Исследование фотодесорбционных процессов в прототипах вакуумных камер сверхпроводящих коллайдеров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Г.И. Будкера СО РАН

На правах рукописи

МАЛЫШЕВ Олег Борисович

ИССЛЕДОВАНИЕ

ФОТОДЕСОРБЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ПРОТОТИПАХ ВАКУУМНЫХ КАМЕР СВЕРХПРОВОДЯЩИХ КОЛЛАЙДЕРОВ

01.04.20 - физика, пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НОВОСИБИРСК—1995

Работа выполнена в ГИЦ РФ «Институт ядерной физик им. Г.И. Будкера СО РАН».

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: Анашин кандидат технических наук,

Вадим Васильевич ГНЦ РФ «Институт ядерной физик

им. Г.И. Будкера СО РАН», г. Новосибирск

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Глазков

Анатолии Александрович

Кезерашвили Гурами Яковлевич

доктор физ.-мат. наук, профессор, Московский инженерно-физический институт, г. Москва.

доктор физ.-мат. наук, ГИД РФ «Институт ядерной фнзиь им. Г.И. Будкера СО РАН», г. Новосибирск

Российский научный центр «Курчатовский институт», г. Москва.

Защита диссертации состоится «/С » 19!

года в « /7' » часов на заседании специализированно) совета Д.002.24.02 при ГИЦ РФ «Институт ядерной физи* им. Г.И. Будкера СО РАИ».

Адрес: г. Повосибирск-90, проспект академика Лаврентьева, 1

Ведущая организация:

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ Р «Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН».

Автореферат разослан « В » /1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета,

академик ^ Б.В. Чирик<

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ------------------

Актуальность темы диссертации.

Развитие ускорнтелной техники в сторону увеличения энергии астиц привело к необходимости использования сверхпроводящих [агнитов, позволяющих получать более сильные, по сравнению с епЛымн магнитами, поля, что приводит, в свою очередь к меньшим размерам накопителен заряженных частиц.

В 1977 в России, в 1986 в США и в 1991 в Швейцарии появи-ись проекты создания ускорителен следующего поколения — про-онных колландеров ТэВ-ного диапазона энергий, использующих верхпроводящие магниты (SSC: Е = 2 х 20 ТэВ, П =~ 83 км; П1К: Е = 2x3 ТэВ, П =~ 21 км; LHC: Е - 2x7 ТэВ, Т =~ 27 км) [13]—[15]. Большая часть вакуумной камеры проходит нутрп криогенной системы сверхпроводящих магнитных элемеп-ов. В таком случае разумно, чтобы вакуумная камера пучка так-<е поддерживалась при низких температурах, используя возмож-остн крнооткачкн и уменьшая нагрузку на, криогенную систему.

В проектируемых сверхпроводящих коллайдерах нового поко-ения {LÏ1C в ЦЕРИс, SSC в США, УПК п ИФВЭ) впервые для ротонных машин стал сущоственшлм вопрос фотодесорбции газа: инхротронное излучение (СИ), обусловленное протонами с энер-нямн несколько ТэВ, будет вызывать десорбцию молекул газа со тенок холодной вакуумной камеры (при Т ~ 4.2 К), также как с еплых стенок существующих электронных ыашнияя. Но в элек-•рошгых накопительных кольцах с теплой вакуумной камерон обучаемые внутренние стенки камеры со временем обезгаживают-я, а десорбировашгые газы удаляются распределенной откачкой, "лучай криогенной вакуумной камеры ранее не изучался, поэтому рудно было даже оценить ожидаемые плотности газа под воздей-твием СИ, поскольку, с одной стороны, при температурах жид-ого гелия стенки камеры являются великолепным крионасосом, с ругой стороны, адсорбированные на этих стенках молекулы ни-уда не удаляются и могут быть вновь десорбировапны.

Характер поведения плотности остаточного газа в вакуумной

камере пучка существенно влияет на конфигурацию вакуумной си стемы коллайдера в целом. Из-за недостатка экспериментальны: данных не было ясного представления о характере процессов в хс лоднон вакуумной камере, что, в спою очередь, не позволяло пра вилыю спроектировать вакуумную систему.

К началу наших работ имелось только две публикации, по священных фотодесорбционпым экспериментам при гелиевых тем пературах, выполненных в США в Брукхевенской Национально: Лаборатории (BNL) [17] и в Центре Синхротронного Излучени (SRC) [18]. В BNL на Национальном Источнике Сиихротроииог Излучения (NSLS) был проведен ряд экспериментов по изучении динамической плотности (т.е. плотности газа при облучении сте нок камеры фотонами СИ) в вакуумной камере при температур 4.2 К. Был определен спект^р десорбнруемых газов: Н2 (макси мальный выход), СО и С02. Кроме того было обнаружено возра стание динамической плотности газа с увеличением накопленно: фотонной дозы, наклон кривой уменьшался после отогрева труб! до температуры в интервале 20-70 К. В SRC был проведен экс перимент по измерению фотодесорбцпи с поверхности покрыто: медью нержавеющей стали при температуре жидкого гелия и npi комнатной температуре. Полученные коэффициенты фотодесорб ции приблизительно совпадают rjcoid ~ 7]warm-

Из имеющихся экспериментальных данных картина динамик) плотности в криогенной вакуумноп камере коллайдера. в npocToi трубы представлялась следующим образом [16]—[20] :

• фотоны СИ облучают узкую полоску поверхности вакуумно: камеры пучка и стимулируют десорбцию молекул газа с это] полоски;

• десорбнрованные молекулы сорбируются на необлучаемой ча сти поверхности камерьг,

• возможно существенной является десорбция физадсорбиро ванных на криоповерхности молекул под воздействием ионоб появившихся за счет ионизации остаточного газа пучком;

• критичной для коллайдера является только десорбция водорода, имеющего предельную равновесную плотность 2 • 1012 см~3 при Т = 4.2 К, которая на три порядка выше требуемой но времени жизни;

• поскольку крноиоверхность является идеальным крионасосом, скорость откачки не ограничена проводимостью, то скачок давления при облучении СИ будет, скорее всего, незначительным;

• ограничение по плотности остаточных газов в вакуумной камере коллайдера. определяется равновесной изотермой водорода;

• коэффициент фотодесорбции с поверхности при гелиевых температурах примерно такой же как и при комнатных;

• в случае достаточно большого коэффициента десорбции, когда на повсрностн камеры будет сорбироваться монослой водорода за неприемлемо малое время работы коллайдера, можно будет использовать экран пучка — лайнер (от англ. liner), для увеличения сорбирующей поверхности или для использования криосорберов, защищенных лайнером от фотонов СИ.

Необходимость проведения подробного экспериментального нс-тедовання процессов, происходящих и вакуумной камере коллай-зра была высказана многими специалистами в области вакуумной гхники ускорителен, собравшихся на рабочее совещание в лабо-атории SSC в 1992 [16], там же были сформулнроваины основные зли, задачи и методы такого исследования.

Цель проведения работы.

• Иследовать какова картина процессов в криогенной вакуумной камере пучка сверхпроводящего супер коллайдера;

• Определить возможность работы коллайдера с вакуумной камерой в' виде простой трубы;

• В случае невозможности работы коллайдера с вакуумной ка мерой в виде простой трубы — найти другое решение; изу чить, как лайнер влияет на процессы в криогенной вакуумно! камере.

Научная новизна работы.

• Впервые проведено подробное исследование плотности газ; в протопипах вакуумной камеры коллайдеров, находящихс: при гелиевых температурах, подверженных облучению СИ;

• Показано, что в вакуумной камере в виде простой трубь плотность газа.возрастает с набранной фотонной дозой бла годаря вторичной десорбции крносорбнрованных на стенка: камеры ранее первично десорбнрованных молекул, введень понятия вторичной десорбции п коэффициента вторичной де сорбции 77';

• . Экспериментально подтверждена эффективность лайнера — перфорированного экрана пучка;

• Для описания динамики плотности газа предложена фено менологическая модель, значения всех величин этой модел] определены из данных проведённых экспериментов;

• Предложен и реализован метод прямого измерения плотност] газа, основанный на перезарядке-ионных пучков на молекула; остаточного газа, с его помощью впервые измерена скорост! молекул, десорбировавшнх с крионоверхности под действие» СИ.

Основные результаты работы, выносимые на защиту.

1. Изучена динамика плотности газа в прототипе вакуумной ка меры сверхпроводящего суперколлайдера под воздействие! СИ при Т = 4.2 К:

• Проведена серия экспериментов при Т — 4.2 К на про--------------

тотипах вакуумной камеры в виде простых труб. Показано, что в вакуумной камере коллайдера в виде простой трубы ограничение по плотности остаточных газов определяется не изотермой равновесия, а динамической плотностью, обусловленной вторичной десорбцией крно-сорбнровапньнГповерхности трубы молекул, введено понятие коэффициента вторичной десорбции з/, приведены экспериментальные зависимости т(1ош от накопленной

дозы облучения (егш — коэффициент прилипания).

• Проведена серия экспериментов при Т = 4.2 К на прототипах вакуумной камеры с лайнером. Определены коэффициенты фотодесорбцни т\ при Т = 4.2 К; приведены экспериментальные зависимости коэффициента первичной десорбции ?/ от накопленной дозы облучения.

• Продемонстрировать эффективность использования лайнера в вакуумных камерах супсрколлайдеров.

• На основе феноменологической модели фотодесорбцни с крпосорбнрующей поверностн, показано, что измерения тёплым датчиком динамического давления в вакуумной камере в виде простой трубы определяют отношение коэффициента вторично» десорбции к коэффициенту прилипания 7}'/аи1, вакуумной камере с лайнером — вели-.чниу коэффициента первичной десорбции ?/.

• Экспериментально определены все переменные этой модели: 1]', а, пе, п, д.

2. Реализован метод измерения плотности газа по перезарядке ионных пучков. Измерена температура газа (средняя скорость молекул), десорбнрующего с криоповерхностн . трубы при Т = 4.2 К:

• Создана установка для измерения плотности газа методом ионных пучков.

• Проведены эксперименты, показавшие, что средняя скорость молекул, дссорбнровавшнх под воздействием СИ с критической энергией фотонного спектра Ес = 284 эВ. в случае простой трубы при Т = 4.2 К равна v = 8 • 104 ± 1.5 • 104 см/с, что соответствует эффективной температуре газа Т = 60 ± 20 К.

3. Проведено исследование зависимости начальных коэффициентов фотодесорбцин от различных процедур подготовки поверхности вакуумпих камер:

• Проведены измерения коэффициентов фотодесорбции прн комнатной температуре на различных образцах. Получены коэффициенты десорбции для труб, подготовленных по той же методике, которую предполагалось использовать для вакуумной камеры SSC. Показано, что 24-часовой прогрев на месте прн 150°С (максимально допустимая температура для магнитной системы), также как и предварительный отжиг при 950°С, дают незначительное уменьшение коэффициента фотодесорбцин водорода (~30-35%) по сравнению с пепрогретымн трубами.

• Изучено влияние магнитного поля на характер фото-десорбцнонных процессов в вакуумной камере в виде трубы. Показано, что наличие магнитного поля слабо влияет на результаты дес^бциониых экспериментов, что позволяет утверждать, что при таких углах падения фотонов на поверхность стенок вакуумной камеры (а =~ Ю мрад) происходит расеяние фотонов по всей поверхности камеры.

4. Разработана новая методика вакуумных измерении, на основе которой создан стенд, позволяющий проводить эксперименты по изучению фотодесорбцнонных процессов на прототипах вакуумных камер протонных суиерколлайдеров:

----------• разработаны, собраны и запущены установки на двух

каналах СИ (высокой и низкой интенсивности), позволяющие проводить исследования как при комнатных, так и при криогенных температурах, производить измерения плотности газа, температуры в экспериментальном объеме, регистрировать режим работы ускорителя.

• Разработана и создана гибкая система автоматизированного сбора информации и управления, существенно облегчающая контроль за течением экспериментов на одном из двух или на обоих каналах, позволяющая непрерывно снимать, выводить на монитор в удобном для экспериментатора виде и сохранять экспериментальные данные, получать результаты предварительной обработки данных в течение эксперимента.

Научная и практическая значимость работы.

В результате проведенных работ впервые подробно исследовал вакуумные проблемы, встающие при разработке

вакуумной системы коллайдеров с вакуумной камерой при ге-1свых температурах. Получено ясное и обоснованное понимание шамикн плотности газа в простой вакуумной камере и вакуумной шере с лайнером.

Предложенная феноменологическая модель со всеми эксперн-впта,1ьно опредёппыми величинами в ней позволяет количествен) предсказывать поведение плотности газа в вакуумной камере шландеров с криосорбнрующимн стенками.

Структура работы. Основной текст диссертации состоит из юдення, четырёх глав, заключения и приложения. Текст днссер-щин содержит 85 страниц, 18 рисунков н 6 таблиц. Список лите-1туры состоит из 49 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Для проведения исследовании, необходимых для более ясно] понимания процессов, происходящих в вакуумной камере сверхпр водящих суперколлапдеров, в Институте ядерной физики им. Бу. кера СО РАН (Новосибирск, Россия) совместно с лаборатори< SSC (Даллас, Техас, США) был разработан и создан спецнальнь стенд на базе накопителя ВЭПП-2М как источника СИ, состояиц из двух каналов вывода синхротронного излучения (СИ) высокой низкой интенчнвностн с размещенными на них вакуумными уст иовками для измерения коэффициентов десорбции иод воздейств ем СИ на прототипах вакуумных камер при комнатной (294 К) криогенных (3-80 К) температурах. Критическая энергия Ес и лучения накопителя ВЭПП-2М при энергии 534 MэВ совпадает критической энергией СИ сверхпроводящего сурерколлайдера ) энергии 2 х 20 ТэВ (SSC).

Эксперименты проводились в той последовательности важп сти задач, как это понималось до начала экспериментов. Исха из этого понимания были поставлены следующие задачи и метол такого исследования [16]:

Задачи:

1. Поскольку время работы коллайдера определяется коли1: ством десорбнрованного водорода, подобрать оптимальш способ подготовки и предварительной обработки поверхнос вакуумной камеры коллайдера, дающий наименьший вых водорода.

Метод: провести измерения начальных коэффициентов фот стимулированной десорбции протоетшов вакуумной каме( коллайдера, подверженным различным процедурам подготс ки поверхности, вакуумного отжига, предпрогрева, прогре на месте. Эксперименты разумно проводить при комната температуре, т.к. но данным работы [18] цсоц ~ i)warm.

2. Поскольку сиихротронное излучение попадает на пове{

ность, находящуюся в сильном магнитном поле, необходимо исследовать влияние магнитного поля на фотодесорбцйю в вакуумной камере сверхпроводящего суперколландера.

Метод: исследовать влияние магнитного поля на покрытых медыо трубах из нержавеющей стали при комнатной температуре.

3. Получение экспериментальной изотермы адсорбции водорода в вакуумной камере коллайдера при температуре стенок камеры Т — 4.2 К без экспозиции под пучком СИ, получение величины эффективной площади поверхности прототипа вакуумной камеры коллайдера.

Метод: напуск водорода В'прототип вакуумной камеры при температуре 4.2 К без СИ.

4. Исследование поведения динамической плотности газа в вакуумной камере коллайдера при температуре 4.2 К в конфигурации простой трубы и трубы с лайнером, определить при какой накопленной фотонной дозе:

(а) плотность газа в камере превысит 3 • 108 7/2/сл3 (ограничение по времени жизни в ББС);

(б) плотность газа в камере превысит 4 • Ю10 Нъ/см3 (ограничение по криогенной системе);

(в) будет накоплен монослой газа на поверхности камеры, т.е. произойдет быстрое возрастание равновесной плотности к насыщеной плотности газа;

(г) установить необходим ли лайнер.

Метод: провести измерения динамической плотности газа при облучении синхротронным излучением протоИТшов вакуумной камеры в виде простой трубы и трубы с лайнером коллайдера при температуре 4.2 К.

По мере выполнения этой исследовательской программы, нз по лучаемых нами экспериментальных данных, в результате обсу жденпй и дискуссий в вакуумной группе ИЯФ, с коллегами из БЗС ЦЕРИ и других научных центров появилось иное, ясное и обосно ванное понимание процессов, происходящих в криогенной вакуум ной камере пучка под воздействием синхротроииого излучения.

В диссертацию вошли результаты работ, выполненных авто ром по изучению вакуумных проблем сверхпроводящих суперкол лайдеров:

1. Изучение динамики плотности остаточного газа под воздей ствнем СИ в холодных (4.2 К) вакуумных камерах в. конфи гурации простой трубы и трубы с лайнером.

2. Получение экспериментальной зависимости равновесной пло ности газа от плотности молекул газа на поверхности пр. 4.2 К для II2.

3. Измерение средней скорости десорбированных молекул в вг куумнон камере в виде трубы при температуре 4.2 К.

4. Измерение коэффициентов десорбции на прототипах вакууь-ных камер при комнатной температуре для различных пс крытнй и методов подготовки.

5. Изучение влияния магнитного поля на процесс фотодесор( ции.

В первой главе диссертации приводится описание стенда дл для измерения фотодесорбционных процессов в прототипах- вак; умных камер при комнатной и низких (3-77 К) температурах, ра работаипого и созданного в Институте Ядерной Физики им. Бу] кера на основе накопителя ВЭПП-2М как источника синхротро] ного излучения. Подробно описаны каналы вывода СИ и у станов! для измерения коэффициентов десорбции под воздействием СИ 1

теплых ("294 К) и холодных (3-77 К) трубах, а также система штоматлзиросашюго сбора информации и управления. Приведе-ю описание крностата для экспериментов с холодными трубами, газволяюшего проводить длительные эксперименты при температуре кипения жидкого гелия (или жидкого азота) без отогревов и )стаяовок на дозаливку хладагента.

В первом разделе ВТОРОЙ ГЛАВЫ рассматривается реализо-$анный в установке новый метод измерения коэффициента фото-гесорбции, использующий проводимость тестируемой вакуумной самеры и измеренные давления в центре и по краям камеры.

Во втором разделе приведены экспериментальные результаты гзмерений коэффициентов фотодесорбцнн 17-ти труб из покрытой ледыо нержавеющей стали, нержавеющей стали и чистой бески-:лородной меди, изготовленных и подготовленных к измерениям по шецнальпым процедурам в BNL и ЦЕРПе, с прогревом на месте и 5ез прогрева, а также приведено обсуждение этих результатов.

Показано, что:

• результаты измерений по повой методике соответствуют результатам других исследователей, что позволяет сделать вывод о корректности нового метода.

• для труб из гальванически покрытой медью нержавеющей стали выход водорода слабо зависит (уменшае'тся на 3035%) от предварительно проведенных вакуумного отжига при 950°С и прогрева, на месте 150°С но сравнению с нерогре-тымн трубами. Для нерогретых труб из покрытой медью нержавеющей стали (основного претендента для камеры пучка SSC) измеренные коэффициенты фотодесорбцнн составили:

ц = 0.03 мол/ф от при дозе 1019 фот/м; г] = 0.012 мол/фот при дозе 1020 фот/м; т) = 0.0035 мол/фот при дозе 1021 фот/м; 1] = 0.001 мол/фот при дозе 1022 фот/м.

Также здесь приведены результаты измерений коэффициенте)] фотодесорбции с поверхности труб из покрытой медыо нержавею щей стали и бескислородной меди в магнитном поле 500 Г с. Пока зано, что влияние магнитного поля при угле падения фотонов н; поверхность вакуумной камеры 10 мрад незначительно, т.е. пр] любой набранной фотонной дозе !?л/о — Чн=о из чего можно еде лать вывод, что благодаря диффузному рассеянию при таком угл< падения фотонами СИ облучается вся внутренняя поверхность ка меры пучка, а не узкую полоска на поверхности камеры, как пред полагалось ранее. Также отсюда следует другой вывод — о право мерности использования данных фотодесорбциониых экспернмсн тов, проведенных без магнитного поля, для рассчета вакуумны: систем накопителей пучков.

Третья глава посвящена исследованию десорбциоиных про цессов в вакуумных камерах при низких температурах. В первое разделе описывается предложенная памп феноменологическая мо дель динамической плотности газа в криогенной вакуумной каме ре под воздействием СИ, вводится понятие вторичной десорбци молекул, ранее десорбнрованных и крпосорбнрованных на поверх ности. . .

Согласно этой модели плотность газа в криогенной вакуумно] камере коллайдера определяется тремя составляющими и в обще) случае описывается следующим уравнением:

п _ 9-Г + У'- Г + пе ■ ^

+ С + С + С'

первый член этого уравнения описывает вклад в плотность пер внчной фотодесорбции молекул,

т} [молекул/ф отон] —коэффициент первичной фотодесорбции (именно этот коэффициент измеряется в теплых фотодесорбцнонных экспериментах) и зависит от критической энергии фотонного спектра Ес :

т](Ес) = к • Ес, где к — коэффициент пропорциональности;

5,„ = А,„ • и/4 — идеальная скорость откачки стенками криогенной вакуумной камеры, где Аю — площадь стенок камеры на единицу длины, V — средняя скорость молекул,

аю — коэффициент прилипания;

С = р-Ас-Ыа-и/4 — скорость откачки через отверстия в лайнере, где р — вероятность прохождения молекул через отверстие, А& — площадь отверстия, — число отверстий на единицу длины камеры; Г [фотонов/{м • сек)] — поток фотонов на единицу длины камеры;

второй член описывает вклад вторичной фотодесорбцнп физад-эрбированных на крноповерхностн молекул,

?/' [молекул/ф отои] — коэффициент вторичной фотодесорбцнп криосорбироманных на стенках вакуумной камеры молекул. Из результатов измерений в вакуумной камере без лайнера, описанных в третьем разделе коэффициент ?/' для низкого поверхностного покрытия (меньше монослоя) увеличивается с ростом поверхностной плотности молекул водорода з;

третий член уравнения (1) — вклад равновесной изотермиче-кон плотности газа п,, зависящей от плотности сорбированных на оверхпостн молекул 5.

Второй и третий член уравнения зависят от поверхностного окрытия в, которое для простой вакуумной камеры определяется ыражением:

а для камеры с лайнером:

5 = ¿о + £ • Г - С • • сИ, (

Также в этом разделе рассмотрении возможности экспернме талыюго определения основных переменных модели, показано, ч в экспериментах с прототипом вакуумной камеры в виде прост трубы можно определить отношение коэффициента вторичной 1 сорбции к коэффициенту прилипания на поверхности ?//сгш, а экспериментах с лайнером — коэффициента первичной десорбц V-

Измерению экспериментальной зависимости ле(5) Для труб подготовленной по процедуре, которую предполагалось исполь: вать для вакуумной камеры ББС, посвяшёи второй раздел эт. главы, приведены результаты измерения адсорбционной изот< мы водорода при температуре кипения жидкого гелия 4.2 К п различных потоках напускаемого в камеру газа. Полученное 31 чение поверхностной плотности водорода, соответствующее мо] слою, равно = 3 • 1015 мол/см2. Из данных этого эксперимен были получены константы в уравнении полимолекулярной адсо] ции БЭТ для аналитического описания зависимости пе(з).

Во третьем разделе приводятся результаты измерений ди1 мики плотности газа в прототипе вакуумной камеры пучка ББС виде простой трубы при температуре кипения жидкого гелия. Б ли проведены серии экспериментов на двух образцах труб. Д.1 тельное облучение каждой трубы производилось в несколько у пов.

Динамическая плотность //2 бистро возрастает с увелнчепи интегральной фотонной дозы и благодаря вторичной фотодесо] ции физадсорбированных молекул. Следуя описанной в 1-ом р деле феноменологической модели эту плотность можно выраз1 следующей формулой :

д'-г

П = —:-—-

КоэффШ17ГС7ГГ rf ДЛЯ 1Г1ПКОГО ТТОПСрХ'ТГОГТТГОГО покрытия (МС77Т>-

с ыоиослоя) зависит от поверхностной плотности Н->, получена спериментальная зависимость:

■■ m

Из проведённых экспериментов видно, например, что дннами-

:ская плотность в простой трубе становится выше требуемой ) проекту SSC плотности после 2 • 10"° фош/м. (Это — всего, шблизнтелыго, 6 часов работы SSC.)

Четвёртый раздел посвящен экспериментам с лайнером. В :ом случае поведение динамической плотности водорода каче-:венно другое. При фотонном потоке Г = 1016 фот/(с • м) тотность уменьшается с 4 • 108 см~3 в начале эксперимента до • 107 сл-3 при дозе 3.5 • 10" фот/м. Согласно феномепологиче-сой модели плотои^сть газа. в конфигурации с лайнером определятся только коэффициентом первичной десорбции. Десорбирован-jie сиихротропным излучением молекулы уходят через отверстия лайнере и накапливаются на защищенной от СИ поверхности. В гом случае накопление фнзадсорбированных молекул на внутрен-эй поверхности лайнера не происходит и динамическая плотность

тределяется следующим образом:

« = —■ (6)

Измеренный коэффициент фотодесорбции г] изменялся от 4-Ю-3 олекул/фотон в начале эксперимента (D = 1020 фот/м) до •10-'1-г7-10~'1 молекул/ф отон в конце (D = 1022 ф от/м). И, на-ример для SSC, плотность II-, становится приемлемой по времени :изни протонов после набранной фотонной дозы ~ 1 • 1021 ф от/м.

IIa Рис. 1 показано различие поведения динамической плотно-ги Iii в вакуумной камере без лайнера, и с лайнером в зависимо-ги от интегральной фотонной дозы. Динамическая плотность Я2 оказазга при средней скорости молекул, соответствующей 4.2 К.

ПУ 4

СМ

-3

10

10

10

.10

10

у//о Нпег

У

ййуг

\ /

ш11Н Нпег

10

19

„го

10" 10 10 1п1едга1ес1 рИо1оп Лих, рЬо1олг/т

,22

10'

.23

Рис. 1: Динамическая плотность водорода, нзмереная в центре i куумной камеры с лайнером и без лайнера. Плотность приведе для потока 1016 фот/(м • сек). .

Это — нижняя граница для реальной скорости молекул, следог телыю на Рис. 1 показана максимальная величина динамнческ плотности. Реальная эффективная скорость молекул в этих эка риментах была еще неизвестна, потому что давление в экспер ментах измерялось квадрупольными масс-спектрометрами, нахс щимися при комнатной температуре. Измеряемой величиной бы призведение п • V, где га — динамическая молекулярная плотное газа и V эффективная средняя скорость молекул.

На основе представленной модели в заключительном разде этой главы произведены оценки динамики плотности газа в за! симости от набранон фотонной дозы для вакуумных камер ББ ЬНС и УНК для обоих случаев — с лайнером и без лайнера;

В четверой главе описан метод прямого измерения плотное остаточного газа в прототипе вакуумной камеры, используют

ерезарядку пропускаемого через криогенную вакуумную камеру ротонного пучка на молекулах остаточного газа. Созданная на снове этого метода установка, а также результаты первых экспе-иментов на этой установке но измерению средней скорости моле-ул в трубе при температуре -1.2 К под воздействием СИ.

Метод основан на том, что количество нейтралов //° и отрн-ательных ионов II появляющихся в результате захвата прото-амн П+ одного или двух электропов : Я+ + А = + А+ и I+ + А = Н~ + А++, — пропорционально плотности газа (толщи-е мишени):

I(II0) = n.<r10-L-I(H+), (7)

/(//-) = »• £т1_1-Х-/(Я+), (8)

де п — плотность газа, а — сечение перезарядки, L — длина пути учка, /(//+) — ток протонов. Сечения перезарядки П+ с энергией — 10 кэВ на молекулах Л> известны [21] :

via(lh) = 1-2- Ю-15 cm2 и <Ti_j(//3) = 5.0 • 10~18 cm2.

На канале вывода СИ низкой интенсивности SSCI создана уста-ювка, проведны измерения динамики плотности остаточного газа i криогенной вакуумной камере под возденстпием СИ.

В результате первых экспериментов на этой установке -была [змереиа средняя скорость молекул, десорбнрующих с поверхности фи Т = 4.2 К под воздействием С'И. Для этой скорости получена »цепка 8 • 104 ± 1.5 • Ю4 см/сек, что соответствует температуре аза GO ± 20 К. Это позволяет устранить неопределённость при »предсленни динамической плотности газа в вакуу^емных камерах ;оллайдеров с холодными вакуумыми камерами.

В заключении кратко сформулированны основные результа-гы диссертационной работы, выносимые на защиту.

На основе представленной модели в Приложении произведены щенки динамики плотности газа в зависимости от накопленной

фотонной дозы для вакуумных камер проектируемых накопителе SSC, LHC и УНК с лайнером и без лайнера.

Данная работа проводилась в ГНЦ РФ «Институт ядерной ф! знки им. Г.И. Будкера СО РАН» с 1992 по 1995 годы.

Апробация работы и публикации:

Основные результаты, вошедшие в диссертацию, докладь вались на конференциях: Particle Accelerator Conference PAC-i (Вашингтон, США, 17-20 мая 1993г.), 3-я Харьковская Вакуул ная Конференция (Украина, 12-14 окт. 1993 г.), 40th Nation; Symposium AVS (Orlando, USA, Nov. 1993) 4th European Partic Accelerator Conference EPAC-94 (Лондон, Великобритания, 27 шоп 1 июля 1994г.), Международная Конференция по Использовани: Синхротронного Излучения СИ-94 (Новосибирск, 11-15 июля 19i г.), XIV Совещание по Ускорителям Заряженных Частиц (Протв! но, 25-27 окт. 1994 г.), International Conference on Vacuum Scien< & Technology snd SRS Vacuum systems INCOVAST-95 (CAT, Indor Индия, 6т9 фев. 1995 г.) и опубликованы в работах [1]-[12].

Список литературы

[1] В.В. Апашип, А.Е. Евстигнеев, А.П. Лысенко,

О.Б. Малышев, В. if. Осипов, И.Л. Масленников и В. Ч. Турнер. Установка для исследования фотонно-стнмулированной десорбции на прототипах вакуумных камер. Материалы 3-й Харьковской Вакуумной Конференции, Харьков, Украина, 12-14 окг. 1993. Вопросы атомной науки и техники, сер.: Ядерно-физические исследования (Теория и эксперимент), вып. 1(27), 1994, стр. 30-32.

[2] V.V. Anashin, A.V. Evsigneev, А.Р. Lysenko, О. Malyshev, V. Osipov, I.N. Maslennikov and W.Ch. Turner. Stand for studying photodesorption processes in proton supercollider

beam tube prototypes. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 359, n. 1/2, North-IIolland, 1995.

)] I. Maslennikov, W. Turner, V. Anashin, 0. Malyshev,

V. Osipov, V. Nazmov, V. Pindyurin, A. Salimov, C. Foester, C. Lanni. Photodcsorption experiments on SSC collider beam tube configurations, Proc. of 1993 IEEE Part. Acc. Conf., Washinton, DC, May 17-20, 1993, v. 5, pp. 3876-3878. SSCL-Prcprint-378, May 1993.

1] V. Anashin, A. Evsiyneev, 0. Malyshev, V. Osipov, A. Salimov, I. Maslennikov and W. Turner. Summary of resent photodesorption experiments at VEPP-2M. SSCL-N-825, June 1993.

j] V. Anashin, O. Malyshev, V. Osipov, C.L. Foerster,

M.W. Ruckman, AI. Slronyin, R. Kersevan, I.L. Maslennikov and W.C. Turner. Cold beam tube photodesorpton experiments for SSCL 20 TeV proton collider. -10th National Symposium AVS, Orlando, Nov. 1993.

5] V.V. Anashin, O.B. Malyshev, V.N. Osipov, I.L. Maslennikov and W.C. Turner. Investigation of synchrotron radiation-induced photodesorption in cryosorbing quasiclosed geometry. J. Vac. Sci. Technol. A 12(5), pp. 2917-2921, Sep/Oct 1994. SSCL-Preprmt-517 Rev.l, Oct. 1993.

r] V.V. Anashin, G.E. Derevyankin, V.G. Dudnikov,

O.B. Malyshev, V.N. Osipov, C.L. Foerster, F.M. Jacobsen, M.W. Ruckman, M. S'tronrjin, R. Kersevan, I.L. Maslennikov, W.C. Turner and W.A. Landford. Cold beam tube photodesorpton and related experiments for SSCL 20 TeV proton collider. J. Vac. Sci. Technol. A 12(4), pp. 1663-1672, Jul/Aug 1994. SSCL-Preprint-533, Nov. 1993.

5] V. Anashin, 0. Malyshev, V. Osipov, I. Maslennikov and

W. Turner. Experimental investigation of dynamic pressure in a

cryosorbing beam tube exposed to synchrotron radiation. Proc. of EPAC-94, London, 27 June - 1 July, 1994, v. 3, '

pp. 2506-2508.

[9] N. Alinovsky, V. Anashin, P. Beschastny, G. Derevyankin, V. Dxidnikov, A. Evstigneev, A. Lysenko, O. Malyshev, V. Osipov, I. Maslennikov and W. Turner. A hydrogen ion bea method of molecular density measurement inside a 4.2K beam tube. Proc. of EPAC-94, London, 27 June-1 July, 1994, v. 3, pp. 2509-2511 .

[10] B.B. Aumiiuu, О.Б. Малышев, В.П. Осипов,

И.II. Масленников и 11.Ч. Тюрнср. Экспериментальные исследования динамического давления в крносорбнрующей вакуумной камере под воздействием еннхротронного излучения. XIV Совещание по Ускорителям Заряженных Частиц, Тезисы докладов , ИФВЭ, Протвино, 25-27 ноября 1994, с. 98 Заряженных Частиц, Протвино, 25-27 ноября 1994.

[11] Н.И. A.iuuoecKuii, B.B. Анашин, ff.M. Бесчестное, Г.Е. Деревянкин, В.Г. Дудников, А.В. Евстигнеев, А.П. Лысенко, О.Б. Малышев, В.II. Осипов,

И. II. Масленников и В.Ч. Тюрнер. Измерение плотности гг ионным пучком в исследованиях десорбции газа с поверхности криогенной вакуумной камеры под воздействн еннхроторонного излучения. XIV Совещание по Ускорител Заряженных Частиц, Тезисы докладов , ИФВЭ, Протвино, 25-27 ноября 1994, с. 97

[12] N. Alinovsky, V. Anashin, P. Beschaslnov, G. Derevyankin, V. Dudnikov, A. Evstigneev, К. Kulinich, A. Lysenko and

O. Malyshev, I. Maslennikov and IF. Turner. Ion beams charj exchange vacuum detector for cold tube photodesorption experiments. Abstracts of INCOVAST-95, Abstracts, Indore, 6-9 Feb., 1991, p. 112.

Дополнительная литература, цитируемая в тексте

5] SSC' Central Design Group. Conceptual Design of the

Superconducting Super Collider. SSC-R-2020, March (1986).

1] LIIC Study Group. Design Study of the Large Hadron Collider (LHC). CERN 91-03 (1991).

5] В.И. Балбеков и др. Ускорительно-накопительный комплекс ИФВЭ. Доклад на X Международной конференции по ускорителям заряженных частиц, Протвино, июль 1977.

3] R. Briggs, II. Jostlein, A. Maschke, A. Mathewson and N. Mistry. Report of Review Panel on BINP proposal to measure photodesorption in SSC beam tubes. 13-15 May, 1992.

Г] D. Bintinger, P. Limon, II. Jostlein and D. Trbjovic. Status of the SSC photodesorption experiment. SSC-102, Dec. 1986.

5] D. Bintinger, P. Limon, II.A. Rosenberg. Photodesorption from copper-plated stainless steel at liquid-helium temperature and at room temperature, J. Vac. Sci. Technol. A 7(1), pp. 59-63, J an/ Feb 1989.

)] II. Jostlein. Vacuum technology issues for the Superconducting Super Collider. .J. Vac. Sci. Teclmol. A 8(3), pp. 2840-2848, May/Jun 1990.

3] 10.Ж. Калинин, В.Г. Рогозинский. О влиянии протонного пучка па вакуум в камере сверхроводящего коллайдера УНК на энергию 3 ТэВ. Препринт ИФВЭ 91-107, Протвино, 1991.

1] Г. И. Димов, В.Г. Дудников. Перезарядный метод управления потоками частиц. Физика, плазмы, т. 4, вып. 3, стр. 692, 1978.

МАЛЫШЕВ Олег Борисович

Исследование фотодесорбционных процессов в прототипах вакуумных камер сверхпроводящих коллайдеров

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Сдано в набор 6.04. 1995 г. Подписано к печати 7.04. 1995 г. Формат 60x90 1/16 Объем 1,7 печ.л., 1,4 уч.-изд.л.

_Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ N 74_

Обработано на IBM PC и отпечатано на ротапринте ГНЦ РФ "ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН", Новосибирск, 630090, пр. академика Лаврентьева, 11.