Протонные накопители и синхротроны

В ИФВЭ строится ускорительно-накопительный комплекс (УНК). В режиме ускорения требуемое по критерию рассеяния частиц давление для бустера составляет 10_⁵ Па, для основного ускорителя 10^-6 Па; в режиме встречных пучков — не выше 10 ⁷ Па для обеих ступеней при токе пучка протонов до 5 А (2 • 10¹⁵ накопленных частиц на орбите длиной 20 км). При ускорении интенсивного пучка в сверхпроводящем кольце УНК тепловой поток со стенок вакуумной камеры, вызываемый индуцированным током, составит 2—3 Вт на 1 м. Чтобы не загружать гелиевую систему охлаждения, вакуумная камера будет охлаждаться жидким азотом до температуры 77 К, причем стенки ее будут теплоизолированы от магнитов, имеющих температуру 4 К. Расчетные оценки показывают, что при температуре стенок камеры УНК 20 К могло бы быть получено давление (с пучком) 3,4 • 10^-9 Па по водороду и 1,8 * 10 Па по азоту. При температуре стенок камеры 77 К давление в ней в типичном режиме УНК будет определяться азотом и составит по теоретическим оценкам 1,3 • 10 ⁸ Па. При этой температуре на поверхности камеры не образуются сконденсированные слои газов, а десорбция очень мала. Модельные измерения коэффициента ионно-стимулированной десорбции при Т —77 К указывают на отсутствие ионной десорбции в холодных участках камеры. В этих участках вакуум будет определяться давлением в прилегающих теплых участках.

Сублимационно-магниторазрядные насосы с быстротой действия 0,2 м³/с устанавливаются через 45 м, что определяется конструкцией криостатов. Камера может быть прогрета до 425— 475 К перед охлаждением криостатов.

При испытании полномасштабной модели участка вакуумной камеры I ступени УНК после сборки участка камеры и обработки его разрядом в аргоне (флюенс 1,5 • 10¹⁸ см^-2) давление 2,6 • 10~⁷ Па было получено через 900 ч при первой откачке магниторазрядным насосом НЭМ-100 и периодическом включении сублимационного насоса. При напуске атмосферы и повторной откачке с предварительной обработкой разрядом давление 1,8 * 10 ⁷ Па достигалось за 100 ч. Эти результаты указывают на реальность достижения требуемого вакуума в I ступени УНК без прогрева вакуумной камеры после ее сборки, что имеет важное значение, так как может привести к уменьшению зазоров в магнитах.

В ОИЯИ проектируется ускоритель релятивистских ядер Нуклотрон. Длина окружности Нуклотрона равна 250 м, особенность его сверхпроводящих магнитов — применение железного ярма и отсутствие внутренней вакуумной камеры (рис. 5.8). Пространство для ускорения пучка ограничено внутренними стенками магнитов, находящимися при температуре 4 — 5 К. В этой области остаточный газ состоит в основном из водорода и гелия; для их избирательной откачки устанавливаются патроны с активированным углем. Магниты соединяются вакуумно-ппотно, а ярма герметизированы, чтобы в них не проникали молекулы из теплоизоляционного пространства вакуумной камеры. Это позволит получить в лучковом пространстве давление порядка 10^-8 Па.

В лаборатории высоких энергий (ЛВЭ) ОИЯИ разработана система криогенной откачки вакуумной камеры синхрофазотрона в режиме ускорения тяжелых ядер (рис. 5.9). При давлении в синхрофазотроне 3 • 10^-4 Па коэффициент ослабления пучка ядер неона составляет 3 • 10^-4, и последний элемент, который может быть ускорен при этом давлении, — кислород. Криогенная система откачки снижает давление в камере до 3 • 10 ⁵ Па и соответственно уменьшает коэффициент ослабления пучка ядер неона до 0,44. При этом становится возможным ускорение в синхрофазотроне ядер вплоть до аргона. Для откачки используются внутрикамерные панели с температурой жидкого гелия 4 К. Давление 3,3 • 10 ⁵ Па можно полечить, если при натекании 2 • 10^-2 м³ • Па/с обеспечить быстроту откачки азота 6-10 м /с. Панель с Г = 20 К необходимо экранировать от теплового облучения поверхностями с температурой жидкого азота 77 К. В ЛВЭ в качестве экрана используют систему параллельных шевронов с углом раствора 120 . Вероятность пролета молекулы черз такой экран равна 0,27, а необходимая площадь криопанели составляет 19 м . Парциальные давления неконденсируемых газов (водород, гелий) сравнительно малы и для них нужна быстрота действия дополнительных насосов не более 2 — 5 м³/с. Искажение магнитного поля от вихревого тока в криосистеме исключается при выполнении ее в виде разомкнутого кольца, изолированного от камеры.

Крупнейшим ускорителем мира является Тэватрон, называемый также удвоителем энергии. Он оснащен сверхпроводящими магнитами, его энергия должна превысить энергию прежнего ускорителя FNALh составить 1 ТэВ*. Вакуумная система Тэватрона состоит из трех независимых подсистем: криостат с изолирующим вакуумом; холодная (4,6 К) камера для пучка; теплая (300 К) камера для пучка. Кольцевая камера ускорителя разделена на 24 секции длиной по 250 м. Между этими холодными секциями встроены короткие (10 см) теплые секции с изолированными клапанами. Камера пучка Тэватрона предварительно откачивается передвижными турбомолекуляр-ными насосами с азотными ловушками. После охлаждения камеры вступает в действие криогенная откачка. Давление измеряется манометрами Баярда—Альперта и по току диодных разрядных насосов. Эти же манометры используются для запуска блокировки секций с помощью клапанов.

Одна из самых актуальных задач современной физики элементарных частиц — изучение взаимодействия протонов и антипротонов во встречных пучках. В лаборатории FNALn в ЦЕРНе построены накопители антипротонов, позволившие превратить эти частицы из экзотически редких объектов наблюдения в обычные частицы ускоряемых пучков.

В большом ускорителе SPS протоны и антипротоны движутся в общей камере по раздельным, но очень близким орбитам. Они имеют две точки пересечения, в которых происходят столкновения частиц (рис. 5.10). Оба пучка удерживаются на орбитах в SPS в течение нескольких часов, т. е. достаточно долго, для набора нужного числа реакций соударения. Накопитель антипротонов AA-CERN рассчитан на захват пучка с разбросом импульсов 6% и поэтому имеет широкую по радиусу камеру (70 см). Необходимое по критерию времени жизни пучка давление — не более 10 ⁸ Па. Вакуумная камера АА вмещает ферритовые датчики, ударные магниты системы охлаждения, быстроподвижные экраны, устройства контроля пучка, несколько сот электрических вводов.

Детали камеры АА изготовлены из специальных сортов нержавеющей стали с рафинированием от шлаков. Обезгаживание проводится в вакуумной печи при Г = 1200 К, р ⁼ 10 ³ Па. Во всех больших фланцевых соединениях с диаметрами до 1100 мм используются уплотняющие прокладки из медной проволоки с серебряным покрытием. Откачка камеры АА производится 11 турбомолекулярными.

48 магниторазрядными и 108 геттерными насосами на 1,5 м³/с каждый. Окружность кольца АА разделена клапанами на три сектора, предусмотрена возможность их независимого прогрева. Накладки для прогрева, содержащие тепловыделяющие элементы и изоляцию, подогнаны по форме ко всем участкам камеры, выступающим бакам и насосам.

ВС синхротрона SPS потребовала серьезной модификации для работы в режиме встречных пучков. Изменилось требование к давлению- 3 — 10 ⁷ Па (первоначально вакуумная система SPS была рассчитана на достижение давления 3 * 10 ⁵_ Па). В новом режиме SPS давление достигает асимптотического предела 7 • 10⁸ Па. При переводе SPS в режим встречных пучков выяснилось, что камере плотно прилегает к полюсным наконечникам магнитов и не остается места для нагревательных элементов и теплоизоляции. В большей части кольца вакуум мог быть улучшен только добавлением новых насосов. В прежней структуре ускорителя насосы располагались между магнитами в каждом втором промежутке. Модификация ВС заключалась в добавлении разрядного насоса в каждый незанятый промежуток и в присоединении геттерного насоса к каждому магниторазрядному вокруг кольца.

Всего в SPS было добавлено 1300 геттерных насосов. Кольцевая камера SPS разделена примерно на 60 секторов различной длины, от нескольких до 400 м; каждый сектор откачивается независимо от других. В составе остаточного газа 30% HjO, присутствуют газы с массовыми числами 16, 17, 28 и 44.

В экспериментальных участках SPS давление снижено до 1 • 10⁸ Па за счет прогрева камеры до 450 К.

Изохронный циклотрон тяжелых ионов У-400 введен в действие в 1978 г. в ОИЯИ. Он способен ускорять ионы в широком диапазоне ¹²С — ²³⁸U _до энергий в пределах 1—40 МэВ/нуклон. Полный объем вакуумных камер циклотрона 25 м³, площадь их поверхности 300 м². Рабочее давление с пучком (0,7 — 1,3) * (О⁴ Па соответствует потере 30% интенсивности пучка из-за перезарядки ионов на остаточном газе (рис. 5.11).