Распределенная криосорбционная откачка в холодных вакуумных камерах современных коллайдеров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

На правах рукописи

ДОСТОВАЛОВ Родион Владимирович

РАСПРЕДЕЛЕННАЯ КРИОСОРБЦИОННАЯ ОТКАЧКА В ХОЛОДНЫХ ВАКУУМНЫХ КАМЕРАХ СОВРЕМЕННЫХ КОЛЛАЙДЕРОВ

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НОВОСИБИРСК - 2005

Работа выполнена в Институте ядерной физики имени Г.И.Будкера СО РАН.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

Анашин - кандидат технических наук,

Вадим Васильевич Институт ядерной физики

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

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Волосов - доктор физико-математических наук,

Вадим Иванович профессор, Институт ядерной физики

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

доктор технических наук, профессор, Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова, г. Санкт-Петербург.

Курчатовский центр синхротронного излучения и нанотехнологии РНЦ "Курчатовский институт", г. Москва.

Защита диссертации состоится « >2 ^ » & ¿он*)_2005 г.

в « // 3°у> часов на заседании диссертационного совета Д.ООЗ.016.01 Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН.

Адрес: 630090, Новосибирск-90,

проспект академика Лаврентьева, 11. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯФ

им. Г.И.Будкера СО РАН.

Автореферат разослан: « /3 » Акэ &_2005 г.

Саксаганский Георгий Леонидович

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук

А.А. Иванов

ZooG^i

lb92.1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

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. Но увеличение интенсивности и энергии пучков наряду с усилением магнитного поля приводят к усилению синхротронного излучения (СИ) и усилению десорбции газа со стенок вакуумной камеры, затрудняя получение требуемого вакуума.

Проекты ускорителей нового поколения - адронных коллайдеров ТэВ-ного диапазона энергий, использующих сверхпроводящие магниты, появились в 1977 в России (УНК), в 1986 в США (SSQ и в 1991 в Европейском Центре Ядерных Исследований (CERN) в Швейцарии (LHC) [1, 2, 3]. Другие проекты новых ускорителей с сверхпроводящими магнитами (например, "Proton Driver for Super Neutrino Beam", FNAL, США {4]) разрабатываются в настоящее время. В подобных проектах значительная часть вакуумной камеры проходит внутри криогенной системы сверхпроводящих магнитов. Разумно, чтобы камера была также при низких температурах, используя возможности криооткачки и снижая тепловую нагрузку на криосистему магнитов. Благодаря собственной интенсивной сггкаяке холодную камеру можно делать небольшого диаметра, несмотря на уменьшение проводимости, и тем обеспечить значительное снижение стоимости сверхпровод ящих магнитов. Отжиг камеры перед ее охлаждением не обязателен, что позволяет экономил, на термшеском оборудовании и допстнтелыюминимизиро^

Случай криогенной вакуумной камеры в адронном ускорителе впервые начал изучаться в связи с разработками проектов SSC, УНК и LHC [5, 6, 7 и др.]. При температурах жидкого гелия стенки камеры являются эффективным крионасосом, но адсорбированные на них молекулы никуда не удаляются и могут бьггь вновь десорбированы. Использование в камере активно охлаждаемой газообразным гелием специальной перфорированной вставки - экрана пучка - позволяет снизить тепловую нагрузку на стенки камеры (криогенную систему магнитов), обусловленную энергией СИ, 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. Конструкция экрана должна удовлетворять широкому набору требований на магнитную проницаемость, электрический импеданс, аксептанс канала, технологичность изготовления, механическую прочность и т.д. Оптимальная

юс илцмомлдыма

конструкция экрана разработана в рамках работы над проектом LHC [7]. Коэффициенты десорбции газа и эмиссии электронов для материала экрана LHC - нержавеющей стали покрытой медью - изучались в работах [5,8 и др.].

При низких температурах Н2 - наиболее десорбируемый газ со стенок вакуумной камеры при облучении СИ. При недостаточно низких температурах стенок камеры для откачки Н2 в зазоре между экраном пучка и стенками камеры требуется использование специальных криосорберов, т.' к. уже при 4.2 К сорбционная емкость поверхности камеры для Н2 незначительна, а давление насыщенных паров 3.5-10"7 Topp. Криосорберы могут использоваться в непрогревных вакуумных системах, т. к. восстановление сорбционных свойств (регенерация) у них может происходить при комнатной или более низкой температуре. Наиболее оптимален диапазон температур ниже 20 К, когда давление насыщенных паров всех газов, за исключением низкокипящих Ne, Н2 и Не, ниже 10"n Topp (Не и Ne в камерах ускорителей обычно немного). Нагрев внутренних элементов вакуумной камеры вследствие СИ и других, связанных с пучком частиц, факторов, может влиять на рабочую температуру криосорбера. Так, для SSC, обусловленная СИ тепловая нагрузка оценивалась в 0.25 Вт/м, что определяло рост температуры экрана пучка, на котором размещается криосорбер, с 5 до 20 К [б], для LHC суммарная мощность тепловой нагрузки тоже приведет к росту температуры экрана до 20 К [1]. Таким образом, выбор криосорберов для коллайдеров должен быть ориентирован на рабочие температуры от -10 К до 20 К. Материал криосорбера должен иметь достаточно большую сорбционную емкость и скорость откачки в рабочем диапазоне температур, компактные геометрические размеры, хорошие конструкционные свойства, допускать регенерацию при температурах не выше комнатных, и т.д.

Актуальность представленной в диссертации работы обусловлена существующей востребованностью развития метода криосорбционной откачки для холодных вакуумных камер современных коллайдеров, что отражено в различных предлагаемых проектах коллайдеров нового поколения, в частности, в LHC. На холодных участках вакуумной камеры в Длинных Прямых Секциях LHC температура стенок камеры будет 4.5 К, что приводит к необходимости использования криосорберов для водорода. Большой набор предъявляемых к криосорберу требований и отсутствие достаточного объема данных по кинетике адсорбции водорода при температуре ниже 20 К не позволяли сразу сделать обоснованный выбор наиболее перспективного криосорбера для коллайдера, и требовали дополнительных исследований. Кроме того, при проектировании коллайдера необходимо также знать основные вакуумные параметры для холодной камеры с криосорбером на экране, что тоже требовало проведения дополнительных исследований после выбора перспективных криосорберов. Эти исследования и легли в основу работы, представленной в диссертации.

Цели и задачи данной работы были определены ведущими специалистами в области вакуумной науки и техники ускорителей из CERN и Института Ядерной Физики им. Г.И. Будкера СО РАН (Новосибирск, Россия) 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.

Цель работы.

• 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.

Научная новизна.

• Впервые, в рамках работы над проектом LHC, проведено подробное исследование возможности использования распределенной криосорбционной откачки в холодной вакуумной камере коллайдера.

• Определены требования к распределенной криосорбционной откачке в холодной вакуумной камере коллайдера с экраном пучка для Длинных Прямых Секций LHC. По результатам анализа динамики плотности остаточного газа в такой камере, с учетом факторов газовыделения и откачки (включая электронно-стимулируемую десорбцию газа в условиях электронного мультипактора [7]), на основе известных экспериментальных данных по газовыделению из материала экрана оценена требуемая емкость криосорбера.

• С учетом предъявляемых в коллайдерах требований к криосорберам, проведен поиск и выбор перспективных криосорбционных материалов. В процессе поиска подходящих криосорберов, проведено экспериментальное сравнение сорбционных свойств материалов, специально разработанных для криосорбции водорода в диапазоне от 10 до 20 К и изготовленных по предложенным уникальным технологиям.

• Впервые в качестве криосорбера водорода в холодных вакуумных камерах коллайдеров было предложено и исследовано углеволоконное полотно, изготавливаемое промышленным способом в России в виде тканного и нетканного полотна.

• Разработан и создан экспериментальный стенд для проведения

криосорбционных исследований в конфигурации вакуумной камеры LHC. Рассмотрены разные способы крепления криосорбера в коллайдере.

• Экспериментально изучены особенности процесса адсорбции водорода в криогенной вакуумной камере с экраном пучка. Измерены вакуумные параметры прототипа холодной вакуумной камеры LHC с экраном пучка для Длинных Прямых Секций LHC. Исследования проведены с разными криосорберами в камере при различных способах их размещения в зазоре между экраном пучка и стенками вакуумной камеры.

• Экспериментально изучена динамика давления в криогенной вакуумной камере с экраном пучка с криосорбером при кратковременных осцилляциях температуры экрана, что позволяет предсказать динамику давления остаточного газа в аварийных и переходных режимах работы коллайдера.

• По результатам исследований предложен оптимальный криосорбер и экспериментально доказана возможность его использования для обеспечения распределенной криооткачки остаточного газа на холодных участках вакуумной камеры в Длинных Прямых Секциях LHC.

Практическая значимость работы.

Данная работа является частью вклада РФ в международный проект по строительству адронного суперколлайдера нового поколения LHC в CERN. В CERN, с использованием результатов данной работы, принято решение применить углеволоконную ткань УВИС-АК-Т в качестве криосорбера на холодных участках вакуумной камеры в Длинных Прямых Секциях LHC. Полученные в работе результаты и выводы также являются важными исходными данными для разработок других современных научно-исследовательских физических комплексов.

Автор выносит на защиту следующие результаты проделанной работы:

1. Проанализирована динамика плотности остаточного газа в криогенной вакуумной камере коллайдера с экраном пучка с криосорбером, и оценена требуемая емкость криосорбера для холодной вакуумной камеры в Длинных Прямых Секциях LHC.

2. В рамках поиска эффективного криосорбера для использования в коллайдерах осуществлен выбор и проведено экспериментальное сравнение сорбционных возможностей нескольких наиболее перспективных материалов, в том числе специально разработанных дня криосорбции водорода в диапазоне от 10 до 20 К (анодированный алюминий, пористая медь, формированный активированный уголь с ВТСП). Сделан вывод, что криосорберы на основе углерода (углеволоконное полотно и криосорберы на основе активированного угля) имеют наибольшие криосорбционные емкости по водороду при температурах криосорбера в диапазоне от 10 до 20

К, и перспективны для криооткачки в сверхпроводящих коллайдерах, в том числе в ЬНС, и в других высоковакуумных криогенных установках.

3. Измеренные сорбционные емкости анодированного алюминия и пористой меди недостаточны для использования этих крйосорберов в ЬЙС. Сд'елайы замечания о потенциальных возможностях использования анодированного алюминия и пористой меди для получения вакуума в криогенных вакуумных камерах, а также определены технологические задачи, решение которых позволит изготавливать новые более перспективные криосорберы.

4. В экспериментах на базе прототипа вакуумной камеры ЬНС определены вакуумные параметры (криосорбционная емкость и скорость откачки) криогенной вакуумной камеры с экраном пучка, исследованы особенности адсорбции водорода в такой конфигурации вакуумной камеры. Измерения проведены для выбранных эффективных крйосорберов, (активированный уголь, нетканое и тканное углеволоконное полотно) при различных способах их размещения в зазоре между экраном пучка и стейками камерь1.

5. Изучена динамика давления в криогенной вакуумной камере с криосорбционной откачкой на экране пучка для аварийных и переходных режимов работы коллайдера. Измеренные изменения давления в тест-камере при скачках темпемпературы экрана до 25+30, 40 и 50 К и зависимость давления от времени в процессе установления адсорбционного равновесия характеризует амплитуду и быстроту реакции вакуумной системы в нестандартных режимах работы коллайдера (например, в аварийной ситуации при срыве поля в магнитах, когда для охлаждения магнита и стенок камеры используется одна криогенная система).

6. Для распределенной криосорбционной откачки в холодных вакуумных камерах коллайдеров рекомендовано использование углеволоконного полотна, которое обладает значительно более широким набором конструкционно-технологических возможностей, чем активированный уголь. Также установлено, что для регенерации углеволоконной ткани достаточно кратковременного (<1 часа) подъема температуры криосорбера до температуры жидкого азота.

7. Измерения на радиационную стойкость до дозы 5108 рад показали возможность использования клея на основе эпоксидной смолы БТУСАЗТ 2850 ОТ для крепления криосорбера в коллайдере.

8. Для вакуумной камеры в Длинных Прямых Секциях ЬНС предложено использовать в качестве криосорбера углеволоконную ткань УВИС-АК-Т с обработанными краями.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертационной

работы докладывались на семинаре в Институте ядерной физики им.

Г.И. Будкера СО РАН (Новосибирск, РФ), на семинаре вакуумной группы LHC в CERN (LHC Project Meeting concerning on ciyopumping in the LHC LSS, CERN, Geneva, Switzerland, 11 February 2003), на российских и международных научных конференциях: 8th European Vacuum Congress (Berlin, Germany, 23-26 June 2003), 3rd Asian Particle Accelerator Conference "APAC-2004" (Gyeongju, Korea, 22-26 March 2004), 16-th International Vacuum Congress (Venice, Italy, 28 June - 2 July, 2004), 9-th European Particle Accelerator Conference "EPAC-2004" (Lucerne, Switzerland, 5-9 July 2004), XV российская конференция по ' использованию синхротронного излучения "СИ-2004" (Новосибирск, РФ, 19-23 Июля 2004), XIX Российская Конференция по ускорителям заряженных частиц "RUPAC-2004" (Дубна, РФ, 4 -9 октября 2004) и др., а также содержатся в 1 статьях в 5 реферируемых научных журналах и в препринте CERN. Основные результаты работы представлены в 12 публикациях.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 75 наименований, изложена на 114 страницах машинописного текста, содержит 19 рисунков и 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Для обеспечения высокого вакуума в современных коллайдерах методом распределенной криосорбционной откачки, в Институте Ядерной Физики им. Г.И. Будкера СО РАН в рамках широкомасштабного сотрудничества с вакуумной группой LHC (CERN) проведены исследования дня LHC, основные задачи и методы которых сформулированы во введении:

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 10+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 ЬНС 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 ЬНС и распределенную газовую нагрузку вдоль камеры, которая в ЬНС 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 ЬНС.

Метод: Из исследованных материалов определить оптимальный криосорбер для использования в ЬНС с учетом требований, определенных при анализе динамики плотности остаточных газов в ЬНС. 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 ЬНС с предложенным криосорбером при разных температурах экрана, для чего необходимо предусмотреть в конструкции экспериментального стенда возможность изменения температуры экрана в широком диапазоне.

Для проведения данной работы в ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН были разработаны и созданы специальные экспериментальные установки, на которых проведены соответствующие поставленным задачам научные исследования.

В первой главе диссертации теоретически проанализирована динамика плотности газа в криогенной вакуумной камере коллайдера с экраном пучка и оценена требуемая сорбционная емкость криосорбера для вакуумной камеры в Длинных Прямых Секциях ЬНС. Оценка емкости по водороду сделана с использованием известных экспериментальных данных по газовыделению из материала экрана. При этом учтены особенности введения коллайдера в

эксплуатацию. Так, снижение коэффициентов электронной эмиссии с набором электронной дозы при бомбардировке внутренней поверхности экрана электронами, а десорбции газа - с набором электронной и фотонной доз, позволяет рассчйтъввать на снижение роли мультипактора по мере тренировки экрана и на снижение десорбции. Явление мультипактора зависит от тока в коллайдере и становится возможным для LHC на стадии запуска при токе 1-30% от максимального тока 1о=0.56 А. Наличие этих зависимостей позволяет предусмотреть введение коллайдера в эксплуатацию поэтапно: этап при рабочих токах / ниже критического значения (при котором появляется мультипактор), этап с постепенным повышением / по мере тренировки экрана, полноценный рабочий режим. Для запуска и эксплуатации LHC при размещении 200 см2 криосорбера Йа метр камеры с экраном, требуемая удельная емкость криосорбера должна составлять не менее 5-1017 молекул/см2.

Во второй главе представлено подробное описание экспериментального стенда для проведения криосорбцйонных исследований.

Стенд для исследований в конфигурации вакуумной камеры LHC включает в себя вваренную в криостат вакуумную камеру диаметром 50 мм, внутри которой расположен перфорированный экран. Длина камеры и экрана по 1 м. Температура стенок камеры определяется хладоагентом в криостате (жидкий Не или N2). В зависимости от криосорбера и способа его крепления, конфигурация зазора между камерой и экраном, где размещается криосорбёр, отличается для различных экспериментов. Эти конструктивные особенности дополнительно описаны в Главе 5. Форма экрана в поперечном сечении приведена на Рис. 1-4 (обозначено на рисунках - "экран"), параметры - в Таблице 1. Экран изготовлен в'CERN из нержавеющей стали 316 NL, изнутри покрыт 0.05-мм слоем меди. Продольно экран перфорирован сквозными щелевидными отверстиями, общей площадью 2% от площади внутренней поверхности экрана, расположенными в 8 рядов вдоль экрана симметрично от трубок охлаждения. Экран охлаждается по приваренным к нему трубкам охлаждения газообразным Не. Температура экрана регулируется потоком Не и током электрического нагревателя экрана, а контролируется с помощью калиброванного низкотемпературного сопротивления. Десорбция газа вдоль камеры моделируется равномерной инжекцией газа извне через газораспределительную трубку. Давление в камере измеряется калиброванными высоковакуумными датчиками, размещенными в измерительном патрубке при комнатной температуре. На стенде можно получать потоки газа 1014-Ч017 молек/сек и температуры экрана 10-400 К, что соответствует требованиям к исследованиям для LHC.

Описана модернизация стенда для измерения сорбционных характеристик образцов различных криосорберов, размещавшихся в камере вместо экрана и охлаждаемых газообразным Не. Формы и размеры образцов описаны в Главе 4.

Шевроны с криосорбером

Криосорбер Трубка охлаждения

Вакуумная Трубка охлаждения камера

Рисунок 1. Прототип вакуумной камеры с активированным углем на шевронах.

Криосорбер

Защитный, экран

\

Вакуумная камера

Рисунок 2. Прототип вакуумной камеры со сплошным защитным экраном сугяеволоконным полотном.

Защитный экран

Трубка защИТНЫй Трубка охлаждения

охлаждения

экран

Экран криосорбера

Вакуумная в

камеРа камера Отверстия в защитном экране

Рисунок 3. Прототип вакуумной Рисунок 4. Прототип вакуумной камеры со скобой-насадкой и камеры со скобой-насадкой и нетканым углеволоконным полотном, углеволоконной тканью.

Параметр К ГгооизонтЛ У ГвеотикалЛ.

Вютоенний лиамето экоана 47.2 37.6

Толщина стенок 0.65 0.65

Внешний лиамето экоана 48.5 38.9

Таблица 1. Параметры экрана.

В третьей главе детально описан экспериментальный метод для криосорбционных исследований. Определены методологические особенности измерения криосорбционных характеристик на экспериментальном стенде с учетом факторов, влияющих на кинетику адсорбции и установление давления над поверхностью криосорбера, и с учетом рассмотрения проблемы измерения давления в криогенной камере в присутствии СИ.

Каждый эксперимент проводится в отсутствии внешней откачки вакуумной камеры после предварительной откачки камеры средствами внешней откачки. При постоянных потоках инжектируемого газа (водорода) число адсорбируемых молекул и давление в камере Р [Па], измеряемое датчиками давления при комнатной температуре, измеряются как функция времени. В динамическом режиме, когда инжектируемый газ откачивается криосорбером (в экспериментах с экраном - через отверстия в экране) скорость откачки 5 [м3/с] связана с изменением давления в камере АР относительно фонового давления Рь& в отсутствии потока (все параметры - при одинаковой температуре):

где поток Q [Пам3/с] (б [молекул/с]) определяется посредством измерения перепада давлений при течении газа через элемент с известной проводимостью. Общее количество инжектированного газа к моменту времени tl [с]:

t=О

По росту давления в динамическом режиме, с учетом поведения системы в отсутствии потока, определялась сорбционная емкость при данной температуре.

В четвертой главе детально описан поиск перспективных криосорберов для адсорбции водорода при температурах криосорбера 10^20 К.

Приведен обзор и описан выбор криосорбирующих материалов для коллайдеров и технологий их изготовления. Описаны исследованные образцы выбранных материалов (анодированный алюминий, пористая медь, прессованный активированный уголь с добавлением вещества-связки, и углеволоконное полотно), проведенные с ними эксперименты и результаты экспериментальных исследований динамик изменения удельных скоростей откачек этих образцов при напуске водорода. На Рис. 5 представлено наглядное сравнение скоростей откачки, полученных для различных типов криосорберов (АA3 и Cul- лучшие образцы из анодированного алюминия и пористой меди, CF - углеволоконное полотно, C+SCC - уголь с ВТСП). Скорости откачки (ось ординат) определены по (1) при подстановке измеренных при 293 К параметров с делением на адсорбционную площадь поверхности образца, на оси абсцисс -

AP = P-Pbg=Q/S (1),

количество газа на единицу площади сорбирующей поверхности. Сделан вывод, что углеволоконное полотно и криосорберы на основе активированного угля перспективны для криооткачки в коллайдерах, в т. ч. в LHC, а измеренные емкости анодированного алюминия и пористой меди недостаточны для LHC. Сделаны замечания о перспективах использования этих криосорберов и развития технологий их изготовления.

1.Е-01

^I.E-02

0

2l 1,е-оз

е *

1

t 1.Е-04

Í

т 1.Е-05 1,Е-0в

1.Е+15 1.Е+16 1.Е+17 1.Е+18 1.Е+19 1.Е+20

D, [молекул/см2]

Рисунок 5. Сравнение различных типов криосорберов.

В пятой главе описаны исследованные конфигурации метрового прототипа криогенной вакуумной камеры коллайдера с экраном пучка с криосорберами на основе углерода - активированным углем, тканным и нетканым углеволоконным полотном (Рис. 1-4), назначения элементов конструкции, способы крепления криосорберов, проведенные эксперименты и экспериментальные результаты.

Для каждой конфигурации проведены серии экспериментов с разными температурами стенок камеры Тсь и экрана с криосорбером ТЬ9, постоянными в течение эксперимента. При инжекции водорода измерялась динамика давления в тест-камере, по которой определялись параметры вакуумной системы. На малых инжекционных потоках исследована динамика начального этапа адсорбции, когда адсорбированный газ заполняет поверхность экрана.

Для камеры с углеволоконной тканью проведены дополнительные исследования при ТсЬ=4.2 К. С целью изучения поведения системы в аварийных, переходных и специальных режимах работы коллайдера, после напуска Ю20 молекул в отсутствии инжекции смоделированы короткие по длительности осцилляции температуры экрана Ты, до 25*30, 40 и 50 К, а сопровождающие их

Ж Ж» V «C+SCC, Т»10К • CF.T-17K AAA3.T-10K ЖСи1,Т=12К

* • .'Л Ж ш L---

l "

* *

колебания давления измерены. Для разных Т^ (35, 30, 25, 20 К) при Тсь=4.2 К измерены изостеры после напуска 1.1-1020 и 1.11021 молекул. При дозе 1020 молекул сразу после прекращения инжекции измерена зависимость давления в камере от времени при установлении сорбционного равновесия для ТЬ5=19К.

Экспериментальные результаты для каждой конфигурации представлены сериями графиков динамики давления от количества адсорбированного газа. Для анализа результатов приведены графики рассчитанной по динамике давления условной плотности газа (Т=10 К) в камере и экспериментально определенные параметры системы (скорости откачки и сорбционные емкости) для наиболее перспективных конфигураций. Графики дополнительных исследовайий с углеволоконной тканью приведены в формате зависимостей динамики давления, температуры экрана с криосорбером и плотности газа в камере от времени.

1ЫЗ,

1 Е-04

1E-0S

О.

1-Е-Ов

1 Е-07

: j • 1.1Е20 молекул | а 1.1е21 молекул

А i --------------- •

1 А * ( 1

А •

40

10 20 30

Tta,N

Рисунок 6 Изостеры давления (Тсь~4 2К). AP=Pmes-Pbg , Р,яи - давление в теплой части установки, Pbg- фоновое давление, измеренное до напуска газа.

Определены основные способы крепления криосорбера в коллайдере. Возможность использования двухкомпонентного клея STYCAST 2850 GT на основе эпоксидной смолы со стабилизатором-консерватором CATALYST 9, как универсального способа крепления криосорберов, подтверждена описанными измерениями образцов на радиационную стойкость до дозы 5108 рад (доза облучения в Длинных Прямых Секциях LHC за 10 лет эксплуатации).

Приводится сравнение результатов и определяются преимущества и недостатки каждой из исследованных конфигураций с криосорберами.

Одним из основных результатов является предложение использования углеволоконной ткани, обладающей широким набором конструкционных

свойств, в качестве криосорбера водорода в LHC. В частности, измеренная изостера (Рис. 6) при 1020 адсорбированных молекул показывает, что давление ниже 10"6 Па и плотность ~1015 молекул/м3 достигается при Tbs<28 К, что удовлетворяет требованиям LHC.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы, выносимые на запщгу.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации:

1. V.V. Anashin, R.V. Dostovalov, A.A. Krasnov, I R. Collins, O.B. Malyshev. Vacuum performance of a beam screen with charcoal for the LHC long straight sections. // VACUUM. 2004. V. 72. P. 379-383.

2. V.V Anashin, LR. Coll ins, R.V. Dostovalov, Z.A. Korotaeva, A.A. Krasnov, O.B. Malyshev, V.A. Poluboyarov. Vacuum performance of a carbon fibre cryosorber for the LHC LSS beam screen. // VACUUM. 2004. V. 75. P. 293-299.

3. V.V. Anashin, R.V. Dostovalov, A.A. Krasnov, O.B. Malyshev, A.V. Nas'mov, E.I.Pyata, T.V. Shaftan. The new method for the residual gas density measurements. // Nuclear Instruments & Methods in Physics Research A. 2001. V. 470. P. 258-260.

4. B.B Анашин, P.B. Достовалов, A.A. Краснов, И.Р. Коллинз, О.Б. Малышев. Стенд для криосорбционных исследований в конфигурации вакуумной камеры LHC. // Поверхность: рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2003. № 11. С. 43-47.

5. V. V Anashin, R. V. Dostovalov, A.A. Krasnov, I.R Collins, O.B. Malyshev, A.A. Nikiforov, V.A. Cherepanov, Z.A. Korotaeva, A.E. Lapin, V.A. Poluboyarov Molecular cryosorption properties of porous copper, anodized aluminum and charcoal at temperatures between 10 and 20 K. // VACUUM. 2004. V. 76. P. 23-29.

6. V. V. Anashin, R. V. Dostovalov, A.A. Krasnov. Charcoal and Carbon Fibre as the Proposed Cryosorbers for Application in the LHC LSS Cold Beam Vacuum Chamber. Preprint CERN (Vacuum Technical Note) 03-14, EDMS 400581, CERN, Switzerland, 2003, P. 1-21.

7. V.V. Anashin, R.V. Dostovalov, LRCollins, Z.A. Korotaeva, A.A. Krasnov, O.B Malyshev and V.A. Poluboyarov. Vacuum Performance of a Carbon Fiber Cryosorber for the LHC LSS Beam Screen. 8ft European Vacuum Congress: Book of abstracts, Berlin, 23-26 June 2003.

8. V V. Anashin, R. V. Dostovalov, A.A. Krasnov. The vacuum studies for LHC beam screen with carbon fiber cryosorber. 3rd Asian Particle Accelerator Conference "APAC-2004": Book of abstracts, Gyeongju, Korea, 22-26 March 2004.

9. V. V. Anashin, R. V. Dostovalov, A.A. Krasnov. The LHC beam vacuum chamber prototype with woven carbon fiber cryosorber. 9-th European Particle Accelerator Conference "EPAC-2004": Book of abstracts, Lucerne, Switzerland, 5-9 July 2004.

10. V. V. Anashin, R.V. Dostovalov, A.A. Krasnov. Woven carbon fiber material as the proposed cryosorber for application in the LHC LSS cold beam vacuum chamber. 16-th International Vacuum Congress: Book of abstracts, Venice, Italy, 28 June-2 July, 2004.

11. P. В Достовалов, А.А. Краснов. Криосорбционная откачка газа в сверхпроводящих адрониых коллайдерах. XV российская конференция по использованию синхротронного излучения "СИ-2004": [Аннотации » докладов], Новосибирск, 19-23 Июля 2004.

12. V. V. Anashin, R. V. Dostovalov, A.A. Krasnov. The vacuum studies for LHC beam screen with woven carbon fiber cryosorber. XIX Российская Конференция по ускорителям заряженных частиц "RUPAC-2004": [Аннотации докладов], Дубна, 4 - 9 октября 2004.

Дополнительная литература, цитируемая в тексте

1. The LHC Study Group. The Large Hadron Collider, Conceptual Design. CERN/AC/95-05, CERN, Geneva, Switzerland, 1995.

2. SSC Central Design Group. Conceptual Design of the Superconducting Super Collider. SSC-R-2020, SSCL, Dallas, USA, March 1986.

3. В. И. Бапбеков и dp. Ускорительно-накопительный комплекс ИФВЭ. Доклад на X Международной конференции по ускорителям заряженных частиц. Протвино, июль 1977.

4. W. Chou. Report ICB2E for LRP Proton Driver Sub-Committee. Report ICB2E, FNAL, USA, July 3,2003.

5. О. Б. Малышев. Исследование фотодесорбционных процессов в прототипах « вакуумных камер сверхпроводящих коллайдеров: Диссертация кандидата физико-математических наук: ИЯФ СО РАН, 1995.

6. V. V. Anashin, О.В. Mafyshev, V.N Osipov et al. Investigation of Synchrotron , Radiation-Induced Photodesorption in Ciyosorbing Quasi-Closed Geometry. SSCL-Preprint-517 Rev. 1, SSCL, USA, October 1993.

7. O. Grdbner. Overview of the LHC vacuum system // VACUUM. 2001. V. 60. P. 255-260.

8. V. V. Anashin, I.R. Collins, R. V. Dostovalov et al. Experimental investigations of the electron cloud key parameters. International Workshop on Performance in Improvement of Electron-Positron Collider Particle Factories, Tsukuba, Japan, 21 -24 September 1999.

ДОСТОВАЛОВ Родион Владимирович

Распределенная криосорбционная откачка в холодных вакуумных камерах современных коллайдеров

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физизко-математических наук

Сдано в набор 4.05.2005 г. Подписано к печати 4,05.2005 г. Формат 60x90 1/16 Объем 1,0 печ л, 0,8 уч.-изд.л.

_Тираж 100 эю Бесплатно Заказ №23_

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

1

♦

I

)

■Г

i

I i

IM 0292

РНБ Русский фонд i

2006-4 I 13921

t

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. КРИОСОРБЦИОННАЯ ОТКАЧКА В ВАКУУМНОЙ

КАМЕРЕ КОЛЛАЙДЕРА С ЭКРАНОМ ПУЧКА

1.1. Анализ динамической плотности остаточных газов

1.2. Оценка требуемой емкости криосорбера

ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВОК

2.1. Стенд для криосорбционных исследований в конфигурации вакуумной камеры LHC

2.2. Модернизация стенда для исследования образцов новых криосорбирующих материалов

2.3. Приборы и их калибровка

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ МЕТОД

3.1. Выбор метода проведения экспериментальных исследований

3.2. Количественное определение потока и количества инжектированного газа. Измерение давления в тест-камере

3.3. Измерение проводимости инжекционного канала

3.4. Измерения адсорбционных характеристик

ГЛАВА 4. ПОИСК ПЕРСПЕКТИВНЫХ КРИОСОРБИРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ АДСОРБЦИИ ВОДОРОДА ПРИ ТЕМПЕРАТУРАХ КРИОСОРБЕРА МЕЖДУ 10 И 20 К

4.1. Выбор криосорбирующих материалов для коллайдеров

4.2. Изготовление и описание исследованных образцов криосорбирующих материалов

4.3. Исследования адсорбционных характеристик криосорберов 60 4.4.Экспериментальные результаты измерения свойств криосорберов 62 4.5. Обсуждение результатов

ГЛАВА 5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КРИОСОРБЕРОВ ДЛЯ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ОТКАЧКИ ГАЗОВ В КРИОГЕННЫХ ВАКУУМНЫХ КАМЕРАХ КОЛЛАЙДЕРОВ

5.1. Исследования вакуумных свойств прототипа криогенной вакуумной камеры коллайдера с экраном пучка с криосорберами на основе углерода

5.2. Экспериментальные результаты

5.3. Крепление криосорберов в коллайдере

5.4. Выводы и обсуждение результатов 99 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 102 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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.

5.4. Выводы и обсуждение результатов

Из полученных результатов (особенно из рис. 10 и Табл. 3) видно, что активированный уголь, углеволоконное полотно в конфигурации со сплошным экраном и углеволоконная ткань в конфигурациях со сплошным экраном и со скобой-насадкой показывают сопоставимые скорости откачки конструкции и высокие сорбционные емкости. Активированный уголь обеспечивает наибольшую емкость, что выгодно его отличает от других криосорберов. Однако нетехнологичность крепления угля и осыпание приклеенной крошки угля являются главными недостатками такого решения, что является одновременно преимуществом углеволоконных материалов. Более простая технология крепления нетканого полотна по сравнению с тканью в конфигурации со сплошным экраном делает предпочтительным выбор углеволоконного нетканого полотна для данной конфигурации. В конфи1урации со скобой-насадкой предложенный вариант с углеволоконой тканью обеспечивает высокую скорость откачки и значительную емкость, но при креплении материала необходимо учитывать критичность влияния величины зазора образующегося между криосорбером и экраном.

Важной проблемой для коллайдеров с отрицательно заряженными пучками частиц является угольная пыль - один из недостатков угля. Для углеволоконных материалов основным источником пыли являются места механического нарушения однородной структуры материала, т. е. места разреза. Специальная обработка краев позволяет значительно снизить образование пыли. Размещение криосорбера только в нижнем зазоре между камерой и экраном пучка затруднит проникновение пыли в канал пучка.

Дополнительное преимущество углеволоконных материалов - низкий коэффициент вторичной электронной эмиссии (в 2 раза меньше чем для меди [75]), что может эффективно снижать электронный мультипактор.

Исследование динамики давления в вакуумной камере на начальном этапе адсорбции газа доказывает, что разным температурам экрана соответствуют разные режимы изменения давления, обусловленные различной эффективностью адсорбции водорода на экране. На динамику давления также влияют адсорбирующие при гелиевой температуре стенки вакуумной камеры.

Дополнительные исследования в конфигурации со скобой-насадкой и криосорбером УВИС-АК-Т показывают, что после прекращения инжекции равновесное давление в теплой части установки с начального уровня 2.3-10"4 Па в течение 3 часов достигает уровня порядка 6-10"7 Па, что соответствует для газа с температурой 20 К в холодной вакуумной камере изменению концентрации с 2.2-1017 молекул/м3 до 6-1014 молекул/м3. Это подтверждает предположение, что во время инжекции газ преимущественно сорбируется на поверхности криосорбера и медленно диффундирует вглубь криосорбера, а после прекращения инжекции диффузия газа в криосорбер приводит к постепенному снижению концентрации газа и давления над криосорбером.

Измеренные скачки давления в тест-камере характеризуют амплитуду и быстроту реакции системы на осцилляции температуры в аварийной ситуации (например, при срыве поля в магнитах, когда для охлаждения магнита и стенок камеры используется одна криогенная система). Как видно из Рис. 17 и 18, после нагрева экрана с криосорбером до 50 К давление в камере возвращается к прежнему уровню до возмущения в течение 3 часов. Быстрый (в течение 1.5-^-2 мин) рост температуры экрана до 25-К30 К приводит к скачкам давления от 4-10"5 до 8-1 О*5 Па, что для холодной камеры соответствует изменениям концентрации газа от 3-1016до 7-1016 молекул/м3.

Измеренная изостера при 10 адсорбированных молекул показывает, что

Г If 1 давление ниже

10'° Па и плотность ~10 молекул/м достигается при температурах экрана ниже 28 К. На изостере для 1021 адсорбированных молекул при Tbs=20 К достигнутое давление составляет 3.9-1 О*6 Па, что

1 f «з соответствует 3.6-10 молекул/м для газа при Т=20 К. Реально достигаемые давления и плотность должны быть ниже, т.к. после инжекции на потоке 1017 молекул/с до дозы 10 молекул плотность газа на поверхности криосорбера большая, и для достижения равновесия требуется длительное время.

Последовательные измерения динамики давления для Tbs=21, 25 и 18 К в течение одного эксперимента с УВИС-АК-Т на скобе-насадке, показывают, что для регенерации углеволоконной ткани достаточно кратковременного (<1 часа) подъема температуры криосорбера до температуры жидкого азота.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработка и создание ускорительной техники нового поколения требует проведения дополнительных научных исследований для получения необходимого вакуума в холодных вакуумных камерах. В настоящей диссертации представлена работа по поиску перспективных криосорберов для коллайдеров и исследованию возможностей криосорбционной откачки в вакуумной камере коллайдера с криогенными стенками и экраном пучка, на котором располагается криосорбер. Для проведения этих исследований, в соответствии с поставленными в данной работы задачами, была разработана и создана специальная экспериментальная физическая установка.

На защиту выносятся результаты проведенных исследований, определенных целями настоящей диссертации:

- В рамках поиска эффективного криосорбера для использования в сверхпроводящих коллайдерах и других высоковакуумных криогенных установках осуществлен выбор и проведено экспериментальное сравнение сорбционных возможностей нескольких наиболее перспективных материалов, специально разработанных для криосорбции водорода в диапазоне от 10 до 20 К (анодированный алюминий, пористая медь, формированный активированный уголь с ВТСП).

- Впервые в качестве криосорбера водорода в холодных вакуумных камерах коллайдеров было предложено и исследовано углеволоконное полотно, изготавливаемое промышленным способом в России в виде тканного и нетканного полотна.

- По результатам поиска эффективных криосорберов сделан вывод, что криосорберы на основе углерода (углеволоконное полотно и криосорберы на основе активированного угля) имеют наибольшие криосорбционные емкости по водороду и являются перспективными для криооткачки. Сделаны замечания о потенциальных возможностях использования анодированного алюминия и пористой меди для получения вакуума в криогенных вакуумных камерах, а также определены технологические задачи, решение которых позволит изготавливать новые более перспективные криосорберы.

- Исследованы криосорбционные возможности криогенных вакуумных камер коллайдеров с экраном пучка. В экспериментах на базе прототипа вакуумной камеры LHC определены криосорбционная емкость и скорость откачки криогенной вакуумной камеры с экраном пучка, исследованы особенности адсорбции водорода в такой конфигурации вакуумной камеры.

- Изучена динамика давления в криогенной вакуумной камере с криосорбционной откачкой на экране пучка для аварийных и переходных режимов работы коллайдера.

- Для распределенной криосорбционной откачки в холодных вакуумных камерах коллайдеров рекомендовано использование углеволоконного полотна, которое обладает значительно более широким набором конструкционно-технологических возможностей, чем активированный уголь.

- Измерения на радиационную стойкость до дозы 5-108 рад показали возможность использования клея на основе эпоксидной смолы для крепления криосорбера в коллайдере.

- Для вакуумной камеры в Длинных Прямых Секциях LHC предложено использовать в качестве криосорбера углеволоконную ткань УВИС-АК-Т со специально обработанными краями.

Результаты данной работы используются в разработке сверхпроводящего адронного суперколлайдера нового поколения LHC в CERN.

Автор выражает искреннюю благодарность В. В. Анашину за ценные замечания и советы, сделанные в процессе проведения данной работы и написании диссертации, а также за организацию широкого комплекса совместных научно-исследовательских работ между ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН и CERN, без которой проведение данной работы было бы невозможным. Автор также признателен сотрудникам ИЯФ СО РАН А. А. Краснову и Н. А. Пимонову за полезные дискуссии и технические консультации на различных этапах работы. За помощь в определении целей и задач, а также за совместное обсуждение результатов и обмен информацией при проведении данной работы автор выражает признательность сотруднику ASTeC Daresbury Laboratory (Великобритания) О. Б. Малышеву и коллективу вакуумной группы LHC CERN (Швейцария). За плодотворное сотрудничество по разработке и изготовлению новых образцов-криосорберов, представленных в Главе 4, автор благодарен сотрудникам отраслевых институтов СО РАН З.А. Коротаевой, А.Е. Лапину, А. А. Никифорову, В. А. Полубоярову и В. А. Черепанову.

1. The LHC Study Group. The Large Hadron Collider, Conceptual Design. CERN/AC/95-05, CERN, Geneva, Switzerland, 1995.

2. SSC Central Design Group. Conceptual Design of the Superconducting Super Collider. SSC-R-2020, SSCL, Dallas, USA, March 1986.

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

4. W. Chou. Report ICB2E for LRP Proton Driver Sub-Committee. Report ICB2E, FNAL, USA, July 3, 2003.

5. О. Б. Малышев. Исследование фотодесорбционных процессов в прототипах вакуумных камер сверхпроводящих коллайдеров: Диссертация кандидата физико-математических наук: ИЯФ СО РАН, 1995.

6. V. V. Anashin, R. V. Dostovalov, A.A. Krasnov et al. Gas Desorbtion in LHC Vacuum Chamber under Influence of Synchrotron Radiation. Particle Accelerator Conference "PAC-2001", Chicago, Illinois, USA, June 18-22, 2001.

7. V. V. Anashin, R. V. Dostovalov, A.A. Krasnov et al. Beam screen and liner tests in the cold vacuum chamber for LHC. IUVSTA 15th International Vacuum Congress, AVS, San Francisco, CA, USA, October 29 November 2,2001.

8. V.V.Anashin, R.Calder, O.Grobner et al. Synchrotron radiation induced gasdesorption from a prototype Large Hadron Collider beam screen at cryogenic temperatures // J. Vac. Sci. Technol. A. 1996. V. 14(4). P. 2618-2623.

9. V.V. Anashin, O.B. Malyshev, V.N. Osipov et al. Investigation of Synchrotron Radiation-Induced Photodesorption in Cryosorbing Quasi-Closed Geometry. SSCL-Preprint-517 Rev. 1, SSCL, USA, October 1993.

10. J. Gomez-Goni, O. Grobner, A. G.Mathewson. Exposure of a Cu plated SS chamber to photons. EPA Run 11(23/27-11-92), France, 1992.

11. B.B. Анашин, P.B. Достовалов, A.A. Краснов и dp. Фотодесорбция криосорбированных газов. XIII российская конференция по использованию синхротронного излучения "СИ-2000", Новосибирск, 17-21 Июля 2000.

12. V Baglin. Etude de la photo-desorption de surfaces techniques aux temperatures cryogeniques: Doctoral these, Physique et Technologie des Grands Insruments: Universite Denis Diderot Paris 7 & UFR de Physique, Paris, Mai 1997.

13. Л. H. Розанов. Вакуумная техника. M.: Высшая школа, 1990.

14. Под ред. Г. Л. Саксаганского. Сверхвысокий вакуум в радиационно-физическом аппаратостроении. М.: Атомиздат, 1976.

15. О. Grobner. Overview of the LHC vacuum system // VACUUM. 2001. V. 60. P. 255-260.

16. V.V. Anashin, I.R. Collins, R.V. Dostovalov et al. Magnetic and electric field effects on the photoelectron emission from LHC beam screen material I I VACUUM. 2001. V. 60. P. 255-260.

17. F. Zimmerman. A simulation study of electron-cloud instability and beam-induced multipacting in the LHC. CERN LHC Project Report 95 (1997).

18. O. Grobner. Beam induced multipacting. CERN LHC Project Report 127 CERN, Geneva, Switzerland, 1997.

19. M. A. Furman. The electron-cloud effect in the arc of the LHC. CERN LHC Project Report 180, CERN, Geneva, Switzerland, 1998.

20. G. V. Stupakov. Photoelectrons and Multipacting in the LHC: Electron-Cloud Build-up. CERN LHC Project Report 141, CERN, Geneva, Switzerland, 1997.

21. F. Zimmermann. Electron-Cloud Simulations for the LHC Straight Sections. CERN LHC Project Note 201, CERN, Geneva, Switzerland, 1999.

22. V.Baglin, I. Collins, B. Henrist et al. A summary of main experimental results concerning the secondary electron emission of copper. CERN LHC Project Report 472, CERN, Geneva, Switzerland, 2001.

23. Y. Baconnier, J. Jeanneret, A. Poncet. LHC Beam Aperture and Beam Screen Geometry. MT Division Internal Note, MT/95-11 (ESH), LHC Note 326, CERN, Geneva, Switzerland, June 1995.

24. P. Strubin et al. LHC beam screen review. CERN LHC Project document No.

25. C-VS-EM-0001, CERN, Geneva, Switzerland, December 1999.

26. V. Baglin. Vacuum transient during LHC operation. Proc. Of LHC Project Workshop "Chamonix XIII", p. 275-282, CERN, Geneva, Switzerland, 2004.

27. V. V. Anashin, R. V. Dostovalov, A.A. Krasnov. Charcoal and Carbon Fibre as the Proposed Cryosorbers for Application in the LHC LSS Cold Beam Vacuum Chamber. CERN Vac. Tech. Note 03-14, EDMS 400581, CERN, Switzerland, 2003.

28. R. V. Dostovalov. Carbon fiber material as cryosorber for the LHC LSS beam screen. LHC Project Meeting concerning on cryopumping in the LHC LSS, CERN, Geneva, Switzerland, 11 February 2003.

29. V. V. Anashin, R. V. Dostovalov, A. A. Krasnov, et al. Vacuum performance of a beam screen with charcoal for the LHC long straight sections. // VACUUM. 2004. V. 72. P. 379-383.

30. V. V. Anashin, R. V. Dostovalov, A. A. Krasnov, et al. Vacuum performance of a carbon fibre cryosorber for the LHC LSS beam screen. // VACUUM. 2004. V. 75. P. 293-299.

31. V.V. Anashin, R.V. Dostovalov, A.A. Krasnov et al. The new method for the residual gas density measurements. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research A. 2001. V. 470. P. 258-260.

32. B.B. Анашин, P.B. Достовалов, A.A. Краснов и dp. Стенд для криосорбционных исследований в конфигурации вакуумной камеры LHC. // Поверхность: рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования.2003. № 11. С. 43-47.

33. V. V. Anashin, R. V. Dostovalov, A.A. Krasnov и др. Molecular cryosorption properties of porous copper, anodized aluminum and charcoal at temperatures between 10 and 20 K. // VACUUM. 2004. V. 76. P. 23-29.

34. V.V. Anashin, R.V. Dostovalov, I.R.Collins et al. Vacuum Performance of a Carbon Fiber Cryosorber for the LHC LSS Beam Screen. 8th European Vacuum Congress, Berlin, 23-26 June 2003.

35. V.V. Anashin, R.V. Dostovalov, A.A. Krasnov и др. The vacuum studies for LHC beam screen with carbon fiber cryosorber. 3rd Asian Particle Accelerator Conference "APAC-2004", Gyeongju, Korea, 22-26 March 2004.

36. V.V. Anashin, R.V. Dostovalov, A.A. Krasnov. The LHC beam vacuum chamber prototype with woven carbon fiber cryosorber. 9-th European Particle Accelerator Conference "EPAC-2004", Lucerne, Switzerland, 5 9 July 2004.

37. V.V. Anashin, R.V. Dostovalov, A.A. Krasnov. Woven carbon fiber material as the proposed cryosorber for application in the LHC LSS cold beam vacuum chamber. 16-th International Vacuum Congress, Venice, Italy, 28 June 2 July,2004.

38. P.B. Достовалов, A.A. Краснов. Криосорбционная откачка газа в сверхпроводящих адроииых коллайдерах. XV российская конференция по использованию синхротронного излучения "СИ-2004", Новосибирск, 19-23 Июля 2004.

39. V.V. Anashin, R.V. Dostovalov, A.A. Krasnov. The vacuum studies for LHC beam screen with woven carbon fiber cryosorber. XIX Российская Конференция по ускорителям заряженных частиц "RUPAC-2004", Дубна, 4-9 октября 2004.

40. А. А. Глазков, Г. Л. Саксаганский. Вакуум электрофизических установок и комплексов. М., "Энергоатомиздат", 1985.

41. A. Rossi, N. Hilleret. Residual gas density estimations in the LHC experimental interaction regions. CERN LHC Project Report 674, CERN, Geneva, Switzerland, 2003.

42. I.R. Collins and O.B. Malyshev. Dynamic gas density in the LHC interaction regions 1&5 and 2&8 for optics version 6.3. LHC Project Note 274, CERN, Geneve, Switzerland, December 2001.

43. V. Baglin, C. Grunhagel, B. Jenninger et al. First results from COLDEX applicable to the LHC cryogenic vacuum system. Proc. of European Particle Accelerator Conference "EPAC-2000", p. 2283-2285, Viena, Austria, 2000.

44. A.A. Krasnov, O.B. Malyshev. Applicability of one-dimensional diffusion model in the vacuum system with sorbing walls. 8th European Vacuum Congress, Berlin, 23-26 June 2003.

45. C. Herbeaux, P. Marin, O. Grobner et al. "In situ'Vno "In situ" bake out for future S.R. sources-measurements on a test stainless steel chamber at DCI. LURE RT/97-03, Orsay, France, 14 March 1997.

46. G.Rumolo, F. Zimmermann. E-cloud simulations: build up and related effects.- Proc. of workshop "ECLOUD'02", p. 97 111, CERN, Geneva, 15-18 April 2002.

47. O. Bruning, F. Caspers, N. Hilleret et al. Electron cloud and beam scrubbing in the LHC. Proc. Of 18th Biennial Particle Accelerator Conference РАС '99, p. 2629-31, NY, USA, 29 March 2 April 1999.

48. V. Baglin. Running In Commissioning with beam. Proc. Of Workshop on LHC Performance "Chamonix XII", p. 346-350, Switzerland, March 3-8, 2003.

49. P. Cruikshank, P. Proudlock, R. Saban et al. General parameters for equipment installed in the LHC. CERN EDMS 100513, Geneva, Switzerland, April 1999.

50. V.V. Anashin, А.К Evstigneev, A.P. Lysenko et al Stand for studying photodesorption processes in proton supercollider beam tube prototypes. I I Nuclear Instruments & Methods in Physics Research A. 1995. V. 359. P. 110-113.

51. E. Т. Кучеренко. Справочник по физическим основам вакуумной техники. Киев: Вища школа, 1981.

52. N. Alinovsky, V. Anashin, P. Beschastny et al. A hydrogen ion beam method of molecular density measurement inside a 4.2K beam tube. Proc. of European Particle Accelerator Conference "EPAC-94", v.3, pp. 2509-2511, London, 27 June -1 July, 1994.

53. В.Б. Берестецкий, E.M. Лифшиц, Л.П. Питаевский. Квантовая электродинамика. Курс теоретической физики Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшица, том 4. М.: Наука, 1989.

54. А. И. Пипко, В. Я. Плисковский, Е. А. Пенчко. Конструирование и расчет вакуумных систем. 3-е изд. М.: Энергия, 1979.

55. А. И. Волчкевич. Высоковакуумные адсорбционные насосы. М.: Машиностроение, 1973.

56. С. Дэшман. Научные основы вакуумной техники. М.: Мир, 1964.

57. Е. Wallen. Adsorption Isoterms of H2 and Mixtures of H2, CH4, CO and C02 on Copper plated Stainless Steel at 4.2K. LHC-Project-Report-5, CERN, Geneva, 8 March 1996, 30 p.; // J. Vac. Sci. Technol. A, 1996. V. 14. P. 2916-2929.

58. Тимофеев Д.П. Кинетика адсорбции. M.: изд. АН СССР, 1962, с. 252.

59. М. М. Дубинин. Современное состояние теории объемного заполнения микропористых адсорбентов при адсорбции газов и паров на углеродных адсорбентах. // ЖФХ. 1965. т. XXXIX, № 6. с. 1305-1317.

60. М. М. Дубинин, В. В. Астахов. Развитие представлений об объемном заполнении микропор при адсорбции газов и паров микропористыми адсорбентами. // Известия АН СССР, сер. "Химическая". 1971. № I.e. 5-28.

61. М.Ф. Федорова. Изотермы адсорбции газов на угле БАУ при низких температурах в области давлений 10"9-10"2 мм. рт. ст. // ЖТФ. 1963. т. XXXIII, № 5. с. 585-590.

62. М.Ф. Федорова. Исследование физической адсорбции и ее практические применения. // С. 10-21 в Сб. "Физика и техника сверхвысокого вакуума" под ред. Г. Л. Саксаганского. Л.: Машиностроение. 1968.

63. М.Ф. Федорова, А.Н. Алиев. Изотермы адсорбции газов на силикагеле при низких температурах в области давлений 10-8-10"2 мм. рт. ст. // ЖФХ. 1964. т. XXXVIII, № 4. с. 989-992.

64. М. G. Rao, P. Kneisel and J. Susta. Cryosorption pumping of H2 and He with metals and metals oxidqs at 4.3K. 15th International Cryogenic Engeneering Conference, Genova, Italy, 6-10 June 1994; CEBAF Tech. Note 94-036.

65. G. Moulard, B. Jenninger, Y. Saito. Industrial surfaces behaviour to the adsorption and desorption of hydrogen at cryogenic temperature. VACUUM. 2001. V. 60, № 1-2. P. 43-50.

66. G. Moulard. Capacite d'adsorption a basses temperatures du cuivre attaque chimiquement. Vac. Tech. Note 00-14, CERN, Geneve, Suisse, Juielett 2000.

67. E.E. Аверьянов. Справочник по анодированию. М.: Машиностроение, 1988.

68. L. Young. Anodic Oxide Films. University of British Columbia, Vancouver, Canada, 1961.

69. Патент РФ №975068. Планетарная мельница. / Аввакумов Е.Г., Поткин А.Р., Самарин О.И. // Б.И. 1982. № 43.

70. В. А. Полубояров, 3. А. Коротаева, А. Е. Лапин и др. Влияние механических воздействий на прочностные характеристики плазменных металлических покрытий и реакционную способность металлической меди. // Физическая мезомеханика. 2002. т.5, №2. с.97-102.

71. M.G. Rao. Charcoal application in the SSC beam tube. GRUMMAN report for SSC Bore Tube Cryo Pump, SSCL, Dallas, USA, 24-25 May 1993.

72. V. Baglin. Private Communication, CERN, Geneva, Switzerland, 2004.

73. B. Henrist, N. Hilleret. Private Communication, CERN, Geneva, Switzerland, 2003.