Вакуумные технологии электрофизического аппаратостроения
Сварка занимает особое место среди вакуумных технологий. Протяженность вакуум-плотных сварных швов в крупных ускорителях и термоядерных комплексах достигает многих сотен и тысяч метров , поэтому их надежность оказывает решающее влияние на эксплуатационные характеристики вакуумного тракта. Основной метод устойчивого получения высоконадежных сварных швов в деталях и сборках вакуумного тракта электрофизического аппаратостроения — электро-дуговая сварка неплавящимся электродом в защитной среде инертного газа (аргона или гелия).
Гелий применяется при сварке материалов с высокой теплопроводностью (медь, сплавы алюминия), когда необходима большая удельная мощность дуги. В качестве электрода обычно используется вольфрам, легированный лантаном или иттрием.
Если катет шва не превышает 1,5 мм, то процесс сварки сводится к оплавлению кромок соединяемых деталей. Сварка оплавлением оптимальна при изготовлении деталей с толщиной стенки от 0,8 до 5 мм. Нагрев деталек производится в резистивных либо индукционных вакуумных печах.
Тренировка вакуумных систем — специфический этап технологии вакуумирования электрофизических установок. Роль тренировки особенно важна в накопителях и термоядерных установках, где наиболее высока интенсивность корпускулярных и электромагнитных потоков, падающих на стенки. Её назначение — сформировать близкую к атомарно чистой поверхность камеры, ограничив тем самым поступление в систему газовых потоков десорбционного происхождения. Для эффективной тренировки вакуумных систем необходимо сочетать традиционные методы физико-химической очистки поверхности, термическое обезгаживание и обработку стенок быстрыми частицами либо электромагнитным излучением.
Для вакуумных систем электрофизических установок характерно применение разнообразных материалов . Вакуумные камеры протонных синхротронов и экспериментальных термоядерных установок выполняются обычно из прецизионных немагнитных сплавов с высоким удельным электросопротивлением.
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.
Ионно- и электроноприводы, каналы вторичных пучков, камеры экспериментальных стендов выполняются из нержавеющей стали и алюминиевых сплавов. 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.
Алюминий и его сплавы — наиболее подходящие конструкционные материалы для сверхвысоковакуумных систем, работающих в диапазоне действий 10-8-10-11Па. Чистый алюминий и сплавы алюминия имеют предельно низкую скорость газовыделения, не изменяют кристаллическую структуру при низких температурах, имеют малую остаточную радиоактивность в радиационной окружающей среде и малый удельный вес. Благодаря высокой теплопроводности и малому коэффициенту излучения изделия из алюминия и его сплавов выдерживают высокие тепловые потоки при относительно низкой температуре плавления.
В современной сверхвысоковакуумной технике применяются алюминиево-магниевые-кремниевые сплавы и алюминиево-магниевый сплав для стенок камер. Первым применением на практике технологии сверхнизких давлений было сооружение электронного синхротрона TRISTAN. Он был сконструирован полностью из алюминиевых сплавов японской Национальной лабораторией физики высоких энергий, для изготовления профилей синхротрона сложной конфигурации был разработан новый метод экструзии алюминиевых сплавов .
Экструзия осуществляется в среде, состоящей из 7% О2 и 93% Аг. В процессе обработки на поверхности образуется тонкий (30 Ангстрем), плотный слой окисла. Процесс обработки поверхности из сплавов алюминия в кислородно-аргоновой среде назван ЕХ-процессом. Применяется ЕХ-процесс в сочетании с нагреванием .
Термическая обработка значительно снижает газовыделение. Если до прогрева скорость газовыделения составляла 10-8-Па-л-с-см-2 после 10 часов откачки, то после прогрева (150°С, 24 ч) она снижалась до 10-11-10-12 Па-л-с-см-2
В Токийском исследовательском институте средств связи недавно разработана эффективная технология полирования до зеркального блеска поверхностей из алюминиевых сплавов, получившая название органо-механохимическое полирование (ОМХП) . В вакуумной камере, внутренние поверхности которой были отполированы методом ОМХП, было достигнуто давление l,5-10-9 Па после 48 часов откачки тандемом из двух турбомолекулярных насосов с быстротой действия 340 л/с и 60 л/с. При откачке камеры турбомолекулярными насосами в сочетании с титановым сублимационным насосом давление снизилось до 4,9-10-11 Па.