Особенности вакуумных систем ускорительно-накопительных комплексов

Построение ВС ускорительно-накопительных комплексов подчинено требованию достижения давления порядка 10^-6 — 10^-7 Па в основных камерах и 10 ³ — 10 ¹ Па в участках взаимодействия пучков, а также дополнительным условиям, следующим из назначения ускорителя. Встроенные насосы используются в сочетании с внешними насосами почти во всех электронных накопителях. В крупных протонных синхротронах внешние насосы расположены с шагом, определяемым структурой магнитной системы. Выбор системы откачки конкретного ускорителя или накопителя определяется оптимизацией с учетом необходимого давления и стоимости ВС. Материал камеры должен быть немагнитным, а изменения сечения камеры — минимальными и плавными. Камеры большинства электронных накопителей, например PETRA, выполнены из алюминия из-за его дешевизны, простоты экструзионного метода изготовления камер сложного профиля, хорошей теплопроводности. Однако стремление к малой толщине стенки побудило разработчиков ряда накопителей использовать нержавеющую сталь (например, в ВЭПП). В табл. 5.1 приведены основные параметры ВС электронных накопителей.

Камера электронных накопителей в зазоре магнита обычно имеет три продольных канала (рис. 5.1). Стенка между каналами пучка и насоса перфорирована; например, в камере PETRA на длине 5,3 м сделано 100 отверстий размером 1×5 мм.

Может принимать любое значение от нуля до бесконечности, причем степень выполнимости соотношения (4.62) можно рассматривать как меру структурного совершенства НПД в смысле условия (4.61).

Таблица 5.1. Характеристики ВС электронных накопителей.

Параметр	ВЭПП-3	ВЭПП-4	РЕР	PETRA	LEP-130 (проект)
Ток пучка, мА	100	10	5,5	20	6,2
Мощность синхротронного излучения на 1 м, кВт/м	0,005	0,4	0,3	1,2	2,2
Максимальная магнитная индукция, Тл	1,9	0,7	0,4	0,3	0,12
Сечение камеры пучка, мм	40 х 28	60X27	90X54	114X56	131 х 72
Удельнея проводимость камеры, м4/с	0,01	0,01	0,04	0,06	0,1
Длина секции камеры, м	3	3,4	14	7,2	11,9
Тип насосов предварительной откачки	МРН	МРН	—	ТМН	ТМН
Быстрота действия насосов предварительной откачки, м3/с	—	0,25	—	—	0,1
Число шиберных затворов	—	50	36	32	128
Тип внешних высоковакуумных насосов	МРН/ГИН	МРН/ГИН	МРН/МРН	МРН	МРН/МРН
Число внешних высоковакуумных насосов	16,6	100/40	108/120	120	4500/768
Быстрота действия внешних насосов, м/с	0,15/0,8	0,15/0,8	0,1/0,22	0,03	0,03/0,22
Тип встроенных распределенных насосов	МРН	МРН	МРН	МРН	НРГ
Быстрота действия встроенных насосов, м3/ (с • м)	0,1	0,2	0,09	0,11	0,5

Примечание. Здесь ТМН — турбомолекулярный насос; МРН — магниторазрядный насос; ГИН — геттерно-ионный насос; НРГ — нераспыляемый геттер. Данные после косой черты относятся к прямым участкам камеры.

Мощность синхротронного излучения поглощается специально встроенными приемниками, которые охлаждаются водой. В накопителях ВЭПП приемник в виде сплющенной медной трубки позолочен для снижения вероятности образования окисных пленок.

В накопителях ВЭПП-3, ВЭПП-4 участки камер изготовляют с концевыми дисковыми кольцами, которые сваривают по краю и допускают многократную обрезку и восстановление шва при сборке. Для герметичного соединения камер из алюминия и деталей из нержавеющей стали (сильфоны, фланцы, вводы) разработана новая технология электросварки в потоке инертного газа и сварки трением. Основные параметры вакуумных систем некоторых протонных ускорительно-нако-питепьных комплексов представлены в табл. 5.2. Наиболее распространенный материал вакуумных камер протонных комплексов — нержавеющая сталь. Применение алюминиевых сплавов ограничено иэ-за мультипакторного разряда, возникающего вследствие малой энергии выхода вторичных электронов из окисной пленки

Таблица 5.2. Характеристики протонных ускорителей и накопителей

Примечание. Здесь ДРН — двухроторный насос; ГКН — гелиевый конденсационный насос; АА — накопитель антипротонов; MR — основное кольцо; ED — удвоитель энергии. Остальные обозначения те же, что в табл. 5.1.

Вакуумные камеры протонных комплексов могут иметь эллиптическое, круглое или прямоугольное сечение. Заметный вклад в газовую нагрузку вносят детали из феррита. Для уменьшения плотности потока десорбции до 10 ⁸ м • Па/с феррит отжигают в вакуумных печах при Т — 1300 К и давлении 10 ³ Па, что не меняет его магнитных свойств. В спектре остаточных газов феррита доминирует водород. В антипротонном накопителе AA-CERN большую газовую нагрузку создают шарнирные соединения, необходимые для быстрого (менее чем за 150 мс) перемещения блока феррита в медианную плоскость; от них идет поток газа (в основном СО и СОг) порядка 10^-8 м³ • Па/с.

Для защиты уязвимого оборудования внутри тонкостенных камер от аварийного прорыва атмосферы в ЦЕРНе созданы быстродействующие шиберные затворы с апертурой 152 х 52 мм, которые перекрывают отверстие примерно за 18 мс. В качестве аварийных датчиков используются малые разрядные насосы с временем отклика менее 0,5 мс.

Конструкции ВС ускорителей тяжелых ионов и протонов аналогичны. Единственной особенностью первых является использование в некоторых режимах локальных перезарядных газовых мишеней. В этом случае возле них должны быть расположены специальные насосы. В табл. 5.3 приведены вакуумные параметры ускорителей и накопителей многоэарядных и тяжелых ионов. Эллиптическая вакуумная камера тяжелоионного синхротрона ТИС будет выполнена из нержавеющей стали в виде тонкостенной гофрированной оболочки для увеличения ее сопротивления вихревым токам в связи с крутыми фронтами магнитного поля. Прогрев камеры производится наружными элементами. В системе откачки ТИС для получения давления 3 * 10 ⁷ Па используются магниторазрядные насосы с быстротой действия 0,25 м³/с, установленные с шагом 4 м.

Встроенным насосам посвящено много исследований. Основная проблема — работа насосов в магнитных полях, сильно меняющихся за цикл ускорения. В распределенных разрядных насосах могут возбуждаться разряды двух видов, которые различаются по профилю потенциала в ячейке. В случае разряда при низком магнитном поле (режим НМП) пространственный заряд электронного облака распределен по всей ячейке и деформирует профиль потенциала. В случае разряда при высоком магнитном поле (режим ВМП) существуют свободная от поля плазменная область вблизи оси ячейки и тонкое облако электронов, прилегающее к аноду в форме оболочки.

Переходное значение магнитной индукции

Быстрота откачки одной ячейки по азоту:

Таблица 5.3. Характеристики ВС ускорителей тяжелых ионов

Примечание. Здесь ПМН — паромасляный насос; КРН — криогенный насос; остальные обозначения те же, что в табл. 5.1, 5.2.

Проекты:

Встроенные насосы с анодами в форме разнесенных пластин, предназначенные для режима НМП, характеризуются более высокой проводимостью от канала насосов к каналу пучка и меньшим значением В_заж по сравнению с цилиндрическими анодными ячейками. Такие пластинчатые аноды работают в полях В —2 • 10 ² г1,2 Тл при быстроте откачки до 0,15 м³/с на 1 м. Для электронного накопителя на 800 МэВ в Западном Берлине создан насос, способный работать в поле до 1,5 Тл {рис. 5.3). Анодные ячейки диаметром 4 мм штампуются или сверлятся в пластинах коаксиально. Быстрота действия насоса при р — 1 • 10⁴ Па на длине 2 м (один магнит) составляет 0,3 м³/с. В накопителе PETRA анодные ячейки имеют (по группам) диаметры 17 и 32 мм. Последние используются при инжекции (в =3,9 • 10 Тл).

Для измерения давлений до 10 ¹² Па в ЦЕРНе использовались сверхвысоковакуумные манометры Хельмера. Серийные образцы этих манометров имеют нижний предел по давлению 2,5 • 10 ¹ Па. Этот предел обусловлен в основном возгонкой вольфрама с катода. Покрытие катода пленкой тория, уменьшение эмиссионного тока электронов от 10 до 4 мА, уменьшение напряжения сетка — катод, дальнейшая оптимизация улавливания ионов при подавлении прохождения на коллектор рентгеновского излучения путем варьирования диаметров отверстий в сетке и экранирующей полости, а также расстояния между пластинами, поворачивающими ионы, — все это обеспечило возможность измерения давления 1-10 Па (рис. 5.4).

В России созданы крупные накопители для встречных электрон-позитронных пучков (рис. 5.5). Установка ВЭПП-3 состоит из двух полуколец радиусом 8,02 м и двух прямолинейных промежутков по 12 м. Для получения давления 10 ^е Па необходима быстрота откачки 0.2 м³/с на 1 м при энергии частиц 3 ГэВ.