Условия эксплуатации и вакуумные характеристики конструкционных материалов

Разнообразие решаемых физических задач, высокая интенсивность корпускулярного и электромагнитного излучения, существование сильных магнитных и электрических полей предопределили использование в электрофизическом аппаратостроении многих материалов различных классов и заставили детально изучить их вакуумные характеристики, в том числе в экстремальных радиационных и температурных условиях.

Для ЭФУ различных типов характерно применение определенных видов конструкционных материалов. В частности, вакуумные камеры крупных протонных синхротронов и термоядерных установок выполняются обычно из прецизионных немагнитных сплавов с высоким удельным электрическим сопротивлением. В электронных синхротронах используются камеры из металлических сплавов или алюмооксидной керамики. Диафрагмированные волноводы линейных ускорителей электронов и высокочастотных сепараторов изготовляют из бескислородной меди. Ускорительные трубки высоковольтных ускорителей представляют собой набор диэлектрических колец из высоковольтного фарфора и электродов из нержавеющей стали, алюминия или титана, торцевые стыки которых герметизируются с помощью клеев, пайки или сварки. Ионо-и электронопроводы, каналы вторичных пучков и у-квантов, камеры экспериментальных стендов выполняются из нержавеющей стали. В вакуумных камерах устанавливают подвижные и стационарные магнитные диполи и линзы, мишени, пробники, отклоняющие электроды, датчики для измерения параметров пучков и другие устройства, в которых используются полимерные материалы, ферриты, керамика, герметики различных типов, теплозащитные или полупроводящие покрытия и другие материалы и композиции.

С непрерывным ростом энергии, интенсивности, мощности излучения ускоряемых пучков, концентрации и температуры плазмы, характерным для современного электрофизического аппаратостроения, связаны все более высокие интенсивности радиационных полей, действующих как на вакуумную камеру, так и на остальные элементы ВС. Потоки ускоренных частиц, по каким-либо причинам выпадающих из цикла ускорения, бомбардируют стенки вакуумной камеры, в особенности в областях инжекции, внутренних мишеней и устройств вывода. В кольцевых ускорителях на стенки камеры действует также синхротронное излучение, мощность которого быстро возрастает с увеличением энергии частиц и может достигать нескольких сот киловатт при очень малом телесном угле излучения. Интенсивно облучаются стенки плазменных установок. Вследствие этого дозы, поглощенные материалом вакуумных камер в течение года, весьма велики.

В таких условиях неизбежны изменения механических и вакуумнофизических свойств материалов — прочности, газопроницаемости, скорости десорбции и т. п. Поэтому одна из важнейших задач, возникающих при проектировании вакуумных систем, состоит в выборе конструкционных материалов, сохраняющих удовлетворительные характеристики в широком диапазоне поглощенных доз корпускулярного и электромагнитного излучений.

Другим фактором, определяющим возможность применения данного конструкционного материала при изготовлении вакуумных камер, является уже рассматривавшиеся в гл. 1 и 2 процессы стимулированной десорбции с его поверхности, а также сопутствующие эффекты, связанные с воздействием корпускулярного излучения на твердое тело — нейтрализация ионов и их отражение, сопровождающееся десорбцией вторичных молекул газа; внедрение ионов с их последующей диффузией как в глубь материала, так и к его поверхности; сорбция ионов поверхностью; распыление материала стенки, сопровождающееся обратным выделением ранее сорбированного газа.

Эти процессы могут идти параллельно, существенно влияя друг на друга. В результате в системе устанавливается динамическое равновесие, причем поток нейтральных частиц, поступающих со стенок в объем, может быть как меньше, так и больше потока падающих ионов.

Сказанное выше относилось к металлическим поверхностям. При взаимодействии с полимерами электромагнитные и корпускулярные излучения, как известно, могут вызывать разрыв химических связей, порождая тем самым поток радиационной десорбции за счет осколочных компонентов — водорода, паров воды, углеводородов, окиси углерода, — возникающих при радиолизе крупных молекул. Значение потоков стимулированной десорбции зависит от интенсивности падающего на стенки излучения, материала и состояния поверхности камеры.

Еще одним фактором, который влияет на выбор конструкционных материалов и технологию изготовления камер, является возможность тщательной очистки и устранения локальных неоднородностей поверхностей, обращенных в вакуум. Эти неоднородности — пленки адсорбата, жировые загрязнения, диэлектрические включения и т. п., — во-первых, служат источниками повышенной десорбции, в том числе стимулированной, а во-вторых, при определенных условиях они наряду с микронеровностями профиля могут стать источниками заряженных частиц, инициирующих электрический пробой или разряд. Особо опасны такие неоднородности для плазменных установок и ускоряющих структур.

Указанные факторы не исчерпывают всего многообразия условий эксплуатации и требований к конструкционным материалам, но они носят наиболее общий характер. Некоторые специфические требования уже обсуждались в гл. 2.

Перейдем к анализу газовых нагрузок, связанных с выбором конструкционных материалов и сверхвысоковакуумной технологией. Коротко говоря, это тепловая десорбция с поверхности деталей вакуумного тракта; десорбция, стимулированная ионным, электронным и электромагнитным излучениями, падающими на стенки; натекание газа через неконтролируемые течи. В отдельных случаях необходимо учитывать газопроницаемость материалов, в том числе индуцированную и стимулируемую корпускулярным и электромагнитным излучениями, а также радиационную десорбцию с полимерных материалов.

Тепловая десорбция с поверхностных слоев определяется концентрацией растворенных в них газов, загрязненностью поверхности слоями адсорбированных паров, газов, остаточными пленками примесных веществ (вода, смазочные материалы и т. п.) и упругостью паров. Последний фактор существен лишь для органических веществ. Для металлов, стекол и различных видов керамики он пренебрежимо мал. С увеличением температуры поток десорбции экспоненциально возрастает.

Кинетическая кривая тепловой десорбции может быть разбита на три характерных участка — начальный (0 t t₀), хорошо аппроксимируемый линейной функцией q =9_нач[1 — (1 — 7о/7 ) t/t_ol, переходный (to t ст) и квазистационарный (t t_CT). Начальный участок совпадает обычно с периодом пусконаладочных работ, когда необходимости жесткого контроля скорости тепловой десорбции нет, тем более что эта величина характеризует практически условия транспортировки и хранения детали, а не конструкционный материал как таковой. В переходном режиме кривая скорости десорбции удовлетворительно аппроксимируется степенной функцией q = ЯоТ~^а, где т — безразмерное время, которое численно совпадает с текущим временем Г, выраженным в часах (табл. 3.5). Этот режим наступает обычно через 5—10 ч после начала вакуумирования. В квазистационарном режиме скорость десорбции практически постоянна (д « д_ст). Величины 7_ст и Г_ст не могут быть заданы однозначно, поскольку они зависят от режима работы, т. е. от температуры, вида и продолжительности вакуумной тренировки камеры.

Необходимо подчеркнуть, что приводимые здесь данные по десорбционным характеристикам конструкционных материалов следует рассматривать только как ориентировочные. Это связано с неконтролируемыми различиями структуры, технологической предыстории и состояния поверхности исследуемых материалов.

В составе продуктов десорбции непрогретых металлических, а также полимерных и керамических материалов на начальном этапе содержится 60—90% паров воды, углеводороды, окись и двуокись углерода, водород, мономеры, осколочные радикалы; из некоторых полимерных композиций десорбируется кислород. В процессе вакуумной тренировки с прогревом парциальное содержание паров воды падает, тогда как доля водорода возрастает. После длительного высокотемпературного обезгажива-ния нержавеющей стали и немагнитных сплавов удельная скорость десорбции снижается до (1 — 5) * 1*10⁹ м³ • Па/(с * м²); основным компонентом становится водород (95 — 98%). Оптимальными методами нетепловой обработки, снижающими десорбционные потоки, служат электрохимическая полировка и ультразвуковая очистка и обезжиривание деталей, позволяющие заметно уменьшить площадь поверхности десорбции и снизить число остаточных микровключений.

Эффективным методом борьбы с такими включениями является также очистка поверхности тлеющим разрядом в среде аргона с небольшой добавкой кислорода при давлении около 1 Па. Напряжение разряда 300 — 600 В; плотность ионного тока 20 — 50 мкА/см²; флюенс порядка 10¹⁸ см².

При расчете вакуумных характеристик в зависимости от конфигурации ЭФУ используется одна из двух удельных величин, описывающих тепловую десорбцию — плотность потока (скорость десорбции, т. е. поток на единицу поверхности q_y, или поток (скорость) десорбции на единицу длины, например, вакуумной камеры 7_Т (х). Эти величины связаны соотношением

Выражения для потоков стимулированной десорбции определяются типом ЭФУ. В частности, для синхротронов удельная скорость ионно-стимулированной десорбции:

Коэффициент у. зависит от вида материала, температуры и состояния поверхности, энергии, массы и угла падения бомбардирующего стенку иона.

Удельная скорость десорбции, стимулированной синхротронным излучением циркулирующего в камере электронного или позитронного пучка:

Таблица 3.6. Количество газа, выделившегося в результате радиационной десорбции на 100 эВ поглощенного излучения (О) при электронном облучении полимеров в вакууме

Материал	О, 1022 м3 • Пе	Материал	О, 10-22 м3 * Па
Полиимиды (пленка)	0,27	Оргстекло Э2-Л29	2,4
Фторопласт-4	0,32	Оргстекло СТ-1	8,0
Стеклопласти ки	0,8	Лавсан (пленка)	3,2
Эпоксидные компаунды (без наполнителя)	1,6	Триацетатцеллюлоза (пленка)	32
Полистирол	1,6	Полиэтилен	16-80

Радиационная десорбция из полимерных материалов иллюстрируется данными табл. 3.6. Ее интенсивность мало зависит от энергии бомбардирующих частиц и поглощенной дозы, вплоть до разрушения материала. Основная компонента десорбционного потока для перечисленных в табл. 3.6 материалов, кроме фторопласта-4, — водород (от 60 до 90%).

Диффузия атмосферных газов через стенки металлических и керамических камер в большинстве случаев пренебрежимо мала. Исключение составляют участки вакуумного тракта, выполненные из металлических полимерных фольг толщиной десятки микрометров, например устройства фольгового вывода электронных пучков в ускорителях прикладного назначения. Диффузионный поток в таких устройствах, имеющих обычно повышенную температуру, соизмерим с потоком тепловой десорбции. В неравновесных условиях, например при ионном или плазменном облучении, диффузионный перенос газов через фольги заметно интенсифицируется.

Натекание газа через неконтролируемые течи зависит от метода и схемы контроля герметичности вакуумного тракта. При проектировании ЭФУ с рабочим давлением 1*10³ — 1*10⁵ Па оно принимается обычно равным 5—10% суммарного значения всех компонентов газовой нагрузки. В сверхвысоковакуумных комплексах его вклад достигает 50 — 80%.