Средства откачки электрофизических установок

Для высоко- и сверхвысоковакуумной откачки современных электрофизических установок и комплексов используются промышленные насосы всех типов. Однако приоритет отдается безмасляным насосам поверхностного действия — электрофизическим и крионасосам. Это обусловлено, во-первых, резко отрицательным влиянием паров и конденсатов масел на эксплуатационные характеристики и надежность вакуумных систем электрофизических установок и, во-вторых, возможностью осуществления практически неограниченной быстроты действия.

Для сверхвысоковакуумной откачки сильноточных протонных ускорителей разработаны испарительные насосы на основе плазменных электродуговых источников геттерных пленок . Они имеют быстроту действия до 200 м³/с.

Для получения давлений ниже 10^-10 Па, требуемых на участках встреч пучков в накопителях, разработаны сверхвысоковакуумные криогенные насосы с быстротой действия 5-10 м³/с (по водороду). Одна из своеобразных модификаций таких средств откачки — линейный крионасос, представляющий собой протяженный прямой канал с фланцами на торцах, центральная часть которого охлаждается жидким гелием при температуре 4,2 К. Подобный насос может обеспечивать предельное остаточное давление примерно 10^-12 Па.

Системы откачки большинства эспериментальных термоядерных установок строятся на основе безмасляных средств откачки промышленных типов. Исключение составляют открытые ловушки и инжекторы быстрых нейтральных атомов, для которых типично применение сверхвысоковакуумных насосов поверхностного действия -крионасосов, испарительных геттерных и на основе нераспыляемых геттеров, с быстротой действия до 5-10³ м³/с.

Для откачки водорода наиболее перспективны конденсационные и криосорбционные насосы и нераспыляемые металлические геттеры. Криосорбционная откачка изотопов водорода может осуществляться при температурах 10-30К. В качестве криосорбентов используют микропористые адсорбенты — угли, цеолиты, а также слои отвердевших легкоконденсируемых газов.

В последние годы успешно применяют нераспыляемые геттеры, которые используются в виде линейных геттерных насосов или откачных модулей. Интерес к нераспыляемым геттерам обусловлен возможностью отказаться от традиционных геттеров, которые имеют высокую температуру во время откачки.

Первые крупномасштабные применения нераспыляемых геттеров в вакуумных системах ускорителей состоялись на Брукхэвенской линии транспортировки тяжелых частиц и на большом электроннопозитронном ускорителе в Церне .

В Брукхэвенской линии длиной 700 м между ускорителем Tandem и сильнодействующим синхротроном AG-S были установлены ленточные геттерные насосы очень простой конструкции, удобные в обслуживании и недорогие ($1 на л/с). Нагрев вакуумной камеры и геттера осуществляется резистивным методом. Давление в линии сначала снижалось с помощью турбомолекулярных насосов до 10^-3 Па, затем с помощью ленточных геттерных насосов до 10^-8 Па.

Применение нераспыляемого геттера совместно с магниторазрядными и титановыми сублимационными насосами позволило улучшить вакуумные характеристики электронно-позитронного накопительного кольца синхротрона Photon Factory в Японии и получить давление 10^-9 Па .

Достаточно широкое применение в электрофизическом аппа-ратостроении нашли также промышленные компримирующие насосы, прежде всего турбомолекулярные .

Использование паромасляных диффузионных насосов ограничено циклотронами на легких ионах и некоторыми модификациями ускорителей импульсного действия. В качестве рабочей жидкости в диффузионных насосах используется обычно полифениловый эфир, либо другие вещества с пониженной упругостью пара.

Применение парортутных насосов лимитируется в основном токсичностью ртути. В термоядерных установках ртуть как рабочее вещество недопустима, в принципе, из-за очень большого атомного номера.

Все большее распространение для откачки электрофизических установок находят турбомолекулярные насосы. При создании ускорителей турбомолекулярные насосы применяются, главным образом, как средство предварительной откачки сверхвысоковакуумных ускорительно-накопительных комплексов и столкновителей. Типичная быстрота действия этих насосов не превышает 0,5 м³/с; остаточное давление, достигаемое в камере постами предварительной откачки на базе турбонасосов близко к 10^-6 Па. Турбомолекулярные насосы с быстротой действия до 10 м³/с — основное средство откачки экспериментальных установок управляемого термоядерного синтеза. При использовании турбонасосов в термоядерных реакторах возникают трудности, обусловленные, во-первых, малой предельной единичной быстротой действия 25-30 м³/с, и, во-вторых, взаимодействием смазочных масел подшипников с тритием.