Введение к работе
Актуальность темы диссертации;
Развитие ускорителнон техники в сторону увеличения энергии частиц привело к необходимости использования сверхпроводящих магнитов, позволяющих получать более сильные, по сравнению с теплыми 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 появились проекты создания ускорителей следующего поколения — протонных коллайдеров ТэВ-ного диапазона энергий, использующих сверхпроводящие магниты (SSC: Е — 2 X 20 ТэВ, Л =~ 83 км; УПК: Е = 2 х 3 ТэВ, П =~ 21 км; LIIC: Е = 2 х 7 ТэВ, П =~ 27 км) [13]—[15]. Большая часть вакуумной камеры проходит внутри криогенной системы сверхпроводящих магнитных элементов. В таком случае разумно, чтобы вакуумная камера пучка, также поддерживалась при низких температурах, используя возможности крнооткачкн и уменьшая нагрузку на криогенную систему.
В проектируемых сверхпроводящих коллайдерах нового поколения {LIIC в ЦЕРНе, SSC в США, УIIК и ИФВЭ) впервые для протонных машин стал существенным вопрос фотодесорбции газа: синхротронное излучение (СИ), обусловленное протонами с энергиями иескольно ТэВ, будет вызывать десорбцию молекул газа со стеиок холодной вакуумной камеры (при Т ~ 4.2 К), также как с теплых стенок существующих электронных машини». По в электронных накопительных кольцах с теплой вакуумной камерой облучаемые внутренние стенки камеры со временем обезгажнвают-ся, а десорбированные газы удаляются распределенной откачкой. Случай криогенной вакуумной камеры ранее пе изучался, поэтому трудно было даже оценить ожидаемые плотности газа под воздействием СИ, поскольку, с одной стороны, при температурах жидкого гелия стенки камеры являются великолепным крионасосом, с другой стороны, адсорбированные на этих стенках молекулы никуда пе удаляются и могут быть вновь десорбировашгы.
Характер поведения плотности остаточного газа в вакуумной
камере пучка существенно влияет на конфигурацию вакуумной системы коллайдера в целом. Из-за недостатка экспериментальных данных не было ясного представления о характере процессов в холодной вакуумной камере, что, в свою очередь, не позволяло правильно спроектировать вакуумную систему.
К началу наших работ имелось только две публикации, посвященных фотодесорбционным экспериментам при гелиевых температурах, выполненных в США в Брукхевенской Национальной Лаборатории (BNL) [17] и в Центре Синхротронного Излучения (SRC) [18]. В BNL на Национальном Источнике Синхротронного Излучения (NSLS) был проведен ряд экспериментов по изучению динамической плотности (т.е. плотности газа при облучении стенок камеры фотонами СИ) в вакуумной камере при температуре 4.2 К. Был определен спект^р десорбируемых газов: Ні (максимальный выход), СО и СОч. Кроме того было обнаружено возрастание динамической плотности газа с увеличением накопленной фотонной дозы, наклон кривой уменьшался после отогрева трубы до температуры в интервале 20-70 К. В SRC был проведен эксперимент по измерению фотодесорбщш с поверхности покрытой медью нержавеющей стали при температуре жидкого гелия и при комнатной температуре. Полученные коэффициенты фотодесорбции приблизительно совпадают rjcold ~ t]worm.
Из имеющихся экспериментальных данных картина динамики плотности в криогенной вакуумной камере коллайдера в"лростой трубы представлялась следующим образом [16]-[20] :
фотоны СИ облучают узкую полоску поверхности вакуумной камеры пучка и стимулируют десорбцию молекул газа с этой полоски;
десорбнрованные молекулы сорбируются на необлучаемой части поверхности камеры;
возможно существенной является десорбция физадсорбиро-ванных на криоповерхности молекул под воздействием ионов, 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 но времени жизни;
поскольку криоповерхность является идеальным крионасосом^ 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 фотодесорбцнн с поверхности при гелиевых температурах примерно такой же как и при комнатных;
в случае достаточно большого коэффициента десорбции, когда на поверности 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 крносорберов, защищенных лайнером от фотонов СИ.
Необходимость проведения подробного экспериментального исследования процессов, происходящих в вакуумной камере коллайдера была высказана многими специалистами в области вакуумной техники ускорителей, собравшихся на рабочее совещание в лаборатории SSC в 1992 [16], там же бглли сформулироваппы основные цели, задачи и методы такого исследования.
Цель проведения работы.
Иследовать какова картина процессов в криогенной вакуумной камере пучка сверхпроводящего суперколландера;
Определить возможность работы коллайдера с вакуумной.камерой в виде 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 вакуумной
камере.
Научная новизна работы.
Впервые проведено подробное исследование плотности газа в протопипах вакуумной камеры коллайдеров, находящихся при гелиевых температурах, подверженных облучению СИ;
Показано, что в вакуумной камере в виде простой трубы плотность газа возрастает с набранной фотонной дозой благодаря вторичной десорбции крносорбнрованных на стенках
камеры ранее первично десорбнрованных молекул, введены понятия вторичной десорбции и коэффициента вторичной десорбции rj';
Экспериментально подтверждена, эффективность лайнера — перфорированного экрана пучка;
Для описания динамики плотности газа предложена феноменологическая модель, значения всех величин этой модели определены из данных проведённых экспериментов;
Предложен и реализован метод прямого измерения плотности газа, основанный на перезарядке ионных пучков на молекулах остаточного газа, с его помощью впервые измерена скорость молекул, десорбировавшнх с крноповерхиости под действием СИ.
Основные результаты работы, выносимые на защиту.
1. Изучена динамика плотности газа в прототипе вакуумной камеры сверхпроводящего суперколлайдера под воздействием СИ при Т = 4.2 К:
Проведена серия экспериментов при Т — 4.2 К на прототипах вакиумной камеры в виде простых труб. По- .._---казано, что в вакуумной камере коллайдсра в виде простой трубы ограничение по плотности остаточных газов определяется не изотермой равновесия, а динамической плотностью, обусловленной вторичной десорбцией крио-сорбнровашгых поверхности трубы молекул, введено понятие коэффициента вторичной десорбции 7?', приведены экспериментальные зависимости rj'Jaw от накопленной дозы облучения (стш — коэффициент прилипания).
Проведена серия экспериментов при Т — 4.2 К на прототипах вакуумной камеры с лайнером. Определены коэффициенты фотодесорбции г) при Т — 4.2 К; приведены экспериментальные зависимости коэффициента первичной десорбции rj от накопленной дозы облучения.
Продемоистрированна эффективность использования лайнера в вакуумных камерах суперколландеров.
Па основе феноменологической модели фотодесорбцнн с криосорбпрующей поверност», показано, что измерения тёплым датчиком динамического давлення в вакуумной камере в виде простой трубы определяют отношение коэффициента вторичной десорбции к коэффициенту прилипания ?//<т,„, в вакуумной камере с лайнером — величину коэффициента первичной десорбции tj.
Экспериментально определены все переменные этой модели: г), г]', a, ?ie, 71, v.
2. Реализован метод измерения плотности газа по перезарядке ионных пучков. Измерена температура газа (средняя скорость молекул), десорбнрующего с крноповерхностн . трубы при Т = 4.2 К:
Создана установка для измерения плотности газа мето
дом ионных пучков.
Проведены эксперименты, показавшие, что средняя ско
рость молекул, десорбировавших под воздействием СИ с
критической энергией фотонного спектра Ес — 284 эВ,
в случае простой трубы при Т = 4.2 К равна
v = 8 Юл ± 1.5 104 см/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 вакуумпах камер:
Проведены измерения коэффициентов фотодесорбции при комнатной температуре на различных образцах. Получены коэффициенты десорбции для труб, подготовленных по тон 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 фотодесорбции водорода (~30-35%) по сравнению с иепрогрстыми трубами.
Изучено влияние магнитного поля на характер фото-десорбционных процессов в вакуумной камере в виде трубы. Показано, что наличие магнитного поля слабо влияет на результаты десобщюнных экспериментов, что позволяет утверждать, что при таких углах падения фотонов на поверхность стенок вакуумной камеры (а =~ 10 мрад) происходит раейянпе фотонов по всей поверхности камеры.
4. Разработана новая методика вакуумных измерений, на осно
ве которой создан стенд, позволяющий проводить экспери
менты по изучению фотодесорбционных процессов на прото
типах вакуумных камер протонных суперколлайдеров:
разработаны, собраны н запущены установки на двух
каналах СИ (высокой и низкой интенсивности), позволя
ющие проводить исследования как при комнатных, так
..... -и при криогенных температурах, производить измерения плотности газа, температуры в экспериментальном объеме, регистрировать режим работы ускорителя.
Разработана и создана гибкая система автоматизиро
ванного сбора информации и управления, существенно
облегчающая контроль за течением экспериментов на
одном из двух или на 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
ны вакуумные проблемы, встающие при разработ
ке вакуумной системы колландеров с вакуумной камерой при ге
лиевых температурах. Получено ясное и обоснованное понимание
динамики плотности газа в простой вакуумной камере и вакуумной
камере с лан/ором.
Предложенная феноменологическая модель со всеми экспериментально онредёнпымп величинами впей позволяет количественно предсказывать понсдсние плотности газа, в вакуумной камере колландеров с крпосорбирующпмн стенками.
Структура работы. Основной текст диссертации состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Текст диссертации содержит 85 страниц, 18 рисунков и 6 таблиц. Список литературы состоит из 49 наименований.