Выбор параметров и оптимизация вакуумных систем электрофизических комплексов

Возможности и методы схемной и элементной оптимизации рассмотрим более подробно на примере ВС ускорительно-накопительных комплексов на базе синхротронов.

При их проектировании исходят из требуемой концентрации остаточного газа по тракту пучка, а критерием ее выбора являются допустимые потери пучка. В современных синхротронах допустимые потери из-за взаимодействия пучка с остаточным газом оцениваются от нескольких сотых процента до нескольких процентов. Как показано в гл. 1, для реализации этого требования средняя концентрация остаточного газа в азотном эквиваленте должна соответствовать давлению 1*10⁵ — 1*10⁷ Па (при Т = 300 К). В области взаимодействия накопленных пучков концентрация остаточного газа должна быть на 2 — 3 порядка ниже.

Количественные требования к допустимой концентрации определяются большим числом параметров, описывающих собственно вакуумную, магнитную, ускоряющую системы ускорителя и режим его работы (см. гл. 1). В ряде случаев, однако, механизм взаимодействия частиц с остаточным газом допускает сравнительно простой и наглядный подход к формулированию этих требований. Такой подход возможен, к примеру, если элементарный акт упругого рассеяния или неупругого взаимодействия частицы с атомом газа априори приводит к ее потере. Первый случай реализуется, если рассеяние частицы на минимальный угол, определяемый экранировкой ядер атомов остаточного газа их электронной оболочкой, дает амплитуду бетатронных колебаний этой частицы, сравнимую с размерами камеры. Сечение такого рассеяния достаточно велико, особенно при низких энергиях. Второй случай реализуется при изменении заряда ускоряемого иона в результате его неупругого взаимодействия с атомом газа. Сечение этого процесса сложным образом зависит от начального заряда и энергии иона.

Сечение любого взаимодействия увеличивается с ростом атомного номера газа; число же собственно взаимодействий пропорционально концентрации газа и длительности циркуляции пучка.

Для указанных выше случаев удается непосредственно связать относительные потери пучка и концентрацию остаточного газа при заданной продолжительности циркуляции пучка. При этом функция сохранения пучка £(f) в ВС со стационарными параметрами описывается зависимостью:

Интегрирование (3.59) для режима ускорения (магнитная индукция В = var; В = const; длительность цикла ускорения т) после ряда преобразований дает

Формула (3.616) справедлива также в режиме ускорения многозарядных ионов, поскольку сечение их перезарядки при субсветовых скоростях практических не зависит от энергии.

Формулы (3.60), (3.61а), (3.616) позволяют, задавшись потерей интенсивности при данном т и зная парциальный состав газа, найти предельно допустимые парциальные давления его компонент.

Аналогично при анализе условий циркуляции частиц в электронных накопительных кольцах можно использовать соотношение где То приобретает смысл времени жизни накопленного пучка, т. е. выраженную в часах продолжительность циркуляции, в течение которой интенсивность пучка падает в е раз (а = 1). Для обеспечения т₀ = 10 ч среднее давление в камере должно составлять 2,5 • 1*10⁶ Па (293 К).

Зная требуемое давление и характеристики газовой нагрузки, можно перейти к разработке и оптимизации схемного решения вакуумного тракта.

В синхротронных комплексах используется одна из трех возможных схем откачки: автономные внешние насосы с относительно малой быстротой действия, присоединяемые к камере на свободных участках; встроенные насосы, устанавливаемые в наиболее напряженных по газовой нагрузке зонах камеры, в комбинации с внешними насосами; система коллекторной откачки на основе сверхвысоковакуумных насосов с относительно большой быстротой действия. Как видно из табл. 3.7, в которой суммированы особенности каждого из этих решений, ни одно из них без дополнительных критериев нельзя рассматривать как абсолютно предпочтительное (оптимальное). К таким дополнительным оптимизационным критериям относятся прежде всего стоимостные. Их использование позволяет найти характеристики и шаг высоковакуумных насосов, обеспечивающих заданный профиль давления при минимальной стоимости ВС.

Таблица 3.7. Сравнительные характеристики возможных схемных решений вакуумных систем синхротронов

Схемное решение	Достоинства	Недостатки
Внешние насосы, расположенные с шагом, который определяется структурой магнитной системы	1. Минимальные стоимость и материалоемкость вакуумной камеры 2. Конструктивно-технологическая простота вакуумной камеры 3. Доступность и простота обслуживания насосов	1. Значительные градиенты концентрации остаточного газа в секциях камеры между насосами 2. Значительное превышение среднего давления над давлением в зоне насоса 3. Большое число насосов, блоков питания и управления 4. Высокая стоимость системы откачки и значительные эксплуатационные расходы
Встроенные и внешние насосы	1. Минимально возможная концентрация остаточного газа в камере 2. Близость среднего давления к давлению в зоне насоса	1. Конструктивно-технологическая усложненность и повышенная стоимость вакуумной камеры 2. Затрудненность доступа к встроенным насосам и их обслуживания 3. Высокая стоимость системы откачки
Коллекторная откачка	1. Минимально возможное число насосов, блоков питания и управления 2. Минимальные стоимость средств откачки и эксплуатационные расходы 3. Доступность и простота обслуживания насосов	1. Наличие дополнительных элементов* коллектора и большого числа соединительных трубопроводов, сильно увеличивающих материалоемкость вакуумного тракта и стоимость используемых материалов 2. Значительное превышение среднего давления над давлением в зоне насоса 3. Значительное увеличение габаритов вакуумного тракта

Приведенные ранее соотношения, описывающие распределение давления остаточного газа в протяженных и структурно-периодических вакуумных камерах, и сформулированные критерии устойчивости в совокупности с набором функций, дающих стоимостные характеристики вакуумного оборудования, представляют собой математические модели соответствующих ВС и являются основой их оптимального проектирования. Они составляют также базу автоматизированного проектирования таких систем.

Как иллюстрация высказанных соображений на рис. 3.11 — 3.13 представлены результаты оценок и расчетов, выполненных при проектировании ВС ускорительно-накопительного комплекса (УНК) на 3 ТэВ.

Таблица 3.8. Аппроксимирующие функции стоимости Ц отечественного промышленного вакуумного оборудования:

Детальный анализ полученных результатов с учетом производственно-технологических, экономических и эксплуатационных факторов позволил положить в основу проекта следующие принципы:

наиболее экономичным при поэтапном сооружении комплекса и простым схемным решением, обеспечивающим требуемые вакуумные параметры, является вариант с внешними насосами;

при разработке технологии получения требуемого вакуума желательны технические решения, исключающие прогрев камеры после сборки;

предпочтительной температурой вакуумной камеры II ступени, в наибольшей степени отвечающей одновременно вакуумно-физическим и теплофизическим условиям эксплуатации вакуумного тракта, сверхпроводящей магнитной и криогенной систем, является 780 К;

технологический цикл производства, предмонтажной подготовки и тренировки камеры I ступени должен обеспечивать снижение скорости тепловой десорбции со стенок до уровня (3 — 5) • 1*10⁹ м³ • Па/ (с • м²);

при формировании остаточной газовой среды в камере II ступени решающую роль играет ионно-стимулированная десорбция со стенок, поскольку значение д_т при выбранной рабочей температуре 80 К исчезающе мало. Технология производства, предмонтажной подготовки и тренировки камеры должна придать ее поверхности свойства, обеспечивающие снижение у. до 0,03.

Другая группа оптимизационных критериев рассмотрена в 4.5. Эти критерии предполагают известность пространственного распределения концентрации и других молекулярных характеристик. Методам его определения посвящена гл. 4.