18 Liaisons mecanique et vide - rdm.cnrs.fr

Le vide et la mécanique,une dualité permanente

La base: l’experience de ce qui marche…

De la technologie des grands instruments … et des petits…

11 e Rencontre des mecaniciens - Saint Jorioz 21-25 Juin 2010

11e rencontre Nationale du Reseau des mécaniciens – CNRS - St Jorioz 21-25 Juin 2010 Y Dabin ESRF

Choisir la frontière de competence avec l’industrie

Conclusion

Les bases

11e rencontre Nationale du Reseau des mécaniciens – CNRS - St Jorioz 21-25 Juin 2010

Y Dabin ESRF

Photo-desorbtion (Activée)

DiffusionDésorbtionRF

Retro-diffusiondu pompage

Micro-cavités

γγγγ e-

i

E

Presque tous ces phénomènesimpliquent les materiaux

Et les procédés technologiques


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Vaporisation

Perméation(Fenetre)

Fuites

du pompage(backstreaming)

Pollutionorganique

Friction

CircuitHydraulique

Fuites parcorrosion

Inspiré de O’Hanlon – A user guide to vacuum technology

Les systèmes de joints d’étancheiteune longue histoire des techniques !

Tuberaccord

ISO KF

ISO CF

ISO LF

RT to 150 °CDN 10 to DN 50



RT to 150 °CDN 63 to DN 1000

10 50 100 500 1000Diametre en mm

StandardInternational



Cajon VCR ouFlowmeca


Y Dabin ESRF

Joint d’or Princeton

BrideWheeler

BrideCadarache

Joints aRestitutionelastique

RT to 400 °C300 to 650

RT to 400 °C100 to 450

RT to 400 °C30 to 2000

RT to 400 °C300 to 2000+

10 50 100 500 1000

10 50 100 500 1000

InternationalFiable cher

Fiable cher

Fiable flexible

Bien adapte aux“Sarcophages”

Fil Alu 1mm

Vide rapide pour un microscope 10-6 mb

Une chambre


Y Dabin ESRF

CommandeDes moteursminimisée enenergie

Une chambreFacilementmodifiable

Conception à nervures

Utilisation de la “bride Cadarache” : la chambre sarcophage

Le concepteur de chambre à vide doit

Conception à fonds bombés linéaires Eviter absolument


Y Dabin ESRF

Tentative de rendre la liaison de nervure

Sans cavités de rétention

Le concepteur de chambre à vide doit

imaginer lesgéometries facilitant

le nettoyage final

Double Miroir BM29 10-9mb J. Borrel ESRF

Les brides leur conception – leurs contraintes

Face inférieure

Ligne de joint

Cône typique de serrage 30°Long. elastique

Zone de contrainteshomogènes


Y Dabin ESRF

Face inférieure Coté “joint”

Face supérieureCoté tête de

visserie

µrot : 5 ÷ 10 mrd

Joints

Cuivre Inox AluOFHC X2 CrNiMo19-11 6061OFE 1.4306 5754OF-S 304 L 5083

Or X2 CrNiMo 17 12 2Indium 1.4404

316 L

Brides et visserie

60 HB avant serrage130 HB après

180 HB miniAvant premier serrage

Les matériaux utilisés pour les joints et les brides

Chambre de confinement Extrusion limitée


Y Dabin ESRF

316 LElastomere

FPM (viton)Kalrez ( Caout. Perfluo) X2 CrNiMo 17 13 3

1.4429Alu 316 LN

1050 A

Plomb

Avant premier serragePb de durée de vie du couteau

La dureté du 316LN ne diminue pas aprèsle vacuum firing 4h @ 950 °C 10-6 mb

La dureté des inox austenitiquesNe peut être obtenue que par

Corroyage à chaud (forgeage à 1050 C)

La créativité en marche …


Y Dabin ESRF

SASE X-FEL Spring-8


Y Dabin ESRF

Courtesy T. Shintake

SocleCordierite

Sections accelératricesOndes progressives 5,712 GHz

Sol béton rectifié

Un diagnostique Diamond foil - 10-9 mb - ESRF


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Circuit d’eauContinu !!!!!!!

Pas de brasageEau/vide

Diamant compriméDécouplage desÉléments de guidageRotule UHV

Cryo-Ondulateur ESRF


Y Dabin ESRF

J. Chavanne – P. Elleaume

Permanent magnet @ 77°K

Système de super-polishing Ion beam L. Peverini


Y Dabin ESRF

Super-finition d’un miroir par Faisceau d’ions Mesures temps réel sous faisceau X

Miroir manipulé sous 10-9 mb

La conception mécanique tire avantage de piècesComplexes monolytiques

Exemple de micro-fours ESRF

Gas blower: hot air up to 1000 °°°° C blows on the sample

Microtomography: small size, 800-1000 °°°° C

Pulsed Laser Deposition: medium size, 1000 °°°° C

Catalysis: small size, 800 °°°° C


Y Dabin ESRF

Microtomography furnaces

Cellule 800-1000°C

Zone experimentale

Zone refroidie

Zone de cablageZone des connecteurs

Une chambre à vide “ intégrée“


Y Dabin ESRF

• Chambre à vide usinée dans la masse (AW 6061)• Circuit d’eau intégré aux paroies

Vide 10-6 mbJoints viton surParoies froides

Fenêtre minces grand diamètre

Pompage turbo 60 l/s

FenêtreKaptonventilée

Cellule fluorescence haute pression: Bien séparer zones chaudes / zones froides


Y Dabin ESRF

Four= Zone chaude + Zone froide

Lien chaud-froid = piece à fort gradient

S.Petitgirard-S.Pasternak - Y.Dabin

Mecanismes vide intermédiaire : 10-6 mb

Microjack 100 nm

Moteur-reducteur UHV Phytron

Sample- Slit 1µm résolutionTraversées Fisher 101


Y Dabin ESRF

Découplage Mécanique(Holdam)

Vis micrométriquePas 250 µmFilets circulairesSans jeu à l’inversion

Minimotor préparésPour le videOption k179

About 1 mm2

beam

Diamond filters: Each foils can remove about 70 watts from the beam

11e rencontre Nationale du Reseau des mécaniciens – CNRS - St Jorioz 21-25 Juin 2010 Y Dabin ESRF

Diamond “racket” with2x3 holding places

Cooling channels in that area

beam200 Watts

L. Eybert – Y. Dabin

Diamond plate compressed 10 bars

Chambre pour four 1000°C – Résolution ± 1m°C

La base du fourContient toutesLes interfaces


Y Dabin ESRF

Le four est pompéPar la clochesupérieure

M.Mattenet – Y. Dabin – L. Armanet ESRF

Mecanisme complet sous vide: Picomotor newfocus.com


Y Dabin ESRF

Picomotor newfocus UHV(Piezo rotatifs reptation)

Manipulation de cristaux Si pour un post-monochromateurID18: A. Chumakov - J.P. Celces - R. Rueffer

Crystal rotary stage – nanoradian accuracy


Y Dabin ESRF

Courtesy D.Shu APS ArgonneFoil stack dampers

Flexure mechanism X6 CrNiMoCu 16-04-03 (F16Ph)

ESRF: Crystal Saggital bender


Y Dabin ESRF

Moteurs UHV Phytron – cablage Kapton

Mecanismes à trés grande résolution sous 10-8 mb

Exemple de rotation avec flex-pivotsEt flexor a col circulaire


Y Dabin ESRF

Flex pivots: c-flex.com

Ensemble miroir de focalisation1 µradian80 nm

Sous UHV le meilleur mouvementEst la rotation !

Mecanisme pour Monochromateur “channel-cut”

Reprise conceptuelle de plusieursVersions de mecanisme.

Haute precision angulaire: 5 µrd

Vide 10-9 mb

High heat load/flux: 400 w/mm2 (LN2)

Haute stabilité mecanique (80 Hz)


Y Dabin ESRF

Synthèse 2008 T. Mairs

Haute stabilité mecanique (80 Hz)

Haute stabilité thermique : 8H

Monochromateur “Channel-cut” standard ESRF

Encapsulé

Mecanisme à flexion


Y Dabin ESRF

Motorisation 5 µrd air Traversée étanche ESRF

Codeurangulaire

Moteurangulaire

L’axe d’un monochromateur: Des mecaniques en cascade


Y Dabin ESRF

Pompagedifferenciel

Guidage Videintermédiaire

ConduitCapillaire (pompage differenciel)

Zone UHV

ESRF Upgrade programme – NiNa Mirror project

10-10 mb

Silicon mirror – 400 mm

700 watt absorbed

Lever arm 135 m

Stability issue: ≤ 50 nrd 1 – 100 Hz

Thermal drift feedback corrected

Kinematic mountPure rotation flexure

Le paratage des savoir-faire Laboratoire - industrie

Cavity body

Tuner

Cavités RF 352.2 MHz “amortissement élevé”

Serie de 6 cavités suranneau de stockage


Y Dabin ESRF

Vacuum pump

Projet Européen EU FP7 (4 Instituts nationaux)Objectif:Très fort ammortissement RF des modes ≥ 352 MHz500 mA faisceau e-

Mais aussi:� Maitrise de la conception et de la technologie

Prototype RF aluminium

anneau de stockage

Cavités RF 352.2 MHz “amortissement élevé”

Resistances RF

Tout brasage Tout soudage


Y Dabin ESRF

• UHV 10-10 mbar - 1Kw• Très grande fiabilité de la construction• “Fabrication transparente”• Savoir-faire multiple en Europe (… 5 industries)• Technologie multiple � Brasage / Soudage EB• Pro-actif dans le developpement industriel

Savoir-faire industriel… “fragile”

Preparation par secteurs

eb

Faisceau e-:• Soudage peu agressif masse

eb

eb

Version soudée e- de la cavité


Y Dabin ESRF

Histoire du matériau traité avec grande précision

Faisceau e-:• Soudage peu agressif masse• Respect des grains (forgeage)• Preservation dureté• 20 grains paroies

(loi de Hall-Petch)

Maitride des retraitsAlternance soudures-usinage

eb

Version brasée de la cavité

Histoire du matériau:


Y Dabin ESRF

• A Partir du forgeage cuivre (virole)• Réduire les passages ≥ 780 °C (4 actuellement)• @ 700°C Taille des grains doublée toute les 30’• 20 grains dans la paroie eau-vide (Hall-Petch)• Retrait cuivre• (ripage pieces @ dilatation four)

Chambres a vide “ massives” ALS Berkeley (AW5083)


Y Dabin ESRF

Les fentes primaires de l’ESRF : Mécanisme exterieur – Abbé minimum

CoupureFinaletungstène


Y Dabin ESRF

Faisceau onduleur: 400 w/mm2P totale: 1Kw

400w

Precision: ± 1µm y compris la déformation thermiquedes couteaux (tungstène)

Plans inclinés à 2,5 °Ph. Marion ESRF

Grande rigidité des guidages

History of ESRF 5m long Insertion Device chambers

AISI316LN, NEG sponge

AISI316LN, no NEG..


Y Dabin ESRF

October 2nd, 2007, Orsay

AISI316LN NEG coatedAl 6060 NEG coated

A tower, 10m has been constructed to house the 1st vertical coating tool with 1m long movable solenoid

Production of NEG coatings at ESRFProduction of NEG coatings at ESRF


Y Dabin ESRF


A 2nd vertical coating tool has been added to the existing one providing more flexibility for active sputtering length and chamber length

Production of NEG coatings at ESRFProduction of NEG coatings at ESRF

Movable fixation point for vacuum chamber assembly


Y Dabin ESRF


Magnetron DC solenoids up to 2m in lengths

Vacuum chamber assembly to be coated

More details on the production of NEG coatings

•DC Magnetron enhanced PVD Sputtering•Kr gas for ionisation because of favorable momentum transfer (bounce back)•Magnetic field of solenoid allows to lower the sputtering voltage (arcing)•Cathodes are produced by intertwisting wires of Ti, Zr, V•Desired film thickness between 500µm and 1000µm for ESRF•Sputtering currents must be limited to avoid melting of the cathodes


Y Dabin ESRF


•Sputtering currents must be limited to avoid melting of the cathodes

All photos courtesy of P. Chiggiato / CERN

Conclusion:

On a toujours : un process - une mecanique - un vide � il n’y a pas une solution � creativité

L’historique du vide et de ses solutions très utile à connaitre

Frontière des savoir-faire laboratoire - industrie à clarifier dans un projet


Y Dabin ESRF

Frontière des savoir-faire laboratoire - industrie à clarifier dans un projet

Developper des projets, commence par cultiver équipes techniques (compétence)

Merci de votre attention

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