CC BY
3
УДК 53
Кондратьев А.В.
Институт Ядерной Физики им. Будкера Ведущий инженер, сектор 8-21
ОСОБЕННОСТИ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ КАНАЛОВ СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ (СИ)
Аннотация
В данной статье рассматриваются особенности построения вакуумных систем на ускорительных установках, предназначенных для получения синхротронного излучения. Описаны фольговые и безфольговые виды фронтендов (элемент ускорителя, проводящий синхротронное излучение от ускорительной установки до экспериментальной станции, содержащий множество узкоспециализированных элементов), специфика их эксплуатации в связи с некоторыми особенностями конструкции.
Цель статьи - рассмотреть эффект радиационной десорбции, возникающий в вакуумных системах ускорительных установок, описать его влияние на качество вакуума ускорителя в случае безфольговых каналов синхротронного излучения. В заключении статьи предложен вариант решения возникающих проблем.
Ключевые слова
Синхротронное излучение, высокий вакуум, радиационная десорбция, вакуумные системы, адсорбция газов.
Введение
"Если заряженная частица движется с ускорением, то такое движение сопровождается испусканием электромагнитного излучения. Обычный видимый нами свет, радиоволны и рентгеновское излучение -это разновидности электромагнитного излучения." Такое явление предсказал в начале 20 века немецкий физик А. Шотт.
В 1944 году советские физики Иваненко и Померанчук создали теорию излучения электрона в магнитном поле. Впервые наблюдать свет от электронов удалось на американском синхротроне «Дженерал Электрик» в 1947 году. Отсюда появилось и название этого магнито-тормозного излучения частицы, движущейся с ускорением - синхротронное излучение (СИ). Поначалу этот эффект считался неприятным побочным продуктом в ускорительном процессе, поскольку это излучение уносит немалую часть энергии, которую необходимо компенсировать. Однако впоследствии, после серьезных исследований характеристик СИ, были обнаружены его уникальные свойства как инструмента для научных исследований.
В конце 60-х годов в Новосибирском академгородке в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера были проведены первые исследования с использованием СИ." [1]
Тема вакуума и вакуумных установок для ускорительных систем является достаточно сложной и обширной. Проблемы по получению и поддержанию вакуума при эксплуатации высоковакуумных систем возникают постоянно ввиду уникальности таких установок. Ярким примером являются специализированные источники СИ высокой мощности. Зачастую для исследований требуется получение прямого пучка СИ, без преграды в виде фольги, отделяющей вакуум ускорителя от экспериментального объёма, либо такой разделитель поставить невозможно из-за слишком большой выделяющейся на нём мощности. В таком случае приходится конструировать "безфольговые" каналы СИ, что необходимо учитывать при расчёте вакуумной системы комплекса в целом.
Устройство вакуумной системы каналов синхротронного излучения.
Фольговые и безфольговые системы
"Проблема сооружения вакуумных систем электронных ускорителей в вакуумной камере достаточно низкого давления представляет собой сложную задачу. От решения этой проблемы зависят эксплуатационные характеристики и эффективность работы ускорителя." [2]
"Основным элементов вакуумной системы ускорителя является вакуумная камера.
Материал из которого изготавливается камера должен удовлетворять ряду условий:
1.Обладать достаточной механической прочностью;
2.Обладать хорошими вакуумными свойствами, т.е. быть газонепроницаемыми, и иметь малую сорбционную способность;
З.Стенки камеры не должны искажать магнитное поле в межполюсном пространстве." [3]
Вакуумные системы ускорительных установок являются устройствами достаточно высокого класса в части глубины получаемого вакуума, так как от этого зависят многие важные характеристики работы этих установок. Типичные значения уровня давления в вакуумной камере с электронным пучком составляет порядка 10-10... 10-11Торр. Такие значения давления достаточно трудно достижимы, это требует использования многоступенчатой системы откачки и поддержания вакуума, а также сложной и дорогостоящей технологической подготовки всех элементов вакуумной системы. В обычной ситуации этот набор процедур проходит единожды - при запуске установки, и далее состояние вакуумной камеры необходимо только поддерживать. Вывод синхротронного излучения (СИ) в этом случае производится через специально организованные "окна" из бериллиевой фольги или алмазной заслонки, служащие для отделения вакуума ускорителя от вакуума экспериментального объёма. В таком случае, любые действия в экспериментальном объёме, вплоть до напускания атмосферы, не должны приводить к снижению качества вакуума в ускорителе. Для надёжной защиты вакуума ускорителя в такой системе используется несколько блоков фольг (до 4, иногда и более). Обычно первый блок фольги является теплосъёмным, и не разделяет объёмы по вакууму. Это может быть бериллиевая фольга приваренная диффузионной сваркой к медному блоку охлаждаемому водой. Во избежание образования воздушных "карманов" в этом блоке делается отверстие, объединяющее вакуум до фольги и после неё. Задача этого блока - поглощение части спектра пучка СИ, для снижения уровня нагрева последующих фольг, уже разделяющих вакуум выходных элементов от вакуума ускорителя. Далее ставятся сменные фольги 2 и 3, объём между которыми делается относительно небольшой, и вакуум в нём поддерживается небольшим магниторазрядным насосом. Этого достаточно для поддержания высокого вакуума в этом отрезке вакуумного канала, а по току разряда насоса можно судить об уровне вакуума в этом участке, и о состоянии 3-й фольги. Этот участок необходим как "предохранитель" между основной вакуумной системой каналов, и вакуумом ускорительной установки. В случае если 3-я фольга даст утечку - это сразу станет видно по току разряда насоса, а 2-я фольга защитит вакуумный объём ускорителя. Кроме того, 3-я фольга предохраняет 2-ю фольгу от фотохимических реакций, способных привести к быстрой деградации 2-й фольги под воздействием пучка СИ.
Далее на канале СИ устанавливается различное оборудование - шиберы, коллиматоры, штыревые приёмники излучения, радиационные затворы, и т.д. Затем вакуумный канал продлевается до экспериментальной станции, где заканчивается последней, 4-й фольгой. Эта фольга позволяет поддерживать вакуум в канале СИ (обычно это не очень высокий вакуум, порядка 10-4 Торр), что важно для исключения поглощения мягкой компоненты СИ большим объёмом воздуха на пути в экспериментальную станцию (длина канала может достигать десятков метров), так и для уменьшения рассеивания СИ на остаточном воздухе, что могло бы негативно сказаться на радиационной обстановке в
помещении, в котором проходят каналы СИ.
Для некоторых видов исследований на СИ такой вид построения каналов является неприемлемым. Четыре (иногда и больше) фольги из бериллия толщиной 300...400 микрон каждая дают существенное поглощение мягкой компоненты спектра СИ. В случае с мощными специализированными источниками СИ, как, например, строящийся в данным момент комплекс СКИФ, использование бериллия невозможно из- за большой линейной мощности пучка, и слишком больших потерь тепла в фольгах, что делает невозможным их эффективное охлаждение даже водяной обоймой. В таких случаях используется алмазное окно ввиду гораздо более высокой теплопроводности алмаза, однако потери мягкой компоненты спектра СИ становятся ещё более существенными.
Для работы с мягкой компонентой СИ на ускорительной установке заранее проектируется особый вид фронтендов (вакуумных систем для вывода СИ в экспериментальный объём) - безфольговые. Экспериментальный объём в такой системе отвязан от ускорителя только высоковакуумным шибером. В такой системе также обязательно использование аварийных систем блокировки канала по вакууму, которые быстро и эффективно отсекают фронтенд от ускорителя в случае резкого возрастания давления во фронтенде. Такое построение безфольгового канала позволяет изолировать экспериментальный объём от ускорителя, напустить в него атмосферу, установить образцы, провести другие необходимые манипуляции, и, откачав объём до уровня вакуума соответствующего ускорителю, открыть шибер и произвести необходимые эксперименты.
Адсорбция десорбция в вакуумных системах
"Адсорбцией называют изменение концентрации вещества на границе раздела фаз. Адсорбционное равновесие, т.е. равновесное распределение вещества между пограничным слоем и граничащими фазами, является динамическим и быстро устанавливается.
Частицы, которые находятся на поверхности твёрдого тела, обладают избыточной энергией. За счёт этого молекулы окружающей среды притягиваются к металлу и концентрируются на его поверхности. Этот процесс протекает всегда самопроизвольно и с положительным тепловым эффектом." [4]
Междоузлия кристаллической решётки металлов в приповерхностном слое всегда заполнены молекулами газов из окружающей среды, причём заполнение находится в равновесии со средой - чем больше давление тем больше газов в металле. Соответственно при напускании атмосферы в вакуумный объём поверхности вакуумной системы быстро насыщаются газами и парами воды из напущенного воздуха.
При последующей откачке вакуумного объёма металл отдаёт в окружающую среду накопленные молекулы газов. Этот процесс достаточно медленный, и зависит от многих условий, например от температуры окружающей среды. Наличие свободных заряженных частиц радикально ускоряет десорбцию - газы интенсивно высвобождаются из междоузлий кристаллической решётки вследствие бомбардировки ячеек решётки в его приповерхностном слое такими частицами.
"Необезгаженный металл в начале бомбардировки на каждые 20 свободных электронов отдаёт в окружающую среду в среднем одну молекулу Н2 или С02 - эти молекулы, а также атомы гелия в основном адсорбируются металлами. По концентрации этих частиц принято судить о вакууме при использовании магнетронных манометров с холодным или накалённым катодом - теоретически до 10-14Тор, а практически вплоть до 10-15Тор. Адсорбируются также молекулы Н2, С02 и СН4. Через несколько секунд после начала достаточно интенсивной бомбардировки указанная выше величина 1/20 = 5 -10-2молекул азота или окиси углерода на электрон падает до 10-4. При дальнейшем накоплении электронной дозы (рис. 1 для алюминия) заполнение приповерхностного слоя металла газами постепенно обедняется - при непрерывной работе насосов вакуум улучшается." [5]
иг'
1 10 100 юоо
(мА • ч)/см2
Рисунок 1 - Выход десорбированных молекул Н2, или С02 на один электрон в зависимости от накопленной электронной дозы для алюминия"
Типичной практикой при построении высоковакуумных систем таких как вакуумные камеры ускорителей является нагрев вакуумных элементов помещённых в специальную вакуумную камеру до максимально допустимых температур, для удаления адсорбированных газов из металла. При возможности (если позволяют габариты элементов) части вакуумной системы перед сборкой отжигают в вакуумной печи. Затем систему полностью собирают, делают предварительную откачку до уровня порядка 10-6 Торр (в процессе первичной откачки решаются все возникающие технические моменты с утечками и т.п.), а затем весь вакуумный объём нагревают до допустимо высоких температур (обычно 200300 градусов Цельсия), продолжая откачку высоковакуумными насосами, например магниторазрядными. Нагрев металла значительно ускоряет десорбцию, и позволяет сократить сроки получения высоких уровней вакуума. Подобная процедура может занимать несколько недель.
После достижения необходимого уровня вакуума и запуска ускорительной установки появляется ещё один фактор ускоряющий десорбцию:
"Потоки свободных электронов в накопителе генерируются пучками СИ, падающими на приёмники излучения. Свободные электроны - это фотоэлектроны, электроны внутренней конверсии и комптоновские электроны отдачи. Один фотон с энергией более 10 эВ порождает в приповерхностном слое металла 0.1 4 0.2 свободных электронов: квантовый выход равен 0.1 4 0.2 свободный электрон/фотон. При этом фотоэлектрон может покинуть этот слой, пролететь в вакууме большое расстояние и, попав на любую стенку, вызвать десорбцию. Он также может вызвать десорбцию на поверхности своего рождения, если присутствует достаточно сильное возвращающее магнитное поле. В основном электроны внутренней конверсии и комптоновские электроны отдачи - а также некоторые фотоэлектроны - не вылетают из металла, успев иногда, однако, вызвать десорбцию здесь же: её эффективность приблизительно на порядок меньше, чем в представленном на рисунке 1 случае высвобожденного из металла фотоэлектрона. Высвобождающиеся из металла фотоэлектроны таким же образом дают некоторый вклад в десорбцию здесь же." [5]
Таким образом радиационная десорбция приводит к ухудшению качества вакуума на некоторое время, пока эффект от радиационной десорбции не снизит количество выделяемых металлом молекул газа до приемлемых уровней. Всё это время вакуумный объём ускорителя необходимо продолжать интенсивно откачивать высоковакуумными насосами. Также стоит отметить, что ни на каких этапах построения, запуска и эксплуатации высоковакуумных установок такого класса, недопустимо
использование маслонаполненных насосов, имеющих тенденцию загрязнять откачиваемый объём парами масла. Попадание органических соединений на внутренние поверхности высоковакуумной системы существенно замедлит выход на заданные уровни вакуума, т.к. органика будет выделять множество соединений и в газообразном виде, особенно при нагреве.
Остаточные газы в вакуумной системе ускорителя существенно влияют на время жизни пучка, а значит на эффективность работы системы в целом:
"Выбывание электронов из стационарно циркулирующих в накопителе сгустков обусловлено их параметрами, в том числе значением 1е, определяемых его магнитной структурой и свойствами вакуумной камеры кольца. Вообще время жизни сгустков тем больше, чем меньше величина 1е. Оно уменьшается из-за индивидуальных взаимодействий электронов с атомами остаточного газа в камере: на рис. 2 представлена приблизительная зависимость времени жизни по вакууму от давления в камере.
ЗО5
Секунды
10*
Рисунок 2 - Время жизни электронных сгустков в зависимости от давления по молекулам Н2 и С02"[5]
Стоит отметить, что тормозное излучение электронов сгустков на ядрах и частично на связанных электронах атомов остаточного газа является одним из факторов радиационной опасности. Но главный фактор - это тормозное излучение на стенке камеры, куда они попадают в результате их рассеяния на большие углы на атомах остаточного газа.
Поддержание вакуума в безфольговых каналах и станциях СИ
Важной задачей является получение и поддержание вакуума в безфольговых каналах СИ. Каждый раз при напускании атмосферы в экспериментальный объём и, как следствие, фронтенд, вплоть до последнего вакуумного шибера, поверхности экспериментального объёма и канала будут адсорбировать значительное количество газов, туда будет попадать некоторое количество органических соединений в виде пыли. Дальнейшая работа на экспериментальном объёме будет невозможна вплоть до получения уровня вакуума равного вакууму в камере ускорителя. Однако даже после этого, при появлении в канале пучка СИ, стенки канала начнут интенсивно отдавать адсорбированные молекулы газа, что может снизить уровень вакуума в ускорителе, и, как следствие, уменьшить время жизни пучка.
Снижению уровня адсорбции несколько способствует напускание вакуумного объёма не атмосферным воздухом, а чистым азотом, это снизит попадание воды и органики в объём. также хорошим решением является установка не одного, а двух высоковакуумных шиберов, так как высоковакуумные шиберы - это сложный и ненадежный элемент. Промежуток между шиберами обязательно должен иметь собственный магниторазрядный насос достаточной производительности, который позволит не только контролировать вакуум в этом промежутке (что не отменяет необходимости иметь контролирующий
вакуумметр на этом участке системы), но и снизит поток молекул газа от стенок канала фронтенда в сторону вакуумной камеры ускорителя. В такой системе также обязательно использование аварийных систем блокировки канала по вакууму, которые быстро и эффективно отсекают фронтенд от ускорителя в случае резкого возрастания давления во фронтенде. Список использованной литературы:
1. Проведение синхротронных и нейтронных исследований, Р. Г. Батулин, Н. В. Болтакова, Е. Н. Дулов, Л. Д. Зарипова, Д. Р. Исламов, А. Г. Киямов, С. В. Покровский, И. А. Руднев, К. С. Усачёв, Учебное пособие, Казанский Федеральный Университет, Институт Физики, Казань - 2021
2. Вакуумная система синхротрона на 300 Мэв, А.Г. Власов, В.П. Пономарёв, 1969
3. Вакуумные системы ускорителей электронов, А.Г.Власов, В.П. Пономарёв, М.Т.Шивырталов, П.М. Щанин, 1962
4. Семёнова И.В., Флорианович Г.М., Хорошилов А.В. - "Коррозия и защита от коррозии/Под ред. И.В.Семёновой" - М.Ж ФИЗМАТЛИТ, 2002г
5. Золотарёв К.В., Панченко В.Е., Хрущёв С.В. - "Предварительная проработка фронтендов СИ из сверхпроводящий поворотных магнитов 8,5Тл накопителя 2.2 ГЭВ, ИЯФ 2008-31, 2008г
©Кондратьев А.В., 2023
УДК 53, 52
Сумачев Ю.Н.
Инженер по метрологии ФБУ «Тест-С.-Петербург» Санкт-Петербург, Россия
ГРАВИТАЦИЯ: НЕИССЯКАЕМЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ Аннотация
В статье рассматриваются физическая сущность гравитации, возникновение гравитационных сил и энергии, их распространение и взаимодействие с материальными телами. Подсчитана гравитационная энергия Земли и Солнца.
Ключевые слова
Эфир, гравитация, масса, ускорение, поле.
Abstract
The article discusses the physical essence of gravity, the emergence of gravitational forces and energy, their distribution and interaction with material bodies. The gravitational energy of the Earth and the Sun has been calculated.
Keywords
Ether, gravity, mass, acceleration, field.
В современной науке остаётся неразгаданной проблема притяжения тел друг к другу. И. Ньютон открыл закон всемирного притяжения, но не смог объяснить физическую сущность явления гравитации. А. Эйнштейн нашёл новый подход к проблеме, объясняя это явление при отсутствии окружающей среды гипотетической кривизной пространства-времени. Понятия «пространство-время» и его «кривизна» не
