Факторы, определяющие выбор давления

By Technisches Vakuum On Ноя 16, 2020

Факторы

Построение вакуумной системы (ВС) ускорителя любого типа определяется верхним допустимым пределом давления остаточного газа в вакуумной камере, обеспечивающим нормальное функционирование ускорителя. Взаимодействие пучка с остаточным газом и стенками камеры, как правило, является вредным: оно ухудшает качество пучка или вовсе разрушает его, служит источником помех в физических экспериментах. Различные эффекты могут приводить к неодинаковым требованиям к давлению, и тогда приходится выбирать наименьшее давление. При проектировании ускорителей и накопителей заряженных частиц исходят из заранее заданной магнитной структуры, вакуумная камера должна быть вписана в предоставленное ей пространство в зазорах магнитов, а откачные посты к камере могут быть присоединены только в промежутках между магнитами. Малое сечение камеры лимитирует ее проводимость, что вместе с ограниченными возможностями размещения насосов затрудняет достижение необходимого давления и делает его распределение вдоль камеры резко неоднородным. Эти трудности в основном были преодолены после появления идеи внутрикамерных распределенных магнитных электроразрядных насосов, работающих в магнитном поле ускорителя.

Характер взаимодействия пучка и остаточного газа зависит от вида частиц и типа ускорителя. Это в основном кулоновское рассеяние на ядрах атомов остаточного газа; при повышенных токах пучка протонов может инициироваться лавинный процесс вакуумной неустойчивости, так как образованные ионы стимулируют десорбцию молекул с прочной связью. В ускорителях многозарядных ионов существенны процессы перезарядки ионов при столкновениях с атомами остаточного газа. Опасность пробоев в линейных ускорителях вынуждает использовать вакуум в их трубках в качестве средства электрической изоляции. При небольших энергиях протонов потери из-за однократного рассеяния могут преобладать над потерями, связанными с многократным рассеянием. В сильноточных ускорителях протонов и ионов основной вред от потерь частиц пучка связан с активацией оборудования рассеянными протонами и с образованием мешающего фона вторичных частиц.

При многократном кулоновском рассеянии на малые углы на промежуточных стадиях процесса происходит увеличение эмиттанса пучка, а заключительная стадия приводит к потерям частиц. При ионизации атомов остаточного газа частицами высоких энергий образуется фон пространственного заряда ионов и электронов. Определенную опасность представляет частичная нейтрализация положительного пространственного заряда протонного пучка электронами, захваченными потенциальной ямой пучка протонов. Из всех зависящих от вакуума эффектов в ускорителях наиболее строгие требования к давлению предъявляют ядерные взаимодействия пучков с остаточным газом в области взаимодействия встречных пучков. Это вынуждает применять системы дифференциальной откачки, обеспечивающие перепад давления между областью взаимодействия и остальной камерой на несколько порядков.

Характерная особенность электрон-позитронных накопителей — наличие мощного синхротронного излучения при энергиях электронов несколько гигаэлектрон-вольт, которое вызывает интенсивную десорбцию молекул со стенок камеры. В электронных накопителях реальное время жизни пучка можно определить по формуле, где суммирование ведется по всем однократным процессам, ограничивающим время жизни пучка. К ним относятся единичные акты кулоновского рассеяния электронов (или позитронов} пучка на ядрах атомов остаточного газа. Доминирующим процессом, определяющим потери частиц в электронных накопительных кольцах, является тормозное излучение электронов пучка в кулоновском поле ядер остаточного газа. Влияние вакуумной камеры накопителя с любым сгруппированным пучком (электронным или протонным) на поведение пучка и работу накопителя в целом связано с возбуждением вблизи неоднородностей камеры паразитных высокочастотных полей на гармониках частоты модуляции тока пучка.