Введение к работе
Актуальность темы диссертации.
Развитие ускорнтелной техники в сторону увеличения энергии астиц привело к необходимости использования сверхпроводящих іагннтов, позволяющих получать более сильные, по сравнению с еплымн магнитами, поля, что приводит, в свою очередь к меньшим размерам накопителен заряженных частиц.
В 1977 в России, в 1986 в США и в 1991 в Швейцарии появи-"ись проекты создания ускорителен следующего поколения — про-онных колландеров ТэВ-ного диапазона энергий, использующих верхпроводящие магниты (SSC: Е = 2 х 20 ТэВ, П =~ 83 км; ПІК: = 2x3 ТэВ, П =~ 21 км; LHC: = 2x7 ТэВ, J =~ 27 км) [13]—[15]. Большая часть вакуумной камеры проходит нутрп криогенной системы сверхпроводящих магнитных элемеи-ов. В таком случае разумно, чтобы вакуумная камера пучка так-<е поддерживалась при низких температурах, используя возмож-остн крпооткачкн и уменьшая нагрузку на, криогенную систему.
В проектируемых сверхпроводящих коллайдерах нового поко-ення {LJ1C в ЦЕРИс, SSC в США, УПК в ИФВЭ) впервые для ротонных машин стал существенным вопрос фотодесорбцни газа: инхротронное излучение (СИ), обусловленное протонами с энер-иямії иесколыю ТэВ, будет вызывать десорбцию молекул газа со теиок холодной вакуумной камерія (при Т ~ 4.2 К), также как с еплых стенок существующих электронных ыашнная. Но в элек-ронных накопительных кольцах с теплой вакуумной камерон обучаемые внутренние стенки камеры со временем обезгаживают-я, а десорбировашше газы удаляются распределенной откачкой, "лучан криогенной вакуумной камеры ранее не изучался, поэтому рудно было даже оценить ожидаемые плотности газа под воздей-твием СИ, поскольку, с одной стороны, при температурах жилого гелия стенки камеры являются великолепным крионасосом, с ругой стороны, адсорбированные на этих стенках молекулы ни-уда не удаляются и могут быть вновь десорбировапны.
Характер поведения плотности остаточного газа в вакуумной
камере пучка существенно влияет на конфигурацию вакуумной си стемы коллайдера в целом. Из-за недостатка экспериментальны: данных не было ясного представления о характере процессов в хс лоднон вакуумной камере, что, в спою очередь, не позволяло пра вильно спроектировать вакуумную систему.
К началу наших работ имелось только две публикации, по священных фотодесорбционным экспериментам при гелиевых тем пературах, выполненных в США в Брукхевенской Национально: Лаборатории (BNL) [17] и в Центре Синхротронного Излучени (SRC) [18]. В BNL на Национальном Источнике Синхротрошюп Излучения (NSLS) был проведен ряд экспериментов по изучении динамической плотности (т.е. плотности газа при облучении сте нок камеры фотонами СИ) в вакуумной камере при температур 4.2 К. Был определен спект^р десорбнруемых газов: Н2 (макси малыши выход), СО и С02. Кроме того было обнаружено возра стание динамической плотности газа с увеличением накопленно: фотонной дозы, наклон кривой уменьшался после отогрева трубі до температуры в интервале 20-70 К. В SRC был проведен экс перпмент по измерению фотодесорбцпи с поверхности покрыто: медью нержавеющей стали при температуре жидкого гелия и прі комнатной температуре. Полученные коэффициенты фотодесорб
ДНИ ПрибЛИЗИТеЛЫЮ СОВПадаЮТ f]coii ^ Vwarm-
Из имеющихся экспериментальных данных картина динамик: плотности в криогенной вакуумном камере коллайдера в простої трубы представлялась следующим образом [16]—[20] :
фотоны СИ облучают узкую полоску поверхности вакуумно: камеры пучка н стимулируют десорбцию молекул газа с зтої полоски;
десорбнрованные молекулы сорбируются на необлучаемой ча сти поверхности камеры;
возможно существенной является десорбция физадсорбиро ванных на криоповерхности молекул под воздействием иоиоб появившихся за счет ионизации остаточного газа пучком;
критичной для коллайдера является только десорбция водорода, имеющего предельную равновесную плотность 2 1012 см-3 при Т — 4.2 К, которая на три порядка выше требуемой по времени жизни;
поскольку крноповерхность является идеальным криопасосом, скорость откачки не ограничена проводимостью, то скачок
давления при облучении СИ будет, скорее всего, незначительным;
ограничение по плотности остаточных газов в вакуумной камере коллайдера определяется равновесной изотермой водорода;
коэффициент фотодесорбции с поверхности при гелиевых температурах примерно такой же как и при комнатных;
в случае достаточно большого коэффициента десорбции, когда на поверностн камеры будет сорбироваться монослой водорода за неприемлемо малое время работы коллайдера, можно будет использовать экран пучка — лайнер (от англ. liner), для увеличения сорбирующей поверхности или для использования криосорберов, защищенных лайнером от фотонов СИ.
Необходимость проведения подробного экспериментального нс-тедовання процессов, происходящих в вакуумной камере коллан-зра была высказана многими специалистами в области вакуумной ехники ускорителен, собравшихся на рабочее совещание в лабо-атории SSC в 1992 [16], там же были сформулнроваины основные зли, задачи и методы такого исследования.
Цель проведения работы.
Иследовать какова картина процессов в криогенной вакуумной камере пучка сверхпроводящего супер коллайдера;
Определить возможность работы коллайдера с вакуумной камерой в* віще простой трубы;
В случае невозможности работы коллайдера с вакуумной ка
мерой в виде простой трубы — найти другое решение; изу
чить, как лайнер влияет на процессы в криогенной вакуумної
камере.
Научная новизна работы.
Впервые проведено подробное исследование плотности газ; в протопипах вакуумной камеры коллайдеров, находящихс; при гелиевых температурах, подверженных облучению СИ;
Показано, что в вакуумной камере в виде простой трубъ плотность газа.возрастает с набранной фотонной дозой бла годаря вторичной десорбции крносбрбпрованных на стенказ камеры ранее первично десорбпрованных молекул, введень понятия вторичной десорбции и коэффициента вторичной де сорбции г]';
. Экспериментально подтверждена эффективность лайнера —
перфорированного экрана пучка;
Для описания динамики плотности газа предложена фено менологическая модель, значения всех величин этой моделі определены из данных проведённых экспериментов;
Предложен п реализован метод прямого измерения плотності газа, основанный на перезарядке ионных пучков на молекула; остаточного газа, с его помощью впервые измерена скорост! молекул, десорбировавшпх с крпоиоверхности под действие» СИ.
Основные результаты работы, выносимые на защиту.
1. Изучена динамика плотности газа в прототипе вакуумной ка меры сверхпроводящего суперколлайдера под воздействие! СИ при Г = 4.2 К:
Проведена серия экспериментов при Т = 4.2 К на про— тотипах вакнумнон камеры в виде простих труб. Показано, что в вакуумной камере коллайдера в виде простой трубы ограничение но плотности остаточных газов определяется не изотермой равновесия, а динамической плотностью, обусловленной вторичной десорбцией крно-сорбнровапиых поверхности трубы молекул, введено понятие коэффициента вторичной десорбции т/, приведены экспериментальные зависимости rf jaw от накопленной дозы облучения (
Проведена серия экспериментов при Т = 4.2 К на прототипах вакуумной камеры с лайнером. Определены коэффициенты фотодесорбцни 7] при Т = 4.2 К; приведены экспериментальные зависимости коэффициента первичной десорбции ?/ от накопленной дозы облучения.
Продемоистрированиа эффективность использования лайнера в вакуумных камерах суперколлайдеров.
На основе феноменологической модели фотодесорбцни с крносорбнрующен поверпостн, показано, что измерения тёплым датчиком динамического давления в вакуумной камере и виде простой трубы определяют отношение коэффициента вторичной десорбции к коэффициенту прилипания 7}'/aw, к вакуумной камере с лайнером — вели-
.чнну коэффициента первичной десорбции Т].
Экспериментально определены все переменные этой мо
дели: TJ, 1]', СТ, Пе, П, V.
2. Реализован метод измерения плотности газа по перезарядке ионных пучков. Измерена температура газа (средняя скорость молекул), десорбирующего с криоповерхностн . трубы при Т = 4.2 К:
Создана установка для измерения плотности газа мето
дом ионных пучков.
Проведены эксперименты, показавшие, что средняя ско
рость молекул, дссорбировавшнх под воздействием СИ с
критической энергией фотонного спектра Ес = 284 эВ,
в случае простой трубы при Т = 4.2 К равна
v = 8 104 ± 1.5 104 слі/с, что соответствует эффек
тивной температуре газа Т = 60 ± 20 К.
3. Проведено исследование зависимости начальных коэффици
ентов фотодесорбцни от различных процедур подготовки по
верхности вакуумних камер:
Проведены измерения коэффициентов фотодесорбции при комнатной температуре на различных образцах. Получены коэффициенты десорбции для труб, подготовленных по той же методике, которую предполагалось использовать для вакуумной камеры SSC. Показано, что 24-часовой прогрев на месте при 150С (максимально допустимая температура для магнитной системы), также как и предварительный отжиг при 950С, дают незначительное уменьшение коэффициента фотодесорбцни водорода (~30-35%) по сравнению с пепрогрстымн трубами.
Изучено влияние магнитного поля на характер фото-десорбцнонных процессов в вакуумной камере в виде трубы. Показано, что наличие магнитного поля слабо влияет на результаты десобционнйх экспериментов, что позволяет утверждать, что при таких углах падения фотонов на поверхность стенок вакуумной камеры (а =~ 10 мрад) происходит расеяние фотонов по всей поверхности камеры.
4. Разработана новая методика вакуумных измерений, на осно
ве которой создан стенд, позволяющий проводить экспери
менты по изучению фотодесорбцнонных процессов на прото
типах вакуумных камер протонных суперколлайдеров:
# разработаны, собраніЛПі-запуіііеньї-устаїговкії на двух
каналах СИ (высокой и низкой интенсивности), позволя
ющие проводить исследования как при комнатных, так
ч при криогенных температурах, производить измере
ния плотности газа, температуры в экспериментальном
объеме, регистрировать режим работы ускорителя.
Разработана н создана гибкая система автоматизиро
ванного сбора информации и управления, существенно
облегчающая контроль за течением экспериментов на
одном из двух пли па обоих каналах, позволяющая не
прерывно снимать, выводить на монитор в удобном для
экспериментатора виде и сохранять экспериментальные
данные, получать результаты предварительной обра
ботки данных в течение эксперимента.
Научная и практическая значимость работы.
В результате проведенных работ впервые подробно исследова-л вакуумные проблемы, встающие при разработке
вакуумной системы коллайдеров с вакуумной камерой при ге-іевьіх температурах. Получено ясное и обоснованное понимание шамикп плотности газа, в простой вакуумной камере и вакуумной шере с лайнером.
Предложенная феноменологическая модель со всеми эксперн-зптл,1ыю оиредопными величинами иней позволяет колнчествен-) предсказывать поведение плотности газа в вакуумной камере шландеров с криосорбнрующимн стенками.
Структура работы. Основной текст диссертации состоит из ведения, четырёх глав, заключения н приложения. Текст днесер-щии содержит 85 страниц, 18 рисунков и 6 таблиц. Список лите-ітурьі состоит из 49 наименований.