Исследование фотосорбционных 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

МАЛЬ1ШЕВ_ХХд№-Сирисоцугч

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОДЕСОРБЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ПРОТОТИПАХ ВАКУУМНЫХ КАМЕР СВЕРХПРОВОДЯЩИХ КОЛЛАЙДЕРОВ

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц н ускорительная техника

АВТОРЕФ ЕРА Т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических паук

НОВОСИБИРСК—1995

Работа выполнена в ГНЦ РФ «Институт ядерной физию им. Г.И. Будкера СО РАИ».

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: Анашин кандидат технических наук,

Вадим Васильевич ГНЦ РФ «Институт ядерной физик!

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

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Глазков

Анатолий Александрович

Кезерашвили Гурами Яковлевич

Ведущая организация:

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

доктор физ.-мат. наук,

ГНЦ РФ «Институт ядерной физию

им. Г.И. Будкера СО РАИ»,

г. Новосибирск

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

Защита диссертации состоится « ТУ » УЛ/Ь _1991

года в «'¿С » часов на заседании специализированное совета Д.002.24.02 при ГНЦ РФ «Институт ядерной физик] им. Г.И. Будкера СО РАИ».

Адрес: г. Новосибирск-90, проспект академика Лаврентьева, 11

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ Р0 «Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН».

Автореферат разослан « О » 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета,

академик ¿/^ Б.В. Чирико:

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации;-------

Развитие ускорителной техники в сторону увеличения энергии частиц привело к необходимости использования сверхпроводящих магнитов, позволяющих получать более сильные, по сравнению с теплыми 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 появились проекты создания ускорителей следующего поколения — протонных коллайдсров ТэВ-ного диапазона энергий, использующих сверхпроводящие магниты (SSC: Е = 2 X 20 ТэВ, Л =~ 83 км; УПК: Е = 2x3 ТэВ, П =~ 21 км; LUC: Е = 2x7 ТэВ, П =~ 27 км) [13]—[15]. Большая часть вакуумной камеры проходит внутри криогенной системы сверхпроводящих магнитных элементов. В таком случае разумно, чтобы вакуумная камера пучка, также поддерживалась при низких температурах, используя возможности криооткачки и уменьшая нагрузку на криогенную систему.

В проектируемых сверхпроводящих колландерах нового поколения (LUC в ЦЕРНе, SSC в США, УПК и ИФВЭ) впервые для протонных машин стал существенным вопрос фотодесорбции газа: синхротронное излучение (СИ), обусловленное протонами с энергиями несколыго ТэВ, будет вызывать десорбцию молекул газа со стенок холодной вакуумной камеры (при Т ~ 4.2 К), также как с теплых стенок существующих электронных машин». Но в электронных накопительных кольцах с теплой вакуумной камерой облучаемые внутренние стенки камеры со временем обезгажнвают-ся, а десорбированные газы удаляются распределенной откачкой. Случай криогенной вакуумной камеры ранее не изучался, поэтому трудно было даже оценить ожидаемые плотности газа под воздействием СИ, поскольку, с одной стороны, при температурах жидкого гелия стенки камеры являются великолепным крионасосом, с другой стороны, адсорбированные на этих стенках молекулы никуда не удаляются и могут быть вновь десорбированны.

Характер поведения плотности остаточного газа в вакуумной

камере пучка существенно влияет на конфигурацию вакуумной системы колландера в целом. Из-за недостатка экспериментальных данных не было ясного представления о характере процессов в холодной вакуумной камере, что, в свою очередь, не позволяло правильно спроектировать вакуумную систему.

К началу наших работ имелось только две публикации, посвященных фотодесорбционным экспериментам при гелиевых температурах, выполненных в США в Брукхевенской Национальной Лаборатории (BNL) [17] и в Центре Синхротронного Излучения (SRC) [18]. В BNL на Национальном Источнике Синхротронного Излучения (NSLS) был проведен ряд экспериментов по изучению динамической плотности (т.е. плотности газа при облучении стенок камеры фотонами СИ) в вакуумной камере при температуре 4.2 К. Был определен спект^р десорбируемых газов: Я2 (максимальный выход), СО и С02- Кроме того было обнаружено возрастание динамической плотности газа с увеличением накопленной фотонной дозы, наклон кривой уменьшался после отогрева трубы до температуры в интервале 20-70 К. В SRC был проверен эксперимент по измерению фотодесорбцни с поверхности покрытой медью нержавеющей стали при температуре жидкого гелия и при комнатной температуре. Полученные коэффициенты фотодесорбции приблизительно совпадают rjcotd ~ t]worm.

Из имеющихся экспериментальных данных картина ^идпшики плотности в криогенной вакуумной камере колландера в "простой трубы представлялась следующим образом [16]—[20] :

• фотоны СИ облучают узкую полоску поверхности вакуумной камеры пучка и стимулируют десорбцию молекул газа с этой полоски;

• десорбнрованные молекулы сорбируются на необлучаемой части поверхности камеры;

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

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

• поскольку криоповерхность 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 колландера определяется равновесной изотермой водорода;

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

• в случае достаточно большого коэффициента десорбции, когда на поверности 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 крносорберов, защищенных лайнером от фотонов СИ.

Необходимость проведения подробного экспериментального исследования процессов, происходящих в вакуумной камере коллайдера была высказана, многими специалистами в области вакуумной техники ускорителей, собравшихся на рабочее совещание в лаборатории SSC в 1992 [16], там же были сформулировашгы основные цели, задачи и методы такого исследования.

Цель проведения работы.

• И следовать какова кар ги па процессов в криогенной вакуумной камере пучка сверхпроводящего суперколландера;

• Определить возможность работы колландера с вакуумной.камерой в виде простой трубы;

• В случае невозможности работы коллайдера с вакуумной камерой в виде простой трубы — найти другое решение; изучить, как лайнер влияет на процессы в криогенной вакуумной камере.

Научная новизна работы.

• Впервые проведено подробное исследование плотности газа в протопипах вакуумной камеры коллайдеров, находящихся при гелиевых температурах, подверженных облучению СИ;

• Показано, что в вакуумной камере в виде простой трубы плотность газа возрастает с набранной фотонной дозой благодаря вторичной десорбции крпосорбнрованпых на стенках

• камеры ранее первично десорбнроваиных молекул, введены понятия вторичной десорбции и коэффициента вторичной десорбции 77';

• Экспериментально подтверждена эффективность лайнера — перфорированного экрана пучка;

• Для описания динамики плотности газа предложена феноменологическая модель, значения всех величин этой модели определены из данных проведённых экспериментов;

• Предложен и реализован метод прямого измерения плотности газа, основанный на перезарядке ионных пучков на молекулах остаточного газа, с его помощью впервые измерена скорость молекул, десорбировавшнх с крноповерхности под действием СИ.

Основные результаты работы, выносимые на защиту.

1. Изучена динамика плотности газа в прототипе вакуумной камеры сверхпроводящего суперколлайдера под воздействием СИ при Т = 4.2 К:

• Проведена серия экспериментов при Т — 4.2 К на прототипах вакуумной камеры в виде простых труб. По-казапо, что в вакуумной камере коллайдера в виде простой трубы ограничение по плотности остаточных газов определяется не изотермой равновесия, а динамической плотностью, обусловленной вторичной десорбцией крио-сорбпрованиых'нопсрхиости трубы молекул, введено понятие коэффициента вторичной десорбции 7?', приведены экспериментальные зависимости tf/<rw от накопленной дозы облучения (aw — коэффициент прилипания).

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

• Продемопстрированна эффективность использования лайнера в вакуумных камерах суперколлайдеров.

• Па основе феноменологической модели фотодесорбцнн с крносорбнрующсй понерности, показано, что измерения тёплым датчиком динамического давления в вакуумной камере и виде простом трубы определяют отношение коэффициента вторичной десорбции к коэффициенту прилипания ?//<т,„, в вакуумной камере с лайнером — величину коэффициента первичной десорбции т].

• Экспериментально определены все переменные этой модели: г), a, nt, л, v.

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, десорбировавших под воздействием СИ с критической энергией фотонного спектра Ес = 284 эВ, в случае простой трубы при Т = 4.2 К равна V = 8 • 10'1 ± 1.5 • 10'1 см!с, что соответствует эффективной температуре газа Т = 60 ± 20 К.

3. Проведено исследование зависимости начальных коэффициентов фотодесорбцни от различных процедур подготовки поверхности вакуумпах камер:

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

• Изучено влияние магнитного поля на характер фото-десорбционных процессов в вакуумной камере в виде трубы. Показано, что наличие магнитного поля слабо влияет на результаты десс^бвдюнных экспериментов, что позволяет утверждать, что при таких углах падения фотонов на поверхность стенок вакуумной камеры (а 10 мрад) происходит раейянне фотонов по всей поверхности камеры.

4. Разработана новая методика вакуумных измерений, на основе которой создан стенд, позволяющий проводить эксперименты по изучению фотодесорбционных процессов на прототипах вакуумных камер протонных суперколландеров:

• разработаны, собраны н запущены установки на двух каналах СИ (высокой н пнзкой 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 исследованы вакуумные проблемы, встающие при разработке вакуумной системы коллайдеров с вакуумной камерой при гелиевых температурах. Получено ясное и обоснованное понимание динамики плотности газа в простой вакуумной камере и вакуумной камере с лан/ором.

Предложенная феноменологическая модель со всеми экспериментально онредёппыми величинами в пен позволяет количественно предсказывать поведение плотности газа п вакуумной камере коллайдеров с крносорбирующпмн стенками.

Структура работы. Основной текст диссертации состоит из

-^ ■ ^

введения, четырех глав, заключения и приложения. Текст диссертации содержит 85 страниц, 18 рисунков и 6 таблиц. Список литературы состоит нз 49 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Для проведения исследований, необходимых для более ясного понимания процессов, происходящих в вакуумной камере сверхпроводящих суперколлайдеров, в Институте ядерной физики им. Буд-кера СО РАН (Новосибирск, Россия) совместно с лабораторией ЗБС (Даллас, Техас, США) был разработан и создан специальный стенд на базе накопителя ВЭПП-2М как источника СИ, состоящий из двух каналов вывода синхротронного излучения (СИ) высокой и низкой интенсивности с размещенными на них вакуумными установками для измерения коэффициентов десорбции под воздействием СИ на прототипах вакуумных'камер при комнатной (294 К) и криогенных (3-80 К) температурах. Критическая энергия Ес излучения накопителя ВЭПП-2М при энергии 534 М о В совпадает с критической энергией СИ сверхпроводящего сурерколлайдера па энергии 2 х 20 ТэВ (ББС).

Эксперименты проводились в той последовательности важности задач, как это понималось до начала экспериментов. Исходя из этого понимания были поставлены следующие задачи и методы такого исследования [1С]:

Задачи:

1. Поскольку время работы коллайдера определяется количеством десорбнрованного водорода, подобрать оптимальный способ подготовки и предварительной обработки поверхности вакуумной камеры коллайдера, дающий наименьший выход водорода.

Метод: провести измерения начальных коэффициентов фото1 стимулированной десорбции протоунпов вакуумной камеры коллайдера, подверженным различным процедурам подготовки поверхности, вакуумного отжига, предпрогрева, прогрева на месте. Эксперименты разумно проводить при комнатной температуре, т.к. но данным работы [18] 1)еоц — т]шагт.

2. Поскольку еннхротронное излучение попадает на поверх-

ность, находящуюся в сильном магнитном поле, необходимо исследовать влияние магнитного поля на фотодесорбцшо в вакуумной камере сверхпроводящего суперколлайдера____________ -

Метод: исследовать влияние магнитного поля на покрытых медью 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:

(a) плотность газа и камере превысит 3 • 108 //2/сл3 (ограничение по времени жизни в БЗС);

(б) плотность газа в камере превысит 4 • Ю10 1и/см3 (ограничение по криогенной системе);

(b) 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 еннхротронным излучением протоТршов вакуумной камеры в виде простой трубы и трубы с лайнером коллайдера при температуре 4.2 К.

По мере выполнения этой исследовательской программы, из получаемых нами экспериментальных данных, в результате обсуждений и дискуссий в вакуумной группе ИЯФ, с коллегами из ББС, ЦЕРИ и других научных центров появилось иное, ясное и обоснованное понимание процессов, происходящих в криогенной вакуумной камере пучка под воздействием синхротрош1ого излучения.

В диссертацию вошли результаты работ, выполненных автором по изучению вакуумных проблем сверхпроводящих суперкол-лайдеров:

1. Изучение динамики плотности остаточного газа под воздействием СИ в холодных (4.2 К) вакуумных камерах в. конфигурации простой трубы н трубы с лайнером.

2. Получение экспериментальной зависимости равновесной плот ности газа от плотности молекул газа на поверхности при 4.2 К для Я2.

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

4. Измерение коэффициентов десорбции на прототипах вакуумных камер при комнатной температуре для различных покрытий и методов подготовки.

5. Изучение влияния магнитного поля иа процесс фотодесорбции.

В первой главе диссертации приводится описание стенда для для измерения фотодесорбционных процессов в прототипах- вакуумных камер при комнатной и низких (3-77 К) температурах, разработанного и созданного в Институте Ядерной Физики им. Буд-кера на основе накопителя ВЭПП-2М как источника синхротрон-ного излучения. Подробно описаны каналы вывода СИ и установи для измерения коэффициентов десорбции под воздействием СИ иг

теплых (294 К) и холодных (3-77 К) трубах, а также система автоматизированного сбора информации и управления. Приведено описание крностата для экспериментов с холодными трубами, позволяющего проводить длительные эксперименты при температуре кипения жидкого гелия (или жидкого азота) без отогревов и остановок па дозаливку хладогеита.

В первом разделе второй главы рассматривается реализованный к установке новый метод измерения коэффициента фотодесорбции, использующий проводимость тестируемой вакуумной камеры и измеренные давления в центре и но краям камеры.

Во втором разделе приведены экспериментальные результаты измерении коэффициентов фотодесорбцни 17-ти труб из покрытой медыо нержавеющей стали, нержавеющей стали и чистой бескислородной меди, изготовленных и подготовленных к измерениям по специальным процедурам в и ЦЕРНе, с прогревом на месте и без прогрева, а также приведено обсуждение этих результатов.

Показано, что:

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

• для труб из гальванически покрытой медыо нержавеющей стали выход вЬдорода слабо зависит (уменшается на 3035%) от предварительно проведенных вакуумного отжига при 950°С и прогрева на месте 150°С по сравнению с не^огре-

. тымй трубами. Для нерогретых труб из покрытой медью нержавеющей стали (основного претендента для камеры пучка ББС) измеренные коэффициенты фотодесорбцни составили: т] = 0.03 мол/фот при дозе 101У фот/м; 1] = 0.012 мол/фот при дозе Ю20 фот/лц Г) = 0.0035 мол/фот при дозе 1021 фот/м; т} = 0.001 мол/фот при дозе 1022 фот/м.

Также здесь приведены результаты измерений коэффициентов фотодесорбцин с поверхности труб из покрытой медью нержавеющей стали и бескислородной меди в магнитном поле 500 Гс. Показано, что влияние магнитного поля при угле падения фотонов на поверхность вакуумной камеры 10 мрад незначительно, т.е. при любой набранной фотонной дозе ~ г//[=о из чего можно сделать вывод, что благодаря диффузному рассеянию при таком угле падения фотонами СИ облучается вся внутренняя поверхность камеры пучка, а не узкую полоска на поверхности камеры, как предполагалось ранее. Также отсюда следует другой вывод — о правомерности использования данных фотодесорбцнонных экспериментов, проведенных без магнитного поля, для рассчета вакуумных систем накопителен пучков.

Третья глава посвящена исследованию десорбционных процессов в вакуумных камерах при низких температурах. В первом разделе описывается предложенная нами феноменологическая модель динамической плотности газа в криогенной вакуумной камере под воздействием СИ, вводится понятие вторичной десорбции молекул, ранее десорбнроваиных и крносорбированных на поверхности.

Согласно этой модели плотность газа в криогенной вакуумной камере коллайдера определяется тремя составляющими и в общем случае описывается следующим уравнением:

„ = + + пе.<гю.3и> {1)

+ С + с & и) ' З'Щ + С"

первый член этого уравнения описывает вклад в плотность первичной фотодесорбции молекул,

г) [молекул/ф отои] — коэффициент первичной фотодесорбции (именно этот коэффициент измеряется в теплых фотодесорбцнонных экспериментах) и зависит от критической энергии фотонного спектра Ес '

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

5«, = /1и, • ь/Л — идеальная скорость откачки стенками криогенной вакуумной камеры, где Лш — площадь стенок камеры на единицу длины, у — средняя скорость молекул,

аш — коэффициент прилипания;

С = />• Ай' ЛГ4 • 5/4 — скорость откачки через отверстия в лайнере, где р — вероятность прохождения молекул через отверстие, Ал — площадь отверстия, N4 — число отверстий на единицу длины камеры; Г [фотонов/(м ■ сек)] — поток фотонов на единицу длины камеры;

второй член описывает вклад вторичной фотодесорбцип фнзад-сорбированных на криоиоверхности молекул,

1]' [молекул/ф отон] — коэффициент вторичной фотодесорбцип крносорбнрованных па 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 а;

третий член уравнения (1) — вклад равновесной изотермической плотности газа пе, зависящей от плотности сорбированных на поверхности молекул л.

Второй и третий член уравнения зависят от поверхностного покрытия которое для простой вакуумной камеры определяется выражением:

а для камеры с лайнером:

s

= So + [ (ч-Т-С-п)- dt,

Jt-о

(з;

Также в этом разделе рассмотрении возможности экспериментального определения основных переменных модели, показано, чтс в экспериментах с прототипом вакуумной камеры в виде простой трубы можно определить отношение коэффициента вторичной десорбции к коэффициенту прилипания па поверхности а I экспериментах с лайнером — коэффициента первичной десорбции

Измерению экспериментальной зависимости nt{s) для трубы подготовленной по процедуре, которую предполагалось использо вать для вакуумной камеры SSC, посвящен второй раздел этот главы, приведены результаты измерения адсорбционной изотермы водорода при температуре кипения жидкого гелия 4.2 К при различных потоках напускаемого в камеру газа. Полученное значение поверхностной плотности водорода, соответствующее монослою, равно sm = 3 • 1015 мол/см2. Из данных этого эксперимента были получены константы в уравнении полимолекулярной адсорб ции БЭТ для аналитического описания зависимости ne(s).

Во третьем разделе приводятся результаты измерений динамики плотности газа в прототипе вакуумной камеры пучка SSC i виде простой трубы при температуре кипения жидкого гелия. Бы ли проведены серии экспериментов на двух образцах труб. Длительное облучение каждой трубы производилось в несколько эта пов.

Динамическая плотность II-, быстро возрастает с увеличением интегральной фотонной дозы и благодаря вторичной фотодесорб ции физадсорбированных молекул. Следуя описанной в 1-ом раз деле феноменологической модели эту плотность можно выразит! следующей формулой :

Коэффициент ??' для низкого поверхностного покрытия (меньше монослоя), зависит от поверхностной плотности II■>, получена экспериментальная зависимость:

¡r = i,-f <5>

<7 w ¿>т

Из проведённых экспериментов видно, например, что динамическая плотность II-, в простой трубе становится выше требуемой по проекту SSC плотности после 2 • 10"° фот/м. (Это — всего, приблизительно, 6 часов работы SSC.)

Четвёртый раздел посвящен экспериментам с лайнером. В этом случае поведение динамической плотности водорода качественно другое. При фотонном потоке Г = 1016 фот/(с ■ м) плотность уменьшается с 4 • 108 см"3 в начале эксперимента до 4 • 107 см"3 при дозе 3.5 ■ 10" фот/м. Согласно феноменологической модели плотфность газа в конфигурации с лайнером определяется только коэффициентом первичной десорбции. Десорбнрован-ные сиихротроиным излучением молекулы уходят через отверстия в лайнере и накапливаются на защищенной от СИ поверхности. В этом случае накопление физадсорбироваиных молекул на внутренней поверхности лайнера, не происходит и динамическая плотность определяется следующим образом:

и

Измеренный коэффициент фотодесорбции т) изменялся от 4-Ю-3 молекул/фотон в начале эксперимента (D = Ю20 фот/м) до 4-10~4-г7'10-4 молекул/ф отон в конце (D = 1022 фот/м). И, например для SSC, плотность П2 становится приемлемой по времени жизни протонов после набранной фотонной дозы ~ 1 • 1021 ф от/м.

IIa Рис. 1 показано различие поведения динамической плотности Д2 в вакуумной камере без лайнера и с лайнером в зависимости от интегральной фотонной дозы. Динамическая плотность //2 показана при средней скорости молекул, соответствующей 4.2 К.

w/o liner

\ /

with liner

10

.19

23

10

10'

10'

10'

10'

integrated photon flux, photons/m

Рис. 1: Динамическая плотность подорода, измерена» в центре вакуумной камеры с лайнером и без лайнера.-Плотность приведена для потока 1016 фот/(м ■ сек).

Это — нижняя граница для реальной скорости молекул, следовательно на Рис. 1 показана максимальная величина динамической плотности. Реальная эффективная скорость молекул в этих экспериментах была еще неизвестна, потому что давление в экспериментах измерялось квадрупольными масс-спектрометрами, нахдя-щимися при комнатной температуре. Измеряемой величиной было призведеиие п ■ V, где п — динамическая молекулярная плотность газа и г; эффективная средняя скорость молекул. .

На основе представленной модели в заключительном разделе этой главы произведены оценки динамики плотности газа в зависимости от набраной фотонной дозы для вакуумных камер ЭБС, ЬНС и УНК для обоих случаев — с лайнером и без лайнера.

В четверой главе описан метод прямого измерения плотности остаточного газа в прототипе вакуумной камеры, использующий

перезарядку пропускаемого через криогенную вакуумную камеру протонного пучка на молекулах остаточного газа. Созданная на основе этого метода ус тановка, а также результаты первых экспериментов на этой установке по измерению средней скорости молекул в трубе при температуре 4.2 К под воздействием СИ.

Метод основан на том, что количество нейтралов 11° и отрицательных ионов II", появляющихся в результате захвата протонами Д+ одного или двух электронов : Н+ -f А = Я0 + А+ и Я+ + А = П~ + А++, — пропорционально плотности газа (толщине мншени):

/(Я°) = п.а10-1-/(Я+), (7)

I(ir) = n-a1.1-L-I{ff+), (8)

где п — плотность газа, а — сечение перезарядки, L — длина пути пучка, /( Д+) — ток протонов. Сечения перезарядки Я+ с энергией jE7 — 10 кэВ на молекулах Дэ известны [21] :

(т10{П,)= 1.2-Ю"15 cm- и а,_,(Я2) = 5.0- 10~1в cm2.

Накапало вывода СИ низкой интенсивности SSCI создана установка., провешил измерения динамики плотности остаточного газа в криогенной вакуумной камере под воздействием СИ.

В результате первых экспериментов на этой установке была измерена средняя скорость молекул, десорбнрующих с поверхности при Т = 4.2 К под воздействием СИ. Для этой скорости получена оценка 8 • 104 ± 1.5 • 10л см/сек, что соответствует температуре газа 60 ± 20 К. Это позволяет устранить неопределённость при определении динамической плотности газа в вакуу^мных камерах колландеров с холодными вакуумымн камерами.

В заключении кратко сформулнрованиы основные результаты диссертационной работы, выносимые на защиту.

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

фотонной дозы для вакуумных камер проектируемых накопителей SSC, LHC и УИК с лайнером и без лайнера.

Данная работа проводилась в ГИД РФ «Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН» с 1992 по 1995 годы.

Апробация работы и публикации:

Основные результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались на конференциях: Particle Accelerator Conference РАС-93 (Вашнигтон, США, 17-20 мая 1993г.), 3-я Харьковская Вакуумная Конференция (Украина, 12-14 окт. 1993 г.), 40th National Symposium AVS (Orlando, USA, Nov. 1993) 4th European Particle Accelerator Conference EPAC-94 (Лондон, Великобритания, 27 июня 1 июля 1994г.), Международная Конференция по Использовании Синхротрошгого Излучения СИ-94 (Новосибирск, 11-15 июля 1994 г.), XIV Совещание по Ускорителям Заряженных Частиц (Протвино, 25-27 окт. 1994 г.), International Conference on Vacuum Science & Technology snd SRS Vacuum systems INCOVAST-95 (CAT, Indore Индия, 6-9 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.Л. Осипов, И.Л. Масленников и В. Ч. Турнер. Установка для исследования фотоино-стимулнрованной десорбции на прототипах

■ вакуумных камер. Материалы 3-й Харьковской Вакуумной Конференции, Харьков, Украина, 12-14 окт. 1993. Вопросы атомной науки и техники, сер.: Ядерно-фнзическне исследования (Теория и эксперимент), вып. 1(27), 1994, стр. 30-32.

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

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

[3] I. Maslennikov, W. Turner, V. Anashin, 0. Malyshev,

V. Osipov, V. Nazmov, V. Pindyurin, A. Salimov, C. Foester, C. Lanni. Photodesorption experiments on SSC collider beam tube configurations, Proc. of 1993 IEEE Part. Acc. Conf., Washinton, 1)C, May 17-20, 1993, v. 5, pp. 3876-3878. SSCL-Preprint-378, May 1993.

[4] V. Anashin, A. Evsigneev, 0. Malxjshev, V. Osipov, A. Salimov, I. Maslennikov and W. Turner. Summary of resent photodesorption experiments at VEPP-2M. SSCL-N-825,

June 1993.

[5] V. Anashin, O. Malyshev, V. Osipov, C.L. Foerster,

M.W. Ruckman, M. Strongin, R. Kcrsevan, I.L. Maslennikov and W.C. Turner. Cold beam tube photodesorpton experiments for SSC'L 20 TeV proton collider. 40th National Symposium AVS, Orlando, Nov. 1993.

[6] V.V. Anashin, O.B. Malyshev, V.N. Osipov, l.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-Prcprint-517 Rev.l, Oct. 1993.

[7] 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. Strongin, R. h'ersevan, 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. Teclmol. A 12(4), pp. 1663-1672, Jul/Aug 1994. SSCL-Preprint-533, Nov. 1993.

[8] V. Anashin, O. 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. Dudnikov, A. Evstirjneev, A. Lysenko, O. Malyshcv, V. Osipov, I. Maslennikov and W. Turner. A hydrogen ion beam method of molecular density measurement inside a 4.2K beam tube. Proc. of EPAC-94, London, 27 June-1 July, 1991, v. 3, pp.2509-2511 .

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

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

[11] II.И. Алииовский, В.В. Auauiun, П.М. Бесчастнов, Г.Е. Деревяикип, В.Г. Дудников, А.В. Евстигнеев, А.П. Лысенко, О.Б. Малышев, В.II. Осипов,

И. П. Масленников и В.Ч. Тюрнер. Измерение плотности газ; полным пучком в исследованиях десорбции газа с поверхности криогенной вакуумной камеры под воздействиек еннхроторрпного излучения. XIV Совещание по Ускорителях Заряженных Частиц, Тезисы докладов , ИФВЭ, Протвино, 25-27 ноября 1994, с. 97

[12] N. Alinovsky, V. Anashin, P. Beschaslnov, G. Derevyankin, V. Dudnikov, A. Evsligncev, K. Kidinich, A. Lysetiko and

O. Malyshev, I. Maslennikov and И7. Turner. Ion beams charge exchange vacuum detector for cold lit bo photodesorption experiments. Abstracts of INCOVAST-95, Abstracts, Indorc, 6-9 Feb., 1994, p. 112.

Дополнительная литература, цитируемая в-------------

тексте

13] SSC Central Design Group. Conceptual Design of the Superconducting Super Collider. SSC-R-2020, March (1986).

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

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

16] R. Briggs, И. 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.

17] D. Bintingcr, P. Limon, //. .Josllein and D. Trbjovic. Status of the SSC photodesorption experiment. SSC-102, Dec. 1986.

18] D. Bintinger, P. Limon, 11.A. Rosenberg. Photodesorption from copper-plated stainless sieel at liquid-helitim temperature and at room temperature, J. Vac. Sci. Techno], A 7(1), pp. 59-63, Jan/Fob 1989.

19] Д. Jostlein. Vacuum technology issues for the Superconducting Super Collider. J. Vac. Sci. Technol. A 8(3), pp. 2840-2848, May/Jim 1990.

20] Ю.Ж. Калинин, В.Г. Рогозипский. О влиянии протонного пучка на вакуум в камере сверхроводящего колландера УПК на энергию 3 ТэВ. Препринт ИФВЭ 91-107, Протвино, 1991.

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