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 =9нач[1 — (1 — 7о/7 ) t/tol, переходный (to t ст) и квазистационарный (t tCT). 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 « дст). Величины 7ст и Гст 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 qy, или поток (скорость) десорбции на единицу длины, например, вакуумной камеры 7Т (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%.