Synchrotron SOLEIL : Retour d’expérience sur 10 ans de fonctionnement de son système de pompage traditionnel avec NEG

N. Béchu1*, C. Herbeaux1

1 Synchroton SOLEIL, Saint-Aubin, France ＊E-mail: nicolas.bechu@synchrotron-soleil.fr

3ème Rentre Nationales du Réseau des Technologies du Vide :

Les systèmes de pompage

Sévrier / 10-13 octobre 2016

Le Synchrotron SOLEIL en quelques mots

L’anneau de stockage

Les chambres à vide

Le système de pompage

Le NEG et son activation

Le commande/contrôle

Gestions des sécurités du vide

10 ans de « bon » fonctionnement

L’effet bénéfique du NEG

L’effet maléfique du NEG

Erreurs de jeunesse : les soufflets RF

Brides de problème : problèmes de brides

Contrôleurs, le maillon faible…

Les points hauts : peut mieux faire

Abrégé : Maintenance préventive Vs. Maintenance curative

Conclusion : L’avenir… à long terme

SOMMAIRE

Synchrotron SOLEIL, un grand instrument français

Synchrotron SOLEIL, Saint-Aubin, plateau de Saclay, grand Paris

www.synchrotron-soleil.fr

Le Synchrotron SOLEIL, et ses accélérateurs

LINAC

15 m / 100 MeV

Booster

157 m / rampe acc.

Anneau de stockage

354 m / 2.75 GeV

29 lignes de lumières

dont 2 IR

Synchrotron SOLEIL 2 divisions

scientifiques agissantes :

Accélérateur & Ingénierie

Expériences

accueil des utilisateurs

(+ administration/direction)

Structure optique anneau de stockage à double

dipôle (Chasman-Green modifiée)

Machine de 3e génération avec onduleurs

… 4 super-périodes

… 4 types de cellules

16 cellules = arcs + sections droites

4 sections droites longues de 12 m

12 sections droites moyennes de 6 m

+ 8 sections droites courtes de 3 m

48 secteurs de vide indépendant

L’Anneau de Stockage

dipôles

SDC

SDM

SDL

Pour assurer une bonne durée de vie

Ultravide (étuvé) 10-10 mbar sans faisceau

Mais ∃ équilibre entre vitesse de pompage et dégazage

induit par les photons secondaires (émis par les

interactions du faisceau avec les parois des chambres

à vide)

Photodésorption 10-9 mbar en fonctionnement

Pression dynamique avec faisceau

).(.).( 11 mphotonDAphotonmol a

Desorption yields vs photon

for a stainless steel vacuum vessels

C. Herbeaux et al. EVC-6

avec 0.5 < a < 1 pente en graphe log-log

dépend de la dose intégrée donc de l'âge de la machine

effet de conditionnement en fonction du courant intégré

Les système de pompage est dimensionner pour des chambre conditionnées

~ 6 mois conditionning pour obtenir les spécifications nominales sur la pression dynamique

Corollaire : Interventions sur le système vide = déconditionnement ponctuel

∃ des dégazages importants au niveau des absorbeurs : 14,4 kW dans chaque dipôle / 472 kW au total (75 W/mrad) seul un faible pourcentage de la puissance délivrée par TDL aux lignes de lumière en sortie des dipôles : crotches 8 kW (256 W/mm2 max) et absorbeurs longitudinaux, en entrée de sections droites (bord de la nappe synchrotron et aussi dans CaV)

2 chambres à vide de type dipôle

en inox amagnétique (316LN)

Les Chambres à vide d’un arc type

5 BPM en inox avec soufflet RF

Secteur indépendant

entre 2 vannes tout métal

6 chambres à vide de type

quadupôle en aluminium

avec brides bimétalliques

Les Chambres à vide type dipôle

Moniteur de position

du faisceau des arcs

(Beam Position Monitor)

avec soufflet RF intégré

Chambre à vide dans une

demie-culasse de dipôle

Chambre à vide en aluminium déposée de NEG ~ 1µm (sauf ports de pompage)

de corps extrudé Al 6060-T6 et brides bimétalliques (inox 316LN / Al)

Les Chambres à vide des arcs

Dépôt NEG *

Getter non évaporable alliage ternaire

Ti – Zr – V

Composition atm % (min, max)

Ti 30% (-5%, +3%)

Zr 30% (-6%, +4 %)

V 40% (-2%, +9%)

Activation ~ 24h @ 180°C

* SNEG commercially available from SAES Getters (Lainate MI -Italy)

patent pending from CERN

Là où le courant image est maximum

épaisseur de NEG la plus faible pour

minimiser l’impédance

« resistive wall effect »

résistivité équivalent à l’inox

Distribution du dépôt NEG de 0,5 à 1,5 µm

Là où la densité de photon primaire est

maximum

épaisseur de NEG la plus grande pour

diminuer la photo-désorption

(coefficient d’émission secondaire η faible)

La rugosité

dépend du

substrat :

Ra =0,3

µm RMS

compromis faible rugosité/pompage Vs impédance

cathodes

Les Sections droites in situ

SDM : section droite moyennes de 6 m SDC : section droite courte de 3 m (Têtes de ligne en arrière plan)

SDL : section droite longues

de 12 m

Profilés Al extrudés 6060-T6 avec dépôt NEG Ti/Zr/V interne et brides CF bimétalliques

La Chambre à vide de l’onduleur HU640 DESIRS en SDL5

…soudure non pénétrante après dépôt NEG…

~ 10,6 mètres

Conductance des chambres à vide

Section standard des arcs et des sections droites courtes de 3 m

Conductance C = 8,5 l/s pour 1 mètre

Section standard des sections droites moyennes de 6 m

Conductance C = 0,83 l/s pour 1 mètre

Section standard des sections droites longues de 12 m

Conductance C = 2,0 l/s pour 1 mètre

Les faibles conductances limitent les pressions obtenues et le profil de pression sur la circonférence de l'anneau, mais NEG sur plus de 50% de la circonférence (56% au départ moins insertions sous vide)

Le Système de pompage distribuée d’un arc d’une cellule type

Vitesse de pompage nominale par moyens conventionnels (hors NEG) ~ 3.000 l/s

avec NEG (~ 320 l/s par mètre) + 2.000 l/s

Vitesse de pompage conventionnelle totale de l’Anneau de Stockage ~ 55.000 l/s

Vitesse de pompage totale in situ des NEG ~ 40.000 l/s

soit ~ 60.000 l/s de pompage effectif au niveau du faisceau (avec NEG)

6 pompes ioniques triodes 125 l/s 2 pompes ioniques triodes 400 l/s

en face des absorbeurs crotches

6 sublimateurs de Ti 250 l/s

Le Tunnel en vrai

Etuvage in situ & procédure d’activation des NEG

* Inspiré des procédure CERN Vacuum Technical Note 21-19

250 l/s

120 l/s

120 l/s

250 l/s

400 l/s

120 l/s

BA PI

T°DEB

DEB

Ion pump

Titanium sublimator

Water flow meter

Electropneumatic valve

Pirani Gauge

ThermocoupleT°

DEB

BA

PI

Hot cathode Gauge

DEB

DEB

Vacuum Controllers

19" rack

Technical gallery

Ring tunnel

•Tous les contrôleurs sont

regroupés à l’extérieur du tunnel

dans des baies à rack de 19”

situées dans la galerie technique

•Les connexions sont réalisées

avec des câbles appropriés qui

passent dans le tunnel au travers

de caniveaux de radioprotection

blindés.

Design Matériel : Regroupement des contrôleurs

77 automates pilotant chacun typiquement

(PLC Programmable Logic Controller)

• 6 à 8 pompes ioniques

• 2 Jauges Bayard-Alper

• ou 2 jauges Penning

• 1 à 4 jauges Pirani

• 2 à 5 vannes pneumatiques

• 5 à 15 débitmètres

• 2 à 6 sublimateurs de titane

• 8 à 64 thermocouples ou PT100

• autres occulteurs, piège à gamme, absorbeurs

mobiles ou miroir…

Design Matériel : Les baies de commande/contrôle centralisées

Face avant Platine de câblage arrière

Galerie

technique

anneau

Toutes les informations remontent en salle de contrôle via le système open source

Mesures du vide et pilotage des équipements

Les valeurs et paramètres sont archivés en continu

Les équipements du vide sont protégés par les jauges Pirani (allumage et coupure)

La plupart des paramètres comportent des seuils (température, vide)

Gestion des sécurités basée sur la lecture de PI

interlock vide / fermeture de vannes / transmit aux secteurs contigus

PRÉALARMES surveillance opérateurs

ALARME interlock vide & interlock RF coupure de faisceau

parfois amené à introduire des délais de 1 à 5 s pour contrer les faux positifs

(Pirani, PI, thermocouples, plus rarement débitmètres)

Corollaire : soumis aux pannes des contrôleurs de PI…

sécurités entrantes et sortantes dèsactivables via commande/contrôle (software)

Finalement les jauges secondaires sont ignorées ( Bayard-Alpert : dégazage supplémentaire

et problème de fiabilité probablement dû à la grande longueur des câbles)

Design Matériel : Les gestion centralisées en salle de contrôle

Dans l’ensemble, 10 ans de bon fonctionnement, même si…

Les NEG semblent bénéfiques pour la durée de vie

Faible Bremsstrahlung

Pas besoin de réactivation (maintien de l’activation par les rayonnements primaire et secondaire)

Effets bénéfiques

Effets maléfiques

Pas de grosses erreurs de conceptions… Petits débogages des soufflets

Petits débogages des brides

Petit corollaire du choix des PI pour les interlocks vide

Des points hauts encore à améliorer

10 ans de « bon » fonctionnement…

Bénéfice du NEG pour les chambres à conductance limitée

Pompage linéique distribué presque continu

Point bas en pression avec NEG plutôt que ventre entre deux pompes ioniques

Conforté par les mesures faites par la radioprotection (faible Bremsstrahlung)

Le NEG peut-il suffire à lui seul ?

Arc C09 CaV Qpôle sans ports de pompage pas de PI ni sublimateur, NEG seul

Conserver les Pi en face des absorbeurs

Compensation du dégazage des ports de pompage sans NEG

Gaz non pompés par le NEG : gaz rares et méthane

Un problème non anticipé : la fluorescence produite par le NEG

70

25

16°

5,6

2

Facteur de transmission de

l’aluminium (fonction de

l’épaisseur traversée)

Profile chambre

à vide Qpôle

Parfaite corrélation entre la distribution de

dose mesurée avec des films photosensibles

(Gafchromic) et le facteur de transmission

calculé pour des rayons X d’énergie 15 keV

(en fonction de l’épaisseur d’aluminium

traversée)

Chambre à vide en aluminium « très transparents » Z léger

avec une couche de ~ 1 µm de NEG Ti-Zr-V Z lourds

Z A Ka

Ti 48 51 4,5 KeV

V 51 52 4,9 KeV

Zr 90 91 15,7 KeV

Photons

primaires

Fluorescence X des

composants du NEG

Spectre de fluorescence X

Sn ?

Zr

Composant du NEG

Fe Cu

Zn

Impureté de

l’alu de CaV

Kr

Silicon Drift Detector

Endommagement d’équipements dû à du rayonnement : dégradations de films

d’étuvage au contact des CaV : la colle inter-couches se désagrège

Leur remplacement nécessite d’ouvrir les aimants, retirer les chambres à vide, décoller les anciens

films et en recoller de nouveaux puis de ré-étuver pour activer les NEG.

Ceci nécessite du temps et des ressources ainsi qu’une solution fiable de remplacement.

Effets maléfiques du NEG

Effets maléfiques du NEG

Vieillissement rapide d’équipements : les isolants des câbles deviennent rigides,

cassants et friables.

Aimants sextupôles Cables de BPM Sondes de température

Les câbles/isolants doivent être remplacés par des matériaux plus résistants aux rayonnements

Erreurs de jeunesse : les soufflets à court-circuit RF

Cellule C05 : comparaison multibunc / 8 paquets

après rétrofit des doigts RF des soufflets

0,0E+00

2,0E-11

4,0E-11

6,0E-11

8,0E-11

1,0E-10

1,2E-10

1,4E-10

1,6E-10

1,8E-10

PI.1 PI.2 PI.3 PI.4 PI.5 PI.6 PI.7 PI.8 PI.9 PI.10

# de PI

P/I (

mb

ar/

mA

)

Sept 07 : C05 P/I 8 p 98,1

Sept 07 : C05 P/I mb 93

Sept 08 :C05 P/I 8 p 79

Sept 08 :C05 P/I mb 110

Mise en évidence de court-circuit défectueux de soufflets RF par remontées ponctuelles

importantes du vide, particulièrement sensible en mode paquets courts (8 paquets et

mono-paquet) lors des montée en courant initiales, ou échauffement anormaux

Gammagraphies des soufflets RF des transitions et BPM

Intérieur d’un soufflet RF

Gammagraphie du soufflet RF absorbeur SDC10

Gammagraphie du soufflet RF 115 de C05

Brides de problème : problèmes de brides

Problèmes d’impédance ou arcs entre les brides CF lors de la montée en courant,

pics de vide en amont ou aval des sections droites ou échauffement des brides

Dans certains cas, intervention urgente ou limitation du courant machine.

normalement dimensions max de la cavité restante 0.4 mm x 1 mm et bon contact électrique

Débogage suite aux montées à fort courant

traces d’arcs face aux contacts RF mauvais contact électrique augmentation impédance

Lors de la 1ere montée en courant au-dessus de 400 mA, une forte remontée de

pression est apparue en amont de la SDM02 faisant perdre le faisceau sur interlock vide

arcs électriques entre brides

Contrôleurs : le maillon faible…?

En 10 ans, pas de gros problèmes de maintenance insurmontables.

Problèmes liés à certains équipements particuliers sous vide pas directement dû au vide

lui-même (cryomodules, éléments de la section d’injection et des diagnostiques…)

La plupart des interlocks vides sur la machine ne sont pas liés à un problème de vide :

faux positifs, transitoires, parasites, faux contacts, contrôleurs en panne…

Dont pannes liées aux coupures de courant ou baisses secteur (travaux du Grand-Paris)

Le quotidien de l’astreinte est plutôt de changer des contrôleurs.

~ une vingtaine par an

Les points hauts : peut mieux faire

Les insertions sous vide sont les points hauts principaux :

problèmes de pics de pression et contamination

En fonctionnement standard : 450 mA hybride (+1 gros paquet)

Insertions sous vide

TDL

Section d’injection

(intervention récente)

sans pp

Diag.

Multiplication des insertions sous vide, 9 au total :

étuvables à basse température (aimants < 120° ou 90°), ou pas (cryo)

5 insertions sous vide de type U20 installées en sections droites courtes :

SDC6 / SDC7 / SDC10 / SDC11 / SDC14

+1 en SDM11 U24 PX-2a

+1 en SDC3 Wiggler PSYCHEE

+2 en SDL13 : U18 Cryo-ready Nanoscopium et U20 Anatomix

petits problèmes de mauvais vide avec faisceau cf. RGA : pics et

contamination locale fluoro-carbonée (CF4 ou recombinaison)

difficulté d’estimer la contribution à la pression moyenne vue par le

faisceau, mais masses élevées effet sur la durée de vie

résolution en passe : colle des gaines des thermocouples étuvée à

basse température (120°C) thermocouple résistant aux radiations

Insertions sous vide : points hauts, pics et contamination

69 31

50 119 100

90 131

169 181 81

55 62 74

85

28

12 19 39

Toutes interventions sur la machine est équivalentes à un déconditionnement local

besoin de conditionner les nouveaux éléments n’ayant jamais vu de faisceau.

Upgrade de la section d’injection

Mise à jour de la section d’injection en 2 étés (2015 & 206) : à chaque fois déplacement

d’équipements (impact faible étuvage), ou nouveaux équipements

besoin de temps machine pour monter progressivement en courant.

Réutilisation des soufflets RF lorsque possible.

Futures interventions pour BPM ou projet MIK…

Autres points hauts : interventions sur le vide machine

Mise à la PA des arcs !

Changement de BPM…

Interventions lourdes avec changement des

films chauffant dégradés.

Plan de pré-conditionnement de chambres

de rechange type Qpôle (2017) sur mini-ligne

interne TDL/D08-1 FluoX

Vie du système au rythme des interventions machine

Besoin de récupérer les conditions de fonctionnement normal (conditionnement) avec 29 lignes de lumière en attente… Maintenance préventive lorsqu’elle est possible surtout côté commande/contrôle: Mise à niveau de certains équipements rendus obsolètes (10 ans déjà…) mise à niveau des automates Siemens série 300 en série 1500, inévitable un jour… rétrofit en cours des contrôleurs de PI DUAL Varian en 4UHV Agilent rétrofit en cours des contrôleurs de jauge MKS 937 type A ne type B

(quelques setup errors ?)

Maintenance préventive Vs maintenance curative

Maintenance des baies elles-mêmes : dépoussiérage, nettoyage des

contacts électriques, resserrages des borniers et des cosses…

pas toujours transparent… « quand ça marche, on ne touche pas » (?)

L’avenir… à long terme

10 ans tout va bien…

… et le futur

Femto-slicing, low-a… Notre upgrade en réparation...

Diminuer le nombre de pompes et de jauges.

Le NEG définitivement oui, mais attention à la fluorescence.

Adapté aux machines de 5è génération

Diffraction limited Storage Ring (DLSR)

Chambres à vide de faibles encombrements et de faibles conductances

rondes en cuivre refroidies avec NEG

pas de problèmes de refroidissement

pas de problème de pompage

X-ray shielding

cf. Taiwan dans 15j…

Merci de votre attention