament chaufféremontée de pression au flash

renouvellement d’un dépôt de Ti (flash)fréq = f(P)

~1flash/h@10-8 hPa

y p p g p p



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la pompe à getter (non évaporable)la pompe à getter (non évaporable)- Pompage paradsorptionsur un matériau getter

suivi d’unediffusiondans le matériau.- getter sous forme de ruban (alliage 84% Zr – 16% Al)- le getter estactivéà haute température par

effet joule (700°C puis 400°C)- les gaz rares et CH4 ne sont pas pompés

- vide propre,- simple- intégrable (pompage réparti)- faible qv saturation- activation à haute T°

- très sélectiveH 2 pour UHV

y p p g p p



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y p p g p p

la pompe à getter (non évaporable)la pompe à getter (non évaporable)

• méthode de déposition du getter dans la chambre à vide• réduction T° d’activation du dépôt (chambres Al extrudées)• qualité mécanique et chimique du dépôt

recherche depuis 1995 (CERN) sur :

couche de Ticouche de Ti--ZrZr--V ( ~ 1,5V ( ~ 1,5μμm)m)dépôt par pulvérisationdépôt par pulvérisation

cathodique magnétroncathodique magnétronT°T°actact 200°C200°C


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la pompe à getter (non évaporable)la pompe à getter (non évaporable)le dépôt NEGle dépôt NEG

- vide propre- pompage réparti- surface de pompage importante- réduction du dégazage statique et stimulé- limite les équipements de pompage

- débit volume- saturation- activation à haute T°- très sélective- durée de vie (30-50 cycles)

Utilisation UHV (synchrotrons , LHC)

Adapté aux faiblesconductances et au

dégazage stimulé dans les

synchrotrons



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Décharge entre anode et cathode en Ti sous B- ionisation du gaz par les électrons- pompage ionique par la cathode (absorption par

implantation , gaz rares inclus)- impact => pulvérisation de Ti- pompage par chimisorption sur le film de Ti

la pompe ioniquela pompe ionique



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Pmax UHV

1−∝ P

- vide propre, pas de vibrat- maintenance, mesure de P

- faible qv , pompe lourde- durée de vie- effet mémoire

la pompe ioniquela pompe ionique


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le cryopompage : sources froidesle cryopompage : sources froidesleslescryogénérateurscryogénérateurs

Système en cycle ferméconstitué parun compresseur héliumun circuit d’hélium

pressuriséune tête froide(cryogénérateurs)

• Refroidissement par détente d’hélium:couplage mécanique à l’utilisation• Circulation du gaz en alternance sur unmatériau regénérateur (stockage etrestitution de la chaleur)



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- Couplage du

cryogénérateur aucompresseur par circuitpressurisé- Utilisation d’hélium pur

le cryopompage : sources froidesle cryopompage : sources froidesleslescryogénérateurscryogénérateurs



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le cryopompage : sources froidesle cryopompage : sources froidesfluides cryogéniques(LHe,LN2)

+ puissance cryogénique, fiabilité- gestion des cryofluides

cryogénérateurs: détente d’hélium associée à unecirculation sur des regénérateurs+ autonomie- vibrations- puissance limitée* ~12W @ 20K65W @ 80K

qq W @ 4K



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Φ 200 mm4 m3.s-1 (H2O)1,5 m3.s-1 (N2)2 m3.s-1 (H2)

5W @ 20K

20W @ 77K

qv élevé

regénération, vibrations, qvHe

Pmax* ~10-4 hPa Pl -> UHV

CryopompeCryopompeàà cryogénérateurcryogénérateur2 étages froids

80 K écrans T°H20 , CO215 K N2 , O2 , Ar , CO

CA sur 20 K H2

3/ La mesure du vide


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Mesure de la pression totale : les manomètresMesure de la pression totale : les manomètresmécaniques

hydrostatiquesthermiquesà viscositéà ionisation

Mesure des pressions partielles : les analyseurs Mesure des pressions partielles : les analyseurs à séparation magnétiqueà séparation quadripolaire

P = F/S (indép. du gaz)l = f(P)

friction avec le gaz = f(P)Pic ∝



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à membranepiézorésistif (dépôt Si)capacitif

•• manomètre à effet mécanique P* > 1manomètre à effet mécanique P* > 1hPahPa

manomètres de Bourdon



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• manomètre thermique : la jauge demanomètre thermique : la jauge dePiraniPiraniC’est une jauge à filament (W, Pt) alimenté à courant constant. diminution des échanges thermiques lorsque P diminue se tradu

une variation de sa résistance. gamme : 50 – 10-3

hPa

• la jauge à viscositéla jauge à viscosité

Mesure de la décélération d’une bille,maintenue en lévitation magnétique, pfriction sur le gaz résiduel.

gamme : 10-2 – 10-6 hPa

étalon secondaire



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M

particules ioni santes (e )

Ic

collecteur

• lm > d enceinte 1 Pa - 10 -10 Pa

• pour une géométrie donnée, la sensibilitédépend de la nature du gaz

s = (I c / I e- ) . 1/P (10 – 40 mb -1)

•• manomètres à ionisationmanomètres à ionisationIonisation du gaz résiduel

collecte et mesure ducourant ionique

nv

P



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•• manomètre demanomètre dePenningPenning(cathode froide)(cathode froide)Ionisation du gaz par les électronslibres accélérés sous HT

10-2 – 10-7 hPa

Amélioration :magnétron

10-2 – 10-10hPa



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•• manomètre de Bayardmanomètre de Bayard––AlpertAlpert(cathode chaude)(cathode chaude)

Ionisation par les électrons émispar un filament (cathode) etaccélérés par une grille (anode).Les ions sont recueillis sur le

collecteur.10-3 – 10-10hPa

extension à 10-13hPa

avec les jauges BA à modulateur



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Sensibilité desSensibilité desmanomètres à ionisationmanomètres à ionisationsuivant la nature du gazsuivant la nature du gaz

X 5

Si gaz résiduel 100% HePvraie= Pluex 5

• Nécessité de connaître la nature dugaz résiduel• Tenir compte du facteur de

sensibilité de la jauge



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Principe des analyseurs de gaz

• Ionisation des molécules de gaz• Extraction et accélération des ions• Séparation• Détection

La connaissance de la composition du gaz résiduel estindispensabledans le domaine des basses pressions

Identification de l’origine des flux gazeuxUtilisation de systèmes de pompage sélectifÉtalonnage des manomètres à ionisation

•• mesure des pressions partielles : les analyseurs de gazmesure des pressions partielles : les analyseurs de gaz



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Pmax* 10-4 hPaPl -> UHVPpmini* ~10-14hPagamme de masses :

0-100

0-200

Détection de fuite (traceur He)

séparation magnétiqueséparation magnétique séparation quadripolairséparation quadripolair•• les analyseurs de gaz en technique du videles analyseurs de gaz en technique du vide

3/ La mesure du vide – analyse des pressions p


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Interprétation des spectresInterprétation des spectres Pour un même corps :- ion simple (mono chargé)- ion multi chargé- décomposition par craking

analyse délicate

H20 : 18 H2O+/17 OH+/ 16 O+

/19 H3O+

Ar: 40 Ar+/ 20 Ar 2/36-38 Ar+

Pic 100 %N2 et COmême 100

3/ La mesure du vide – analyse des pressionspartielles


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Pression partielle du composant n

I n = courant ionique mesuré du composant nSn = sensibilité de l’appareil pour le gaz n

H2O 2.10-4 A.mb-1N2 2.10-4 A.mb-1O2 1,4.10-4 A.mb-1

P I S n

n

n

=+

P18: 5.10-7 mbP28 : 5.10-7 mbP32 : 1,4 10-7 mb

P P P

P P P N N O

O N O

2 2 2

2 2 2

78%

21%

/

/+ =+ =

fuite d’air

3/ La mesure du vide – analyse des pressions pa


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décomposition de molécules lourdes (T ~

Évaluation de l’état des surfaces des ensembles sous vidÉvaluation de l’état des surfaces des ensembles sous vid

PT : 1.10-8

mb

Notion de vide propre: après 100h, H2 > 70%, H20 m/q : 50

3/ La mesure du vide : l’étanchéité


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Niveau d’étanchéité : spécification essentielle à lconception des systèmes de vide

Objectif : quantification et localisation de la fuiteflux de fuite : nombre de particules /s

( ) ( )d P V

dt R T

dndt

.. .=

Unités :

• Pa.m3.s-1• mb.l.s-1• atm.cm3.s-1 (std. cc. s-1)

1 Pa. m3.s-1= 10 mb.l.s-1~ 10 atm.cc.s-1



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évolution de la pressiondans une enceinte isolée(pas de pompage)

•• mesure de P=f(t)mesure de P=f(t)



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par effets mécaniquespar effets mécaniquessonore Qf > 10-2 Pa.m3.s-1formation de bulles Qf > 10-5 Pa.m3.s-1(mise en pression de la pièce à tester)

par l’utilisation de traceurpar l’utilisation de traceur(changement local de la composition du gaz dans l’enceintester, au niveau de la fuite)

modification des propriétés du gaz

conductivité thermique : jauge thermique (Pirsection efficace d’ionisation : jauge à ionisationdébit-volume conductance mesure de P associémasse: spectro de masse


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Les fuites virtuellesLes fuites virtuelles difficiles à identifier, à localiser, àréduire…

nb de molécules dans 1 mm3 à la Pa ?

2,5. 1016 autant que dans 10 m3 à 10-7 hPa..

Spécifications pour la conception desensembles mécaniques sous vide



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Les fuites virtuelles : identificationLes fuites virtuelles : identification

PT = 7.10-9mb50 h de pompage, vide limite …

Pas de détection au traceur He80% N2, 20% O2, Ar

Confirmation par aération à la Pa avecAr

3/ technologie du vide : conception des systèm


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phase de conception :phase de conception :importance de la juste définition du besoin pour fixer les spécifications

niveau et qualité du vide requiscontraintes d’environnementcontraintes d’exploitation

phase de constructionphase de construction:: importance dusuivi de réalisation suivi des spec pour tous les éléments en interfaceavec le vide …nettoyage chimique et critères de propreté garantis jusqu’aux phases de montage

4/ Le système de vide du Ganil


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Faisceaux accélérés :~ 30 diff. /an

• faisceaux stablesCarbone -> Uranium0,5 –95 MeV/u

• faisceaux exotics (RA)(produits par

fragmentation)

SISSI (thin targ.)Spiral (thick targ.)

A


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Caractéristiques de la chambre à videDiam. 9 mWeight 57 tVolume 46 m3

Stainless steel 730 m2Mild iron 160m2

Copper 240 m2

Elastomère seal 0,5 m2Slippering mat. 2,2 m2

RF cavity

Le système de vide des cyclotrons àsecteurs séparés CSS

3

4/ Le système de vide du Ganil : les CSS


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7 cryopompes (800 mm) 20m.s-1 (N2)10 m3.s-1 (H2)1 cryopompe (400 mm) 5 m3.s-1 (N2)

(montée avec vanne)4 turbopompes (400mm) 3,5 m3.s-1 (N2)

(montées avec vanne)Système de prévidage 2 x 2000 m3.h-1(système commun aux 4 cyclotrons)

Cryopompe spécifique (800mm)

Source froide 3x 12W @ 20K35W @ 77KPour optimiser le pompage de l’ H2 :l’étage 20K est en vue direct de lachambre

Pl ~ 2.10-8 hPa


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Cyclotroncompact4/ Le système de vide du Ganil : le cyclotron Cim


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• cryopanneaux refroidis par defluides cryogéniques(LN2 , LH2)

Cryopanneaux intégréspourobtenir les spécifications :

30 m3.s-1(N2)

40 m3.s-1(H2)

• les fluides cryogéniques sontproduits par des

cryogénérateurs


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4/ le projet Spiral 2 : contraintes particulièrespour le système de vide


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Z d d i i i d û é



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Zone de production : critique en terme de sûreté

A~ 7.10 14 Bq dans la cible d’U avec ~ 65% transmis par les gaz

Le système de vide doit assurer : la transmission des faisceaux secondaires la barrière de confinement statiqueune barrière de confinement dynamique

le système de vide doit limiter le transfert des gazradioactifs dans les lignes de faisceaux ( réduction des

zones à fortes contraintes radiologique)

ét d d’ tè é ifi li it lét d d’ tè é ifi li it lf d di if d l li df d di if d l li d



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étude d’un système spécifique pour limiter leétude d’un système spécifique pour limiter letransfert des gaz radioactifs dans les lignes detransfert des gaz radioactifs dans les lignes defaisceau faisceau

Exigences du système :

• haute efficacité de piègeage sur les gaz RA produits(Ba,Te,.., -> H 3 )

• efficacité pour les 3 mois d’opération • fiabilité du système• maintenance intégrant les contraintes de sûreté (zone rouge)

piège cryogénique en ligne(cryotrap)


Bilan des radio éléments volatilsBilan des radio éléments volatils


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Bilan des radio éléments volatils Bilan des radio éléments volatils

(M. Fadil – GANIL)


Etude du piège cryogénique (simulation du transfertEtude du piège cryogénique (simulation du transfert


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Etude du piège cryogénique (simulation du transfertEtude du piège cryogénique (simulation du transfert gazeux en régime moléculaire gazeux en régime moléculaire - - MOVAK3D) MOVAK3D)

(M. Fadil – GANIL)

• condensation sur les étages 80 20 K• ti h b tif @ 20K2 phénomènesili é

4/ le projet Spiral 2 : contraintes particulières pour lesystème de vide


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• condensation sur les étages 80 – 20 K• cryosorption sur charbon actif @ 20K2 phénomènes utilisés pour pièger les gaz RA

Source froide : 2solutions àl’étude

Cryogénérateurs éloignés de la zone

Le piège est refroidi par 2 circuits He

(10bar – 15K et 70K)

f a i s c e a u + g a z R A

Cryogénérateur couplé

mécaniquementsur le piège

Quelques références bibliographiques


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Vacuum in accelerators CERN 2007- 003

le vide dans les accelerateurs

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