Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. КРИОСОРБЦИОННАЯ ОТКАЧКА В ВАКУУМНОЙ
КАМЕРЕ КОЛЛАЙДЕРА С ЭКРАНОМ ПУЧКА 14
Анализ динамической плотности остаточных газов 14
Оценка требуемой емкости криосорбера 20 ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВОК 29
2.1. Стенд для криосорбционных исследований в конфигурации
вакуумной камеры LHC 29
2.2. Модернизация стенда для исследования образцов новых
криосорбирующих материалов 36
2.3. Приборы и их калибровка 37
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ МЕТОД 40
3.1. Выбор метода проведения экспериментальных исследований 40
3.2. Количественное определение потока и количества
инжектированного газа. Измерение давления в тест-камере 45
Измерение проводимости инжекционного канала 48
Измерения адсорбционных характеристик 49
ГЛАВА 4. ПОИСК ПЕРСПЕКТИВНЫХ
КРИОСОРБИРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ АДСОРБЦИИ
ВОДОРОДА ПРИ ТЕМПЕРАТУРАХ КРИОСОРБЕРА МЕЖДУ
10И20К 52
Выбор криосорбирующих материалов для коллайдеров 52
Изготовление и описание исследованных образцов криосорбирующих материалов 55
4.3. Исследования адсорбционных характеристик криосорберов 60
4.4.Экспериментальные результаты измерения свойств криосорберов 62
4.5. Обсуждение результатов 68
ГЛАВА 5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КРИОСОРБЕРОВ ДЛЯ
РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ОТКАЧКИ ГАЗОВ В КРИОГЕННЫХ
ВАКУУМНЫХ КАМЕРАХ КОЛЛАЙДЕРОВ 71
5.1. Исследования вакуумных свойств прототипа криогенной
вакуумной камеры коллайдера с экраном пучка с криосорберами на
основе углерода 71
Экспериментальные результаты 78
Крепление криосорберов в коллайдере 96
Выводы и обсуждение результатов 99 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 102 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 105
Введение к работе
В развитии современной ускорительной техники проявляются две характерные тенденции - увеличение интенсивности и энергии пучков. С ростом энергии пучков уменьшение размеров накопителей заряженных частиц становится возможным при использовании сверхпроводящих магнитов, позволяющих получать более сильные, по сравнению с теплыми магнитами, поля. Однако увеличение интенсивности и энергии пучков наряду с усилением магнитного поля приводят к росту интенсивности синхротронного излучения (СИ) и, как следствие, к более активной стимуляции СИ различных физических процессов, в частности, десорбции газа со стенок вакуумной камеры.
В 1977 в России, в 1986 в США ив 1991 в Европейском Центре Ядерных Исследований (CERN) в Швейцарии появились проекты создания ускорителей нового поколения - протонных суперколлайдеров ТэВ-ного диапазона энергий, использующих сверхпроводящие магниты (SSC в США: энергия частиц Е=2х20 ТэВ, периметр вакуумной камеры П=83 км; УНКв ИФВЭ: Е=2хЗ ТэВ, П=21 км; LHC в CERN: Е=2х7 ТэВ, П~27 км) [1, 2, 3]. В настоящее время в мире разрабатываются также и другие проекты новых ускорителей с сверхпроводящими магнитами (например, "Proton Driver for Super Neutrino Beam", FNAL, США [4]). В подобных проектах большая часть вакуумной камеры проходит внутри криогенной системы сверхпроводящих магнитных элементов. В таком случае разумно, чтобы вакуумная камера также
5 поддерживалась при низких температурах, используя возможности криооткачки и уменьшая тепловую нагрузку на криогенную систему магнитов. Благодаря собственной интенсивной откачке холодную камеру можно сделать небольшого диаметра, несмотря на уменьшение проводимости, и тем обеспечить значительное снижение стоимости сверхпроводящих магнитов. Отжиг камеры перед ее охлаждением не обязателен, что может привести к большой экономии на термическом оборудовании и дополнительном уменьшении апертуры магнитов.
Согласно многочисленным исследованиям по фотонно-стимулируемой десорбции ([5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12] и др.), при низких температурах Н2 является наиболее десорбируемым газом со стенок вакуумной камеры при облучении СИ. При температуре стенок камеры ниже 3 К давление насыщенных паров остаточных газов, в том числе Н2, становится ниже 10"9Торр, что делает целесообразным использование простой криоконденсационной откачки самой холодной поверхностью камеры. Однако в вакуумных камерах с большей температурой стенок для откачки Нг требуется использование специальных криосорберов, т.к. уже при 4.2 К сорбционная емкость поверхности вакуумной камеры для водорода незначительна, а давление насыщенных паров составляет 3.5-10 Торр. Криосорбционные материалы могут использоваться в непрогревных вакуумных системах, поскольку у них восстановление сорбционных свойств (регенерация) может происходить при комнатной или более низкой температуре. Наиболее оптимальным диапазоном температур
при использовании криооткачки для получения высокого вакуума является диапазон ниже 20 К, поскольку в этом случае давление насыщенных паров всех газов, за исключением низкокипящих Ne, 1 и Не, ниже 10"11 Торр [13, 14], однако присутствие Не и Ne в вакуумных системах физических установок обычно незначительно. Нагрев внутренних элементов вакуумной камеры вследствие СИ и других, связанных с пучком заряженных частиц, факторов, может повлиять на выбор рабочей температуры криосорбера при эксплуатации машины. Для SSC, например, обусловленная СИ максимальная мощность тепловой нагрузки оценивалась в 0.25 Вт/м, что определяло рост температуры внутреннего элемента камеры - экрана пучка (лайнера), на котором размещается криосорбер, с 5 до 20 К [9], для LHC суммарная мощность тепловой нагрузки также приведет к росту температуры экрана до 20 К [1]. Таким образом, выбор криосорберов для вакуумных камер коллайдеров должен быть ориентирован на рабочие температуры от ~10 К до 20 К.
Материал криосорбера должен обладать достаточно большими сорбционной емкостью и скоростью откачки в рабочем диапазоне температур, иметь компактные геометрические размеры, допускать регенерацию при температурах не выше комнатных, обладать хорошими конструкционными свойствами и т.д. Большой набор предъявляемых к криосорберу требований и отсутствие достаточного объема количественных данных по кинетике адсорбции низкокипящих газов при температуре ниже 20 К не позволяли сразу
7 сделать обоснованный выбор наиболее перспективного адсорбента для коллайдера, и требовали дополнительных исследований.
Случай криогенной вакуумной камеры в адронном ускорителе впервые начал изучаться в связи со строительством SSC, УНК и LHC. При температурах жидкого гелия стенки камеры являются эффективным крионасосом, однако адсорбированные на них молекулы никуда не удаляются и могут быть вновь десорбированы. Характер поведения плотности остаточного газа в холодной вакуумной камере пучка влияет на конфигурацию вакуумной системы коллайдера в целом. Комплексные исследования ([5, 6, 7, 8, 9, 15] и др.), проведенные в Институте Ядерной Физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ) совместно с вакуумными группами SSC и LHC, позволили определить основные особенности конструкции криогенных вакуумных камер коллайдеров:
1) В вакуумной камере необходимо использование специальной перфорированной вставки - экрана пучка - для снижения тепловой нагрузки На криогенную систему магнитов, обусловленной энергией СИ, вторичных электронов и индуцированного тока на стенках канала пучка. При наличии экрана достигается эффект уменьшения плотности газа в канале в присутствии СИ, когда газ откачивается через отверстия в экране на холодные стенки вакуумной камеры и внешнюю поверхность экрана, защищенные экраном от СИ, электронов и ионов, стимулирующих десорбцию газа. Для камер с температурой стенок выше 3.3 К, в зазоре между экраном пучка и стенками
8 камеры необходимо располагать криосорбер для откачки водорода.
2) Экран должен активно охлаждаться газообразным гелием, что
обусловлено нестабильностью температуры экрана под действием СИ. Это
согласовывается с выводами из проведенных в ИЯФ экспериментальных
исследований [6, 7] и с результатами исследований, проведенных в CERN в
рамках разработки проекта LHC [15].
3) Конструкция экрана должна удовлетворять широкому набору требований
на магнитную проницаемость, электрический импеданс, аксептанс канала,
технологичность изготовления, механическую прочность при квэнчах (срыве
поля в сверхпроводящих магнитах), согласованное изменение линейных
размеров при охлаждении и т.д. Материал экрана определяет коэффициенты
десорбции газа и эмиссии электронов, что определяет газовую нагрузку и
развитие электронного мультипактора в коллайдере ([15, 16, 17, 18, 19, 20, 21,
22, 23] и др). Оптимальная конструкция экрана, разработанная в рамках
работы над проектом LHC, и ее преимущества представлены в работе [24], а
технологические аспекты дизайна в [25]. Для материала экрана - нержавеющей
стали покрытой медью - параметры электронного мультипактора
экспериментально изучались в работах [16, 22, 23] и др., а фотодесорбции — в
работах [5, 10] и др. Однако при проектировании новых коллайдеров
необходимо также знать основные вакуумные параметры для холодной
камеры с криосорбером на экране, что требовало проведения дополнительных
9 исследований после выбора перспективных криосорберов.
Актуальность и новизна работы, проведенной автором и представленной в настоящей диссертации, обусловлены существующей востребованностью развития метода криосорбционной откачки для холодных вакуумных камер современных коллаидеров, что отражено в различных предлагаемых проектах коллаидеров нового поколения, в частности, в проекте LHC. Цели и задачи данной работы были определены ведущими специалистами в области вакуумной науки и техники ускорителей из CERN и ИЯФ СО РАН в рамках совместных исследований, проводимых на основе заключенного в 1993 году между CERN и Правительством РФ Соглашения о Сотрудничестве в строительстве Большого Адронного Коллайдера (LHC) в CERN.
ЦЕЛИ:
анализ динамики давления (плотности) остаточных газов и оценка требуемой сорбционной емкости криосорбера в вакуумной камере Длинных Прямых Секций LHC;
поиск и выбор перспективных криосорбционных материалов для использования в сверхпроводящих коллайдерах;
определение возможностей распределенной криосорбционной откачки в криогенных вакуумных камерах коллаидеров с экраном пучка;
предложить оптимальный криосорбер и изучить возможность его использования для Длинных Прямых Секций LHC.
ЗАДАЧИ:
1. Используя известные математические представления основных факторов
газовыделения и откачки, провести анализ динамики изменения плотности
остаточных газов в вакуумной камере Длинных Прямых Секций LHC.
Оценить требуемую емкость криосорбера.
Метод: Составить динамические уравнения газового баланса в вакуумной
камере. В случае трудности получения их общего аналитического решения
проанализировать отдельно значения факторов газовыделения и откачки.
Используя проведенный анализ динамики плотности газа и известные
экспериментальные данные по газовыделению из материала экрана оценить
Щ требуемую емкость криосорбера.
2. Выбор перспективных криосорберов, удовлетворительно сорбирующих
водород в диапазоне температур 1СИ-20 К, и удовлетворяющих общим
требованиям, предъявляемым в коллайдерах к криосорберам.
Метод: Провести поиск подходящих материалов среди известных криосорберов, а также рассмотреть возможность предложения новых
#
криосорбционных материалов. Экспериментально сравнить сорбционные возможности разных криосорберов-кандидатов по изменению динамического давления при напуске Н2 при температурах образцов в диапазоне от 10 до 20К.
3. Определить возможности распределенной криосорбционной откачки в
вакуумных камерах с экраном пучка при температуре стенок камеры 4.2 К и
77 К и температуре экрана с криосорбером 20 К и ниже. Разработать метод и экспериментальную установку для измерения вакуумных параметров конструкции на базе прототипа вакуумной камеры LHC с экраном с различными криосорберами и способами их размещения в зазоре между экраном и стенками вакуумной камеры.
Метод: Разработать экспериментальную установку, моделирующую геометрическую конфигурацию вакуумной камеры LHC и распределенную газовую нагрузку вдоль камеры, которая в LHC будет вызываться СИ и электронно-стимулируемой десорбцией газа. Экспериментально исследовать сорбционные характеристики (динамика давления, сорбционная емкость, скорость откачки) для конструкции с разными вариантами крепления выбранных перспективных криосорберов.
4. Предложить оптимальный криосорбер для использования в вакуумной камере в Длинных Прямых Секциях LHC.
Метод: Из исследованных материалов определить оптимальный криосорбер для использования в LHC с учетом требований, определенных при анализе динамики плотности остаточных газов в LHC. Информация, полезная для предсказания динамики давления в вакуумной камере в переходных и аварийных режимах работы ускорителя, может быть получена при моделировании коротких осцилляции температуры экрана с криосорбером. Эта задача требует проведения специальных дополнительных исследований
12 для прототипа вакуумной камеры LHC с предложенным криосорбером при разных температурах экрана, для чего необходимо предусмотреть в конструкции экспериментального стенда возможность изменения температуры экрана в широком диапазоне.
Для проведения данных исследований в ИЯФ были разработаны и созданы специальные экспериментальные установки, на которых были проведены соответствующие поставленным задачам научные исследования.
В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ диссертации проанализирована динамика плотности газа в криогенной вакуумной камере коллайдера с экраном пучка и проведена оценка требуемой сорбционной емкости криосорбера для вакуумной камеры в Длинных Прямых Секциях LHC.
ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ диссертации описаны экспериментальный стенд для проведения криосорбционных исследований в конфигурации вакуумной камеры LHC и модернизация этого стенда для измерения сорбционных характеристик различных криосорбирующих материалов.
В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ описан экспериментальный метод для криосорбционных исследований.
В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ описан поиск перспективных криосорбирующих материалов для адсорбции водорода при температурах криосорбера 10-К20 К.
В ПЯТОЙ ГЛАВЕ описаны исследования возможностей распределенной криосорбционной откачки в вакуумной камере с экраном пучка с выбранными
13 эффективными криосорберами (активированным углем, тканным и нетканным углеволоконным полотном). Рассмотрены возможные варианты крепления криосорберов. Представлены специальные исследования для экрана с углеволоконной тканью, предложенной в качестве криосорбера для LHC.
В ЗАКЛЮЧЕНИИ сформулированы основные результаты диссертационной работы, выносимые на защиту.
Представленная работа проводилась в государственном научно-исследовательском учреждении "Институт Ядерной Физики им. Г.И. Будкера СО РАН" (Новосибирск, РФ) с 1997 по 2004 годы. Данная работа является частью вклада РФ в международный проект по строительству сверхпроводящего адронного суперколлайдера нового поколения LHC в CERN. Результаты и выводы, полученные в проведенных исследованиях, прошли стадию совместного обсуждения с ведущими специалистам вакуумной группы LHC и используются при создании LHC в CERN [26], а также являются важными исходными данными для конструирования других современных научно-исследовательских физических комплексов.
Основные результаты, вошедшие в диссертацию, представлены специалистам вакуумной группы LHC в CERN [27], [28], опубликованы в реферируемых научных журналах [29, 30, 31, 32, 33] и докладывались на российских и международных научных конференциях [34, 35, 36, 37, 38, 39] и др.