Принципы расчета и проектирования вакуумных систем
При проектировании вакуумных систем электрофизических комплексов (ЭФК) существен ряд физических, конструктивно-технологических и эксплуатационных факторов. Важнейшими из них являются:
предельно допустимые средняя и максимальная концентрации и градиент концентрации остаточных газов; их парциальный состав; допустимое значение коэффициента захвата падающих на стенки молекул;
газокинетические особенности (динамический или статический вакуум; область рабочих давлений, определяющих характер течения газа; преобладание нестационарных или квазистационарных процессов; наличие ударной или пульсирующей газовой нагрузки); режим работы (разовый, циклический, непрерывный); требуемый ресурс;
характер газовой нагрузки (локальная нагрузка — напуск газа в ионные источники и перезарядные газовые мишени, десорбция с поверхности встроенных магнитов и устройств диагностики пучка, зоны повышенного рассеивания ускоряемых пучков; распределенная нагрузка — десорбция со стенок, в том числе стимулированная, газопроницаемость стенок; кинетика газовых потоков);
особенности ускоряющих структур или устройств накопления и нагрева плазмы в их взаимосвязи с вакуумными параметрами (мультипактор-ные эффекты, электрический пробой в статических или высокочастотных полях, взаимодействие плазма — остаточный газ и т. д.);
материалы и технология изготовления элементов вакуумного тракта (структура поверхности, наличие углеводородных пленок и посторонних включений, возможности высокотемпературного отжига материалов, прогрева отдельных узлов, специальных методов поверхностной очистки и формирования оптимального микрорельефа поверхностей);
конструктивное исполнение камеры (соотношение площади и объема; проводимость; возможность применения систем вакуум в вакууме, течеискания с откачиваемыми накладными камерами, устройств дифференциальной откачки и т. п.);
В насосах первого типа фиксация ротора в пространстве осуществляется магнитным полем соответствующей конфигурации, в насосах второго типа — воздухом под сравнительно небольшим давлением. В обоих случаях полностью исключаются непосредственный контакт ротора с корпусом работающего насоса, фрикционные потери и износ деталей, а также обеспечивается практически абсолютная чистота остаточной газовой среды. Единичная быстрота действия безмасляных турбонасосов, выпускаемых промышленностью, не превышает 0,5 м3/с, что существенно ниже требуемой. В связи с этим актуальным становится создание турбомолекулярных насосов с безмасляными подшипниковыми узлами и быстротой действия порядка 10 м3/с. Альтернативным решением может быть использование сравнительно простых устройств, обеспечивающих по мере необходимости возможность дистанционной замены тритированного масла. Перечислим основные причины:
электродинамические взаимодействия ускоряемого пучка с камерой, связанные с возбуждением неустойчивостей циркулирующего пучка в структурно-периодической камере с конечной электропроводностью стенок;
компоновка ЭФУ (период магнитных блоков, наличие областей с различным давлением остаточных газов, апертура стыковочной арматуры) ;
специфические условия откачки — наличие в камере газов с особыми свойствами (инертные, химически активные, редкие, радиоактивные), вызывающими специальные требования к ВС; целесообразность встроенных средств откачки; размещение откачных средств под высоким напряжением, в зоне высоких или сверхнизких температур, в жидкой или газообразной среде;
радиационные условия с позиций надежности и ремонтопригодности применяемого вакуумного оборудования;
физические характеристики средств откачки (наличие вносимых ими электромагнитных возмущений, рабочая температура, селективность откачки, память, инерционность, устойчивость к динамическим воздействиям, необходимость непрерывной или периодической форвакуумной откачки и регенерации);
технико-экономические характеристики средств откачки (надежность, стоимость, масса, габариты, потребляемая мощность, уровень вибрации и шумов);
расчетное время работы ЭФУ и определяемая им целесообразность модульной структуры ВС, допускающей быструю замену отказавших элементов;
требуемая степень автоматизации ВС.
Для ВС термоядерных и ускорительных установок характерны следующие принципиальные особенности (см. также классификационную табл. 3.1): распределенность газовой нагрузки; распространенность периодических вакуумных камер, состоящих из одинаковых или геометрически подобных ячеек (сильфонные камеры токамаков и синхротронов, секционированные ускорительные трубки, диафрагмированные волноводы и т. п.); применение встроенных насосов значительной протяженности (в электронных синхротронах и накопителях, инжекторах быстрых нейтральных атомов); неоднородность распределения температур [в установках со сверхпроводящими магнитными системами и криогенной откачкой, энергонапряженных электрофизических комплексах (ЭФК) ] и стимулируемых газовых потоков.
Особый класс составляют нелинейные ВС. В них некоторые характеристики, например поток десорбции в результате воздействия ускоренных пучков или плазмы на остаточный газ или стенки камеры, становятся зависящими от других молекулярных характеристик, например концентрации. Таковы, в частности, ВС накопителей и ускорителей со встречными пучками, в которых поток ионно-стимулированной десорбции со стенок зависит от молекулярной концентрации и, в свою очередь, непосредственно влияет на нее; ВС циклотронов многозарядных ионов и инжекторов быстрых атомов, в которых возможно запирание транспортируемого пучка из-за локального повышения молекулярной концентрации в результате ионно-стимулированной десорбции или нагрева стенок под действием рассеиваемых частиц; ВС устройств ионизации газоразрядных лазеров, в которых возможно развитие электрического разряда и даже пробоя по остаточному газу из-за десорбции со стенок под действием рассеиваемых электронов. В таких системах возможно возбуждение неустойчивостей, приводящих к лавинообразному нарастанию молекулярной концентрации и, в конечном счете, к переходу системы в аварийный режим.
Наиболее важными элементами расчета и проектирования вакуумных систем являются:
определение топографии, интенсивности, парциального состава и кинетики газовых потоков и на этой основе выявление лимитирующих факторов, вида возможной нелинейности и наиболее напряженных по газовой нагрузке участков;
расчет необходимой быстроты откачки камеры S по характерным составляющим газовой нагрузки в квазистационарном, переходном и подготовительном режимах по заданным значениям минимального рабочего давления (молекулярной концентрации) и допустимой продолжительности подготовки рабочего цикла с обоснованием значения Sv Лмакс разработка схемы системы откачки, выбор типов вакуумных насосов и определение области оптимальных давлений;
расчет требуемой быстроты действия насосов SH по характерным парциальным составляющим в оптимальном режиме;
сравнение полученных значений 52макс и S, оценка газокинетической проводимости элементов вакуумного тракта, уточнение типа используемых насосов и компоновки ВС в соответствии со следующими критериями: а) при значительной разнице 2макс и SH необходим переход на насосы с иным значением рн опт; б) при условии S2MaKC необходима технико-экономическая оптимизация системы откачки; для нелинейных систем, кроме того, необходим анализ устойчивости;
расчет газокинетической проводимости элементов ВС, влияющих на распределение молекулярной концентрации и газовых потоков;
построение пространственно-временного распределения парциальных и полного давлений (концентраций) в вакуумной камере и насосах; сравнение их с заданными; анализ их соответствия требованиям к физическим и электромагнитным характеристикам ЭФК; при необходимости корректировка компоновки ВС и характеристик насосов;
расчет ресурса, параметров надежности, устойчивости ВС и коэффициентов использования насосов;
разработка полных — компоновочной и принципиальной схем ВС;
формулирование требований к конструкции камеры и специализированных элементов ВС, обеспечивающих расчетные параметры;
разработка вакуумно-технологического цикла изготовления и контроля герметичности элементов и ВС в целом.
В общих чертах этот алгоритм универсален, тогда как используемый понятийный аппарат принципиально различен для разных видов рассматриваемых систем. Для большинства ускорителей прямого действия, линейных ускорителей и синхротронов, вакуумные среды которых равновесны, применим традиционный понятийный аппарат, основу которого составляют осредненные параметры состояния разреженного газа — давление и температура. Для ЭФУ и ЭФК с неравновесными вакуумными средами — ТЯР, сильноточных ионных ускорителей и т. п. — эти понятия утрачивают физическую содержательность. Поэтому применение традиционных категорий вакуумной техники — давления, быстроты действия, проводимости и др. — в таких системах становится неправомерным.
Высказанные соображения составляют логическую основу двух систем понятий вакуумной техники. Каждая из них допускает замкнутое описание разреженного газа и вакуумной установки в целом, но с различной степенью детализации. Критерием их применимости служит степень однородности распределений скоростей молекул и молекулярных концентраций: первого — на микроскопическом уровне, а второго — в пределах хотя бы одного характеристического сечения анализируемой ВС.
Общими категориями остаются пространственно-временное распределение молекулярной концентрации; распределение потоков молекул, включая десорбционные потоки со стенок; масса газа и его объем. Сюда же относятся распределения плотностей лучистых и направленных корпускулярных потоков, если они влияют на газокинетические процессы.
Одна из систем понятий основана на традиционном подходе к расчету и проектированию вакуумных установок. Важнейшими из охватываемых ею характеристик являются: для вакуумной камеры — объем, температура, распределение десорбционных и диффузионных потоков; для вакуумного насоса — предельное остаточное давление, быстрота действия, производительность, вакуум-фактор, коэффициенты использования по быстроте действия и производительности; для системы насос — соединительный трубопровод — камера — быстрота откачки, газокинетическая постоянная; для системы экспериментальное (технологическое) оборудование — вакуумная камера — температурное поле, топография, парциальный состав и кинетика газовой нагрузки. В этой системе понятий все статические и динамические вакуумные характеристики выражаются через осредненные параметры состояния р и Т, что принципиально ограничивает область ее применимости условием равновесности разреженного газа и геометрически простыми структурами.
Эти ограничения полностью снимаются при переходе ко второй системе понятий, включающей ряд дифференциальных и интегральных характеристик, альтернативно описывающих проектируемую установку. К числу важнейших дифференциальных характеристик относятся прежде всего следующие параметры взаимодействия молекул со стенкой в малой области вокруг точки:
коэффициент отражения р (г), определяющий вероятность того, что упавшая на поверхность молекула после пребывания на ней продолжительностью порядка периода колебания атомов кристаллической решетки покинет эту поверхность;
коэффициент стимулированной десорбции 7(г), определяющий среднее число десорбируемых с поверхности газовых частиц под действием упавших на нее иона, электрона, фотона или быстрой молекулы;
коэффициент прилипания, определяющий вероятность длительного (намного превышающего период колебаний атомов кристаллической решетки) удержания поверхностью упавшей на нее молекулы газа;
коэффициент конденсации, определяющий вероятность длительного удержания поверхностью упавшей на нее молекулы того же сорта. Для упрощения записи коэффициенты прилипания и конденсации обозначим одним символом 0 (г).
Для придания формулам общности независимо от конкретной модели взаимодействия молекула — поверхность в дальнейшем использован безразмерный параметр Т (г), равный отношению среднего числа эмитти-руемых данной поверхностью молекул к числу падающих на нее.
К основным интегральным характеристикам относятся:
коэффициент проводимости Р, определяющий вероятность пролета молекул в заданном направлении через рассматриваемый элемент ВС и равный отношению числа молекул, вылетающих из выходного отверстия данного элемента, к числу молекул, влетающих в его входное отверстие. В частном случае, когда разреженный газ на входе находится в равновесном состоянии и стенки диффузно рассеивают падающие молекулы, коэффициент проводимости численно равен коэффициенту Клау-зинга Ро;
коэффициент обратного рассеяния £0р, определяющий вероятность возврата молекул из рассматриваемого элемента и равный отношению числа молекул, вылетающих из его входного отверстия, к числу влетающих туда молекул;
коэффициент захвата Г, определяющий для ансамбля молекул вероятность быть поглощенными рассматриваемым элементом и численно равный отношению числа оставшихся в нем молекул к числу влетевших через его входное отверстие;
коэффициент возврата А, определяющий для ансамбля молекул вероятность после ряда соударений со стенками вернуться на тот участок поверхности, с которого они были эмиттированы.
Принципиальная особенность интегральных характеристик — их множественность, отражающая их зависимость не только от геометрии элементов ВС и принятой модели взаимодействия молекул с поверхностями, но и от пространственного распределения плотности молекулярных потоков вне рассматриваемых элементов. Отсюда же вытекает принципиальная неизбежность обращения к системам интегральных (интегро-дифференциальных) уравнений при анализе молекулярных потоков.
В рамках рассмотренной системы понятий можно найти все статические и динамические вакуумные параметры проектируемой установки безотносительно к степени равновесности разреженного газа. Кроме того, эта система позволяет строить математические модели вакуумных насосов и ВС в целом и, таким образом, количественно формулировать критерии и осуществлять структурно-параметрическую оптимизацию ВС.
В инженерной практике удобно применять иногда расчетные соотношения, включающие понятия обеих систем. Например, справедливы соотношения:
Для сорбирующей поверхности
Материал, изложенный в следующих параграфах этой главы, охватывает расчетно-теоретические аспекты сформулированного выше алгоритма проектирования. Равновесность остаточного газа в большинстве рассматриваемых систем предопределила использование здесь традиционной системы понятий вакуумной техники.