Распределенная криосорбционная откачка в холодных вакуумных камерах современных коллайдеров

В развитии современной ускорительной техники проявляются две характерные тенденции - увеличение интенсивности и энергии пучков. С ростом энергии пучков уменьшение размеров накопителей заряженных частиц становится возможным при использовании сверхпроводящих магнитов, позволяющих получать более сильные, по сравнению с теплыми магнитами, поля. Однако увеличение интенсивности и энергии пучков наряду с усилением магнитного поля приводят к росту интенсивности синхротронного излучения (СИ) и, как следствие, к более активной стимуляции СИ различных физических процессов, в частности, десорбции газа со стенок вакуумной камеры. В 1977 в России, в 1986 в США ив 1991 в Европейском Центре Ядерных Исследований (CERN) в Швейцарии появились проекты создания ускорителей нового поколения - протонных суперколлайдеров ТэВ-ного диапазона энергий, использующих сверхпроводящие магниты (SSC в США: энергия частиц Е=2х20 ТэВ, периметр вакуумной камеры П~83 км; УНК в ИФВЭ: Е=2хЗ ТэВ, П=21 км; LHC в CERN: Е=2х7 ТэВ, П~27 км) [1, 2, 3]. В настоящее время в мире разрабатываются также и другие проекты новых ускорителей с сверхпроводящими магнитами (например, "Proton Driver for Super Neutrino Beam", FNAL, США [4]). В подобных проектах большая часть вакуумной камеры проходит внутри криогенной системы сверхпроводящих магнитных элементов. В таком случае разумно, чтобы вакуумная камера также поддерживалась при низких температурах, используя возможности криооткачки и уменьшая тепловую нагрузку на криогенную систему магнитов. Благодаря собственной интенсивной откачке холодную камеру можно сделать небольшого диаметра, несмотря на уменьшение проводимости, и тем обеспечить значительное снижение стоимости сверхпроводящих магнитов. Отжиг камеры перед ее охлаждением не обязателен, что может привести к большой экономии на термическом оборудовании и дополнительном уменьшении апертуры магнитов. Согласно многочисленным исследованиям по фотонно-стимулируемой десорбции ([5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12] и др.), при низких температурах Н2 является наиболее десорбируемым газом со стенок вакуумной камеры при облучении СИ. При температуре стенок камеры ниже 3 К давление насыщенных паров остаточных газов, в том числе Н2, становится ниже 10"9Торр, что делает целесообразным использование простой криоконденсационной откачки самой холодной поверхностью камеры. Однако в вакуумных камерах с большей температурой стенок для откачки Нг требуется использование специальных криосорберов, т.к. уже при 4.2 К сорбционная емкость поверхности вакуумной камеры для водорода незначительна, а давление насыщенных паров составляет 3.5-10 Торр. Криосорбционные материалы могут использоваться в непрогревных вакуумных системах, поскольку у них восстановление сорбционных свойств (регенерация) может происходить при комнатной или более низкой температуре. Наиболее оптимальным диапазоном температур при использовании криооткачки для получения высокого вакуума является диапазон ниже 20 К, поскольку в этом случае давление насыщенных паров всех газов, за исключением низкокипящих Ne, Н2 и Не, ниже 10'11 Торр [13, 14], однако присутствие Не и Ne в вакуумных системах физических установок обычно незначительно. Нагрев внутренних элементов вакуумной камеры вследствие СИ и других, связанных с пучком заряженных частиц, факторов, может повлиять на выбор рабочей температуры криосорбера при эксплуатации машины. Для SSC, например, обусловленная СИ максимальная мощность тепловой нагрузки оценивалась в 0.25 Вт/м, что определяло рост температуры внутреннего элемента камеры - экрана пучка (лайнера), на котором размещается криосорбер, с 5 до 20 К [9], для LHC суммарная мощность тепловой нагрузки также приведет к росту температуры экрана до 20 К [1]. Таким образом, выбор криосорберов для вакуумных камер коллайдеров должен быть ориентирован на рабочие температуры от ~10 К до 20 К. Материал криосорбера должен обладать достаточно большими сорбционной емкостью и скоростью откачки в рабочем диапазоне температур, иметь компактные геометрические размеры, допускать регенерацию при температурах не выше комнатных, обладать хорошими конструкционными свойствами и т.д. Большой набор предъявляемых к криосорберу требований и отсутствие достаточного объема количественных данных по кинетике адсорбции низкокипящих газов при температуре ниже 20 К не позволяли сразу сделать обоснованный выбор наиболее перспективного адсорбента для коллайдера, и требовали дополнительных исследований. Случай криогенной вакуумной камеры в адронном ускорителе впервые начал изучаться в связи со строительством SSC, УНК и LHC. При температурах жидкого гелия стенки камеры являются эффективным крионасосом, однако адсорбированные на них молекулы никуда не удаляются и могут быть вновь десорбированы. Характер поведения плотности остаточного газа в холодной вакуумной камере пучка влияет на конфигурацию вакуумной системы коллайдера в целом. Комплексные исследования ([5, 6, 7, 8, 9, 15] и др.), проведенные в Институте Ядерной Физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ) совместно с вакуумными группами SSC и LHC, позволили определить основные особенности конструкции криогенных вакуумных камер коллайдеров: 1) В вакуумной камере необходимо использование специальной перфорированной вставки - экрана пучка - для снижения тепловой нагрузки на криогенную систему магнитов, обусловленной энергией СИ, вторичных электронов и индуцированного тока на стенках канала пучка. При наличии экрана достигается эффект уменьшения плотности газа в канале в присутствии СИ, когда газ откачивается через отверстия в экране на холодные стенки вакуумной камеры и внешнюю поверхность экрана, защищенные экраном от СИ, электронов и ионов, стимулирующих десорбцию газа. Для камер с температурой стенок выше 3.3 К, в зазоре между экраном пучка и стенками камеры необходимо располагать криосорбер для откачки водорода. 2) Экран должен активно охлаждаться газообразным гелием, что обусловлено нестабильностью температуры экрана под действием СИ. Это согласовывается с выводами из проведенных в ИЯФ экспериментальных исследований [6, 7] и с результатами исследований, проведенных в CERN в рамках разработки проекта LHC [15]. 3) Конструкция экрана должна удовлетворять широкому набору требований на магнитную проницаемость, электрический импеданс, аксептанс канала, технологичность изготовления, механическую прочность при квэнчах (срыве поля в сверхпроводящих магнитах), согласованное изменение линейных размеров при охлаждении и т.д. Материал экрана определяет коэффициенты десорбции газа и эмиссии электронов, что определяет газовую нагрузку и развитие электронного мультипактора в коллайдере ([15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23] и др). Оптимальная конструкция экрана, разработанная в рамках работы над проектом LHC, и ее преимущества представлены в работе [24], а технологические аспекты дизайна в [25]. Для материала экрана - нержавеющей стали покрытой медью - параметры электронного мультипактора экспериментально изучались в работах [16, 22, 23] и др., а фотодесорбции — в работах [5, 10] и др. Однако при проектировании новых коллайдеров необходимо также знать основные вакуумные параметры для холодной камеры с криосорбером на экране, что требовало проведения дополнительных исследований после выбора перспективных криосорберов. Актуальность и новизна работы, проведенной автором и представленной в настоящей диссертации, обусловлены существующей востребованностью развития метода криосорбционной откачки для холодных вакуумных камер современных коллайдеров, что отражено в различных предлагаемых проектах коллайдеров нового поколения, в частности, в проекте LHC. Цели и задачи данной работы были определены ведущими специалистами в области вакуумной науки и техники ускорителей из CERN и ИЯФ СО РАН в рамках совместных исследований, проводимых на основе заключенного в 1993 году между CERN и Правительством РФ Соглашения о Сотрудничестве в строительстве Большого Адронного Коллайдера (LHC) в CERN. ЦЕЛИ: - анализ динамики давления (плотности) остаточных газов и оценка требуемой сорбционной емкости криосорбера в вакуумной камере Длинных Прямых Секций LHC; - поиск и выбор перспективных криосорбционных материалов для использования в сверхпроводящих коллайдерах; - определение возможностей распределенной криосорбционной откачки в криогенных вакуумных камерах коллайдеров с экраном пучка; - предложить оптимальный криосорбер и изучить возможность его использования для Длинных Прямых Секций LHC. ЗАДАЧИ: 1. Используя известные математические представления основных факторов газовыделения и откачки, провести анализ динамики изменения плотности остаточных газов в вакуумной камере Длинных Прямых Секций LHC. Оценить требуемую емкость криосорбера. Метод: Составить динамические уравнения газового баланса в вакуумной камере. В случае трудности получения их общего аналитического решения проанализировать отдельно значения факторов газовыделения и откачки. Используя проведенный анализ динамики плотности газа и известные экспериментальные данные по газовыделению из материала экрана оценить требуемую емкость криосорбера. 2. Выбор перспективных криосорберов, удовлетворительно сорбирующих водород в диапазоне температур 1СИ-20 К, и удовлетворяющих общим требованиям, предъявляемым в коллайдерах к криосорберам. Метод: Провести поиск подходящих материалов среди известных криосорберов, а также рассмотреть возможность предложения новых криосорбционных материалов. Экспериментально сравнить сорбционные возможности разных криосорберов-кандидатов по изменению динамического давления при напуске Н2 при температурах образцов в диапазоне от 10 до 20К. 3. Определить возможности распределенной криосорбционной откачки в вакуумных камерах с экраном пучка при температуре стенок камеры 4.2 К и 77 К и температуре экрана с криосорбером 20 К и ниже. Разработать метод и экспериментальную установку для измерения вакуумных параметров конструкции на базе прототипа вакуумной камеры LHC с экраном с различными криосорберами и способами их размещения в зазоре между экраном и стенками вакуумной камеры. Метод: Разработать экспериментальную установку, моделирующую геометрическую конфигурацию вакуумной камеры LHC и распределенную газовую нагрузку вдоль камеры, которая в LHC будет вызываться СИ и электронно-стимулируемой десорбцией газа. Экспериментально исследовать сорбционные характеристики (динамика давления, сорбционная емкость, скорость откачки) для конструкции с разными вариантами крепления выбранных перспективных криосорберов. 4. Предложить оптимальный криосорбер для использования в вакуумной камере в Длинных Прямых Секциях LHC. Метод: Из исследованных материалов определить оптимальный криосорбер для использования в LHC с учетом требований, определенных при анализе динамики плотности остаточных газов в LHC. Информация, полезная для предсказания динамики давления в вакуумной камере в переходных и аварийных режимах работы ускорителя, может быть получена при моделировании коротких осцилляций температуры экрана с криосорбером. Эта задача требует проведения специальных дополнительных исследований для прототипа вакуумной камеры LHC с предложенным криосорбером при разных температурах экрана, для чего необходимо предусмотреть в конструкции экспериментального стенда возможность изменения температуры экрана в широком диапазоне. Для проведения данных исследований в ИЯФ были разработаны и созданы специальные экспериментальные установки, на которых были проведены соответствующие поставленным задачам научные исследования. В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ диссертации проанализирована динамика плотности газа в криогенной вакуумной камере коллайдера с экраном пучка и проведена оценка требуемой сорбционной емкости криосорбера для вакуумной камеры в Длинных Прямых Секциях LHC. ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ диссертации описаны экспериментальный стенд для проведения криосорбционных исследований в конфигурации вакуумной камеры LHC и модернизация этого стенда для измерения сорбционных характеристик различных криосорбирующих материалов. В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ описан экспериментальный метод для криосорбционных исследований. В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ описан поиск перспективных криосорбирующих материалов для адсорбции водорода при температурах криосорбера 10-К20 К. В ПЯТОЙ ГЛАВЕ описаны исследования возможностей распределенной криосорбционной откачки в вакуумной камере с экраном пучка с выбранными эффективными криосорберами (активированным углем, тканным и нетканным углеволоконным полотном). Рассмотрены возможные варианты крепления криосорберов. Представлены специальные исследования для экрана с углеволоконной тканью, предложенной в качестве криосорбера для LHC. В ЗАКЛЮЧЕНИИ сформулированы основные результаты диссертационной работы, выносимые на защиту. Представленная работа проводилась в государственном научно-исследовательском учреждении "Институт Ядерной Физики им. Г.И. Будкера СО РАН" (Новосибирск, РФ) с 1997 по 2004 годы. Данная работа является частью вклада РФ в международный проект по строительству сверхпроводящего адронного суперколлайдера нового поколения LHC в CERN. Результаты и выводы, полученные в проведенных исследованиях, прошли стадию совместного обсуждения с ведущими специалистам вакуумной группы LHC и используются при создании LHC в CERN [26], а также являются важными исходными данными для конструирования других современных научно-исследовательских физических комплексов. Основные результаты, вошедшие в диссертацию, представлены специалистам вакуумной группы LHC в CERN [27], [28], опубликованы в реферируемых научных журналах [29, 30, 31, 32, 33] и докладывались на российских и международных научных конференциях [34, 35, 36, 37, 38, 39] и др. Научная библиотека диссертаций и авторефератов disserCat http://www.dissercat.com/content/raspredelennaya-kriosorbtsionnaya-otkachka-v-kholodnykh-vakuumnykh-kamerakh-sovremennykh-kol#ixzz4I9dYbFDe