Вакуумное оборудование - pyrs.ru

Особенности ускорителей с криогенной откачкой

Особенности ускорителей с криогенной откачкой
0

При разработке проектов ускорителей со сверхпроводящими магнитами привлекательна возможность общей комбинированной криогенной системы обмоток магнитов и вакуумной камеры. Преимущества холодной камеры связаны с тем, что при 4,2 К все газы, кроме гелия и водорода, имеют равновесное давление насыщения менее 1 * 1014 Па. Холодную камеру благодаря интенсивной собственной откачке можно сделать очень малого диаметра, несмотря на уменьшение проводимости, и тем обеспечить значительное снижение стоимости сверхпроводящих магнитов. Успех в использовании холодной камеры может быть достигнут только при исключении внешних течей и теплых участков. В противном случае поступление газа из этих двух источников приведет к обильной конденсации молекул на стенках и к соответствующей весьма высокой ионно-стимулированной десорбции. Для водорода, намороженного на меди и облучаемого протонами энергией 5 кэВ, измеренные коэффициенты 710 составили около 5•104.

Рассмотрим процессы, происходящие в холодной камере диаметром 5 см при линейной плотности потока десорбции со стенок 1,3 • КГ11 м2 х х Па/с и отсутствии течей. Пусть через каждые 3 м к камере подсоединены насосы с бесконечно большой быстротой действия. Из-за ограниченной проводимости камеры давление в ней до охлаждения будет не менее 4 — 1*108 Па. После охлаждения стенок камеры до 4,2 К почти все молекулы сконденсируются на них и образуют слой с поверхностной плотностью 5 • 1016 см-2, а в объеме камеры установится давление порядка 1014 Па. Но если в камере появятся теплые участки с давлением 109 Па, то от них потекут потоки газа к холодным стенкам и начнется интенсивная конденсация молекул на последних. Даже гелий будет адсорбироваться, так как для его молекул коэффициент прилипания 0 » 0,8 в случае чистых металлов при 4,2 К. Плотность потока конденсации можно оценить значением 5 • 109 с1 * см2; монослой формируется за несколько суток. С увеличением степени покрытия поверхности /3 уменьшается и приближается к нулю с завершением формирования монослоя. Давление в холодной камере начнет расти и достигнет равновесного значения при концентрации молекул 3 • 106 см3, что соответствует давлению 1,3 • 109 Па. В этих условиях пучок протонов током 15 А будет создавать и посылать на стенки камеры поток ионов плотностью порядка 107 с1 • см2. Приняв правдоподобное значение Ти д = Ю4, получим плотность стимулированного десорбционного потока со стенок 10*1 с”1 х х см2. Реадсорбция всего этого газа невозможна даже при /3 = 1, поэтому потери пучка неизбежны. Подобный результат получился бы при наличии едва детектируемой (1*1010 м3 • Па/с) течи. Критический ток пучка протонов накопителя в указанных условиях составляет всего 0,5 А.

Однако можно ожидать, что стабильный вакуум будет обеспечен тем, что высокие значения могут быть компенсированы большой быстротой распределенной криогенной откачки. Хотя холодная камера может привести к нерабочим условиям, эту ситуацию нельзя считать наиболее типичной. При температуре 4,2 К вообще можно положить исходное давление р0 = 0. Коэффициент прилипания /3 ~ 1, времена пребывания молекул на стенках весьма велики; проводимость камеры также положим равной нулю. В этих предположениях не играют роли апертура камеры и расстояние между насосами, что позволяет использовать очень длинные камеры и очень малые зазоры в магнитах. Рассмотрим рост давления в холодной камере при ионно-стимулированной десорбции. Пусть по — исходная концентрация молекул в камере без пучка; о — сечение ионизации; / — ток пучка; D — диаметр камеры. Считаем, что освобожденная ионом молекула обладает скоростью й, достигает противоположной стенки камеры и там поглощается с вероятностью /3. При этом концентрация газа в камере с пучком равна п = п0 + Дл, где Дл — прирост концентрации за счет ионно-стимулированной десорбции. Число реадсорбированных в единицу времени молекул на единице поверх-Полученное выражение опять приводит к концепции критического тока пучка в накопителе. При использовании (1.42) нет смысла полагать По = 0, как было сделано вначале; при этом неизвестно, чему в действительности равно очень малое р0 = покТ. Более правильный подход заключается в оценке критического значения величины (/-у д/|3) к . Для этого можно задаться, например, критерием допустимого рабочего тока, составляющего 90% критического, что соответствовало бы превышению давления на порядок по сравнению с исходным уровнем Ро-В этой концепции принципиально важную роль играет средняя скорость молекул v. К сожалению, значения v и /3 плохо известны для криогенных условий. Грубо можно считать /3 = 1 для стенки при температуре 4 К и молекулярных температур до 300 К (около 1/40 эВ). Для больших скоростей молекул |3 может и убывать, что приведет к нескольким пересечениям камеры молекулами. Большая скорость молекул энергетически возможна, так как энергия отрывающих их ионов обычно порядка 1 кэВ. Этому способствует слабая связь молекул на вершине толстого намороженного слоя (примерно 102 эВ для водорода). В первом приближении можно ограничиться предположением |3 = 1, а величине v приписать два возможных, но полярных значения. Одно из них могло бы соответствовать скоростям молекул, соударявшихся с поверхностью с температурой 4 К, а другое — скоростям молекул, обладающих энергиями порядка 1 эВ, которые характерны при распылении твердых подложек ионами энеогией несколько килоэлектрон-вольт.

Таблица 1.5. Критические токи пучка протонов в холодных камерах

Результаты оценок приведены в табл. 1.5 для камеры диаметром 6 см. Эти оценки позволяют сделать заключение, что нет серьезных ограничений в использовании холодных камер (даже в пессимистическом однако необходимы дальнейшие исследования скоростей молекул и коэффициентов прилипания в глубокоохлажденных камерах. Условиями использования холодной камеры являются: 1) полное устранение гелиевых и водородных течей; 2) уменьшение покрытия поверхности камеры молекулами Н2О и углеводородов, так как эти молекулы при ионной бомбардировке могут разлагаться с образованием свободного водорода; 3) минимизация потока газа из теплых секций камеры в холодные. Пока не существует определенного решения в пользу холодной или теплой камеры. Для каждого отдельного ускорителя этот вопрос надо рассматривать конкретно.

В состоянии равновесия эта величина должна быть равна числу десорбируемых молекул с единицы поверхности камеры в единицу времени:

Отсюда для равновесной концентрации молекул в холодной камере получаем:



В экспериментах последних лет был измерен выход водорода из намороженных слоев Н2О и углеводородов при бомбардировке ионами. Показано, что этот выход пренебрежимо мал, поскольку сравнительно медленные ионы (0,5 кэВ) тратят энергию в основном на возбуждение орбитальных электронов, а не на ионизацию молекул Н2О. Для преодоления неопределенностей в оценке параметра д/)3й в ЦЕРНе была создана и вставлена в накопитель экспериментальная секция вакуумной камеры для работы при Т ~ 4,2 К. После охлаждения секции до 4,2 К начало скачков давления от 3 * 1О~10 до 107 Па происходило при токе пучка 18 А. Затем в секцию при температуре 4,2 К напустили водород в количестве, эквивалентном нескольким десяткам монослоев. Температура была понижена до 2,5 К, и давление достигло значения 5 • КГ10 Па, соответствующего насыщению водорода при этой температуре. При таких условиях ток пучка 15 А был получен без труда при очень малом росте давления, а ток 24 А — при росте давления до 1 (Г7 Па. Данные этих двух измерений позволили оценить критические токи пучка для указанного водородного загрязнения камеры: 34 и 24 А. В неаварийных условиях в холодной камере невозможны такие большие водородные загрязнения. Эти эксперименты показали, что возможное появление водорода в холодной камере не представляет серьезной угрозы устойчивости давления даже при характерных для водорода больших значениях уи = 5 • 104.

Опасно проникновение в камеру только водорода и гелия, при этом допустимо даже небольшое натекание воздуха. Отжиг камеры перед ее охлаждением не обязателен, что может привести к большой экономии на термическом оборудовании и дополнительном уменьшении апертуры магнитов. Перед охлаждением камеры в ней достаточно иметь форвакуум порядка 1*101 Па, при этом на стенках наморозится около 4 • 1*102 монослоя воздуха и пренебрежимо малые количества водорода и гелия. Опасность появления водорода вообще невелика: его натекания маловероятны, а его естественная десорбция при Т = 4,2 К практически отсутствует. Наибольшую опасность представляют возможные течи гелия в камеру из окружающего криостата, но при 4,2 К маловероятно его локальное накопление в таких количествах, которые могли бы привести к высоким значениям уи . Сделанное ранее предположение о том, что выбор диаметра камеры не играет роли, не совсем точно: критический ток пучка в накопителе пропорционален диаметру вакуумной камеры:

Предложенные к настоящему времени концепции термоядерного реактора (ТЯР) охватывают широкий спектр физических условий протекания реакции термоядерного синтеза. В основе множества способов ее осуществления лежит одна из двух возможных схем удержания и термоизоляции плазмы. Первая схема предусматривает использование магнитных полей, давление которых уравновешивает газокинетическое давление плазмы (ТЯР с магнитным удержанием). К их числу относятся токамаки, стеллараторы, открытые ловушки, тэта-пинчи, компактные торы. Согласно второй схеме процесс термоядерного синтеза протекает за время, которое проходит до разлета плазменного сгустка термоядерных параметров под действием газокинетического давления (реакторы с инерциальным удержанием).

В реакторах с магнитным удержанием реакцию термоядерного синтеза (термоядерную реакцию) предполагается осуществлять в сравнительно разреженной (концентрация порядка 1О20 м~3) спокойной плазме, нагретой до температуры 10 кэВ. В токамаках (рис. 2.1) планируется, например, следующая процедура получения термоядерной плазмы. В разрядную камеру, в которой поддерживается давление остаточного газа 1 СГ5 Па, впрыскивается газообразная смесь тяжелых изотопов водорода при давлении 1 СГ1 — 1 Па. Затем эту смесь ионизуют и в образовавшейся плазме с температурой 50 — 100 эВ, заполняющей вначале всю камеру, возбуждают электрический ток. Этим током плазма разогревается до температуры порядка 103 эВ, причем в этот период происходит ее отрыв от стенок и с помощью лимитеров (диафрагм) формируется плазменный шнур. Затем включают системы дополнительного нагрева (ВЧ-генераторы, инжекторы быстрых нейтральных атомов), поднимающие температуру плазмы до 10 кэВ, т. е. до значения, при котором начинается самоподдерживающаяся реакция. Весь процесс формирования плазменного шнура термоядерных параметров длится около 10 с. Для промышленного реактора выгоден непрерывный режим работы; во всяком случае, рабочий цикл должен иметь продолжительность порядка 104 с.

В реакторах с инерциальным удержанием (рис. 2.2) необходимые параметры плазменного сгустка достигаются путем импульсного всестороннего сжатия термоядерных мишеней — тонкостенных сферических полимерных, металлических или стеклянных оболочек диаметром около 1*102 м, заполненных дейтериево-тритиевой (DT) смесью. Сжатие мишеней по объему в 103 — 104 раз предполагается осуществлять ионными либо электронными пучками или лучами лазеров очень высокой мощности; одновременно со сжатием термоядерного топлива будет происходить его нагрев. Продолжительность одного термоядерного цикла (импульса) составит примерно КГ8 с. Мишени с частотой несколько герц будут подаваться в так называемую камеру взаимодействия, где будет утилизироваться выделяемая термоядерная мощность. Начальное давление остаточного газа в камере составляет 1 СГ4 Па.

Параметры и режимы реализации термоядерной реакции определяют и вакуумно-физические условия, необходимые для ее осуществления.

Leave A Reply