Десорбция, стимулированная синхротронным излучением и ионной бомбардировкой

Синхротронное излучение стимулирует десорбцию молекул с тех участков вакуумной камеры, на которые это излучение падает. Есть два вида такой десорбции. Тепловая десорбция вызывается нагревом стенок камеры при частичном поглощении в материале камеры синхротронного излучения. Фотодесорбция под действием синхротронного излучения, как принято считать, происходит в два этапа: фотоны имеют малое сечение десорбции молекул, но выбивают с поверхности фотоэлектроны, сечение десорбции которыми значительно выше. Выбитые электроны возвращаются к стенке камеры магнитным полем ускорителя. Оба механизма десорбции приводят к повышению давления в камере пропорционально току пучка.

Приближенное выражение для полного числа фотонов всех энергий, излучаемых электронами (или позитронами) в единицу времени (1с) на единице длины (1 м) вдоль орбиты, имеет вид излучения по всему спектру синхротронного излучения. Измеряют коэффициент электронно-стимулированной десорбции у_эм, равный числу молекул, выбитых одним электроном, при облучении стенок камеры электронами от накаленного катода. После этого определяют поток синхротронно-стимулированной десорбции по формуле Q_cc-д = 5 ^х х 1*10⁵ /ф_Э7_эм, где Q_{cc д} — в м³ • Па/с; /ф₃ — в мА. Здесь учтено двукратное десорбирующее действие каждого электрона (при вылете и возврате).

Коэффициент электронно-стимулированной десорбции зависит в основном от степени заполнения поверхности молекулами и может иметь значения в очень широком диапазоне: от 10 до 1*10⁸. При бомбардировке поверхности она очищается, а коэффициент у убывает. В электронных накопителях для достижения рабочего давления порядка 1*10⁶ Па необходимо обеспечить снижение у_зм до значения порядка 1*10⁵. Исходное значение у_дм после каждого напуска воздуха в вакуумную систему составляет примерно 0,1. Значение у_эм = 1 СГ⁵ может быть достигнуто после нескольких недель работы с пучком или после обработки камеры в рабочем положении тлеющим разрядом в аргоне. Под действием синхротронного излучения со стенок освобождаются в основном четыре вида молекул: Н₂, СЩ, СО₂ и, если есть пары воды, Н₂О. Поэтому умеренный отжиг до температуры около 500 К не оказывает заметного влияния на синхротронно-стимулированную десорбцию, так как при таких температурах удаляются только молекулы Н₂О.

Максимальный фотоэлектронный ток в накопителе PETRA оценивается значением 250 мА на 1 м длины камеры при энергии частиц в пучках 14,5 ГэВ и их токах по 90 мА. При у = 1*10⁵ это приводит к потоку десорбции а_сс._д = 1,25 * 1*10⁷ м³ • Па/с на 1 м длины вакуумной камеры накопителя. Распределенные насосы с быстротой действия 0,125 м³/с на 1 м длины камеры обеспечивают достижение рабочего давления 1*10⁶ Па. На практике часто используют коэффициент фотонно-стимулированной десорбции Уф_М— Удобнее поток синхротронно-стимулированной десорбции на 1 м длины камеры оценивать по приближенному выражению, не содержащему фотоэлектронного тока:

При образовании на орбите протонного накопителя пучка большой интенсивности его положительный потенциал может быть достаточно высоким (более 1 кВ) и явиться причиной ускорения в поперечном направлении ионов остаточного газа, образованных тем же пучком. Ионы вызывают десорбцию молекул с очень сильной связью, которые удерживались на стенках при других процедурах предварительного обезга-живания камеры. Повышение давления в камере приводит к усилению ионизации и последующей ионно-стимулированной десорбции. Процесс может иметь тенденцию к насыщению при данном токе пучка со стабилизацией давления на более высоком по сравнению с исходным уровне, но возможно также его неограниченное развитие с лавинным ростом давления, т. е. неустойчивость вакуума. Энергия связи молекул может варьировать в широких пределах: от (0,4 — 2) • 1*10² эВ при многослойной конденсации молекул до 4 — 20 эВ при хемосорбции газов поверхностью. Отжиг поверхности в течение нескольких часов при температуре Т эффективно устраняет газы с энергией связи молекул TI (450 — 500) эВ. Обычно температура обезгаживания не превышает 600 К, что соответствует десорбции газов с энергией связи около 1 эВ, т. е. связанных физической адсорбцией, но не хемосорбцией, как, например, СО, С₂Н₄, С₂Н₂, О₂, СН₄.

Важную роль играет коэффициент ионной десорбции у_и (число молекул, выбиваемых одним ионом), который сложным образом зависит от состояния поверхности, от вида и энергии падающего иона. Принято рассматривать как разность ⁼7i ^_7₂, где 71 — число молекул газа, освобождаемых одним ионом при ударе о поверхность; у₂ — вероятность сорбции первичного иона на поверхности. Поскольку у₂ 1, то, очевидно, —1. Обозначим степень заполнения поверхности связанными молекулами Член yj доминирует в случае необезгаженных или загрязненных поверхностей. Можно ожидать пропорциональной зависимости у_{и д} от 1 при значениях 1 и стремления 7_{И д} ^к —1 при малых Это можно трактовать как откачку пучком, поскольку при 7_{и д} 0 давление в камере в присутствии пучка частиц будет понижаться. При средних и больших энергиях ионов (И/_и 500 эВ) доминирует член 71, а 7 “ ИЛ. При более низких энергиях ионов заметный вклад в у вносят оба члена и у₂.

Эффективность теплового обезгаживания камеры показана на рис. 1.5. Прогрев при Т = 613 К снижает 7_и на порядок по сравнению с прогревом при 573 К. Состав десорбируемого газа в обоих случаях примерно одинаков: 40% Н₂, 40% СО, 20% осколков легких углеводородов. Для более глубокой очистки стенок камеры естественно использовать обез-гаживание их бомбардировкой ионами в газовом разряде, которое аналогично эффекту ионной десорбции под действием пучка протонов. В качестве газовой среды при этом используется аргон при давлении порядка 1 Па, так как он не сорбируется стенками химически и легко удаляется прогревом после физической адсорбции. Десорбируемые моле-

Для накопителя PETRA была найдена эмпирическая зависимость роста давления при включении пучка от интегральной дозы тренировки” камеры пучком:

Эффективно удаляются прокачкой газового носителя в вязкостном режиме, а реадсорбция их ослабляется поддержанием камеры в нагретом состоянии при разряде.

При теоретическом рассмотрении устойчивости давления в крупных протонных накопителях исходное уравнение записывается в виде (А — площадь сечения камеры) :

Решение зависит от параметра Ь. При Ь = 0 отсутствуют десорбция под действием ионов и реадсорбция молекул на стенках камеры. Решение уравнения (1.20) при b =0 описывает параболу с максимумом при х=0. Случай b 0 соответствует отрицательному значению коэффициента ионно-стимулированной десорбции. Он может иметь место: при хорошо очищенных стенках вакуумной камеры; в отсутствие пучка при больших значениях /3; в протяженных камерах со встроенными распределенными насосами.

Случай b 0 наиболее важен, так как он может привести к вакуумной неустойчивости; решение имеет вид:

Описанное выше явление неустойчивости давления в протонных накопителях при ионно-стимулированной десорбции представляет собой частный пример проявления свойств нелинейных ВС. В гл. 3 изложен общий подход к анализу процессов в нелинейных вакуумных системах независимо от конкретного механизма нелинейности и приведен обобщенный критерий их стационарности.

В ИФВЭ были проведены эксперименты по изучению влияния пучка на давление. Для ВС протонного синхротрона при числе ускоряемых протонов 2,5 • 10¹³ (ток 8 * 10² А) было определено критическое значение 7_И кп ⁼ 60- Д^{ля газа с} массовым числом 28 (N₂ + СО), дающего 70%-ныивклад в полное давление, начальное (до инжекции) и конечное (при плоской вершине) давления равны 2,15 • 1*10⁵ и 2,5 • 10Г⁵ Па. Отсюда было найдено 7_{И д} ~ 12,5. После обработки вакуумной камеры тлеющим разрядом в аргоне измеренное значение 7_и составило 1,5 ± 0,6. В связи с разработкой в ИФВЭ ускорительно-накопительного комплекса (УНК) было выполнено исследование ионно-стимулированной десорбции на модели камеры УНК при температурах 300 и 77 К. В камере вдоль оси был натянут изолированный электрод для возбуждения тлеющего разряда в аргоне при обработке камеры. Коэффициент 7_и определялся из соотношения числа молекул газа, выделившихся со стенок камеры и переходящих в газовую фазу за время ионной бомбардировки, к числу ионов, прошедших через разряд за то же время. Показанное на рис. 1.6 поведение 7_и предположительно связано с эффектом очистки поверхности камеры ионной бомбардировкой и с десорбцией газа, растворенного в приповерхностном слое металла, под действием внедряемых ионов. Значение 7_{И д} 0 при Т = 77 К может быть связано с реадсорбцией освобожденных атомов на холодной стенке и с внедрением ионов в толщу стенки. При этом поток внедряемых атомов превышает поток реэмиссии газа из приповерхностной области металла.

Технологическая обработка вакуумных камер ускорителей и накопителей нового поколения стала одцим из главных факторов, обусловливающих получение необходимых низких давлений, она требует системного подхода и физических исследований. Термическое обезгаживание камеры In situ (на рабочем месте) в типичном режиме (600 К, 24 ч) снижает поток тепловой десорбции с единицы поверхности нержавеющей стали до значений, меньших 10⁹ м • Па/с, причем примерно 99% этого остаточного потока составляет водород, диффундирующий из толщи стенки. Как показал опыт, эффективной процедурой очистки камер, предназначенных для сверхвысокого вакуума, является обработка тлеющим разрядом. В ЦЕРНе для этого используется смесь 90% Аг и 10% О₂ при давлении 3 Па. Для получения хороших результатов требуется флюенс порядка 10¹⁸ см².

На рис. 1.7 показан типичный пример динамики газового состава в камере во время очистки ее тлеющим разрядом. Площадь под кривой для СО соответствует 28 монослоям этого газа, которые сохранились при прогреве до 600 К. Проверка методом оже-спектроскопии подтвердила значительное сокращение содержания углерода в приповерхностных слоях под влиянием разряда, особенно при добавлении к аргону примеси кислорода.