Ускорители частиц и имитаторы условий космического пространства. Ускорители частиц, и в первую очередь кольцевые накопители, где частицы циркулируют в течение многих часов, представляют собой наиболее сложные, с точки зрения вакуумной техники, устройства. Для достижения больших времен жизни необходимо, чтобы потери частиц в результате их взаимодействия с молекулами остаточного газа были минимальными, что требует создания в камере сверхвысокого вакуума. Достижение сверхвысокого вакуума в таких кольцевых каналах, учитывая их большие размеры,— весьма непростая задача.

В качестве примера можно привести электронный накопительный кольцевой канал источника излучения синхротрона, построенного в Дарс-бера (Великобритания). Кольцевой канал накопителя имеет диаметр 30 м; создаваемый электронный циркулирующий ток составляет 0,5 А при энергии 2 ГэВ. Кольцевой канал накопителя состоит из 16 вакуумных камер с дипольными магнитами (рис. 7.8); длина каждой из них около 2,5 м.

Эти камеры соединены между собой прямолинейными вакуумными секциями, каждая из которых содержит по четыре ускоряющих резонатора. Основная откачка осуществляется с помощью ионных и титановых сублимационных насосов. К каждой секции подключен один ионный насос триодного типа с быстротой откачки 0,4 м³с^-1 и сублимационный насос. Кроме того, в каждую секцию встроен распределенный ионный насос дифференциального (катодного) типа, установленный вдоль двухметровой стенки секции. В этом насосе используется краевое магнитное поле, создаваемое дипольными магнитами; быстрота откачки по воздуху составляет 0,3 м³с^-1.

Вначале вакуумные камеры накопителя откачиваются передвижными вакуумными постами, в которые входят два сорбци.онных насоса, активируемых с помощью механического (диафрагменного) насоса. После откачки постом в вакуумной камере достигается разрежение <1 Па. Кроме того, к кольцевому каналу подключены четыре цельнометаллических турбомолекулярных насоса на газовых подшипниках, по одному на каждый квадрант. Конструкции таких насосов позволяют сбрасывать откачанный газ непосредственно в атмосферу без использования ротационного насоса.

Турбомолекулярные насосы позволяют получать более низкое давление по сравнению с одними лишь сорбционными, что облегчает запуск ионных насосов. Кроме того, турбомолекулярные насосы помогают сорбционным справляться с дополнительной газовой нагрузкой, возникающей в процессе эксплуатации ускорителя или при прогреве секций. Давление в кольцевом канале контролируется с помощью ионизационных вакуумметров Байярда — Альперта и компактных квадрупольных масс-спектрометров. Вся система управляется компьютером, способным контролировать все процессы, а также блокировать отказы.

Рис. 7.8. Секция вакуумируемого кольцевого накопителя. 1—очищаемые ионным пучком электроды; 2— поглотитель излучения; 3 — входное окно; 4 — выходное окно; 5 — распределенный ионный насос; 6—интегральный ионный насос

Хотя описанная выше система синхротрона может показаться довольно большой, однако она выглядит не так внушительно по сравнению с новой накопительной кольцевой установкой, которая строится в Западноевропейском центре ядерных исследований (Швейцария). Новый циклотрон, получивший название LEP, будет ускорять и накапливать электроны и позитроны. Его запуск планируется в конце 1980-х гг. Длина накопительного кольца LEP составляет 27 км (около 8 км в диаметре); сечение вакуумпровода имеет размеры 13x7 см. Первоначально планировалось достижение энергии пучка около 60 ГэВ; в настоящее время предполагается увеличить ее до 100 ГэВ с помощью дополнительных радиочастотных ускоряющих резонаторов или сверхпроводящих резонаторов.

Установки по исследованию управляемого термоядерного синтеза также нуждаются в откачивании камер большого объема до давлений, соответствующих сверхвысокому вакууму. На рис. 7.9 представлен внутренний вид рабочей камеры термоядерного реактора JET Калхэмской лаборатории, запущенного в июне 1983 г. Авторы проекта надеются получить температуру до 200 °С; рабочее давление в нем составляет менее 5*10^-8 Па.

Рис. Внутренний вид рабочей камеры термоядерного реактора JET системы «Токамак».

В первых экспериментах ток в водородной плазме малой плотности составлял только 6•1O⁴ А. Позже на дейтериевой и тритиевой плазме был достигнут ток 6•1O⁶ А, необходимый для осуществления управляемой термоядерной реакции. Откачивание трития или другого радиоактивного газа сопряжено с трудностями, связанными с обеспечением необходимой безопасности. Для насосов, в которых откачиваемый газ поглощается и накапливается внутри самого насоса, как, например, в сублимационных, проблема безопасности возникает только после окончания ресурса работы.

Однако для предварительной откачки системы, а также для откачки значительных газовых потоков, например при регенерации крионасосов, необходимы насосы с высокой производительностью: турбомолекулярные, ротационные или механические бустерные. Для того чтобы свести к минимуму попадание в атмосферу трития, насосы должны эксплуатироваться в замкнутом цикле и их выхлоп должен собираться в специальной съемной камере. Однако существует еще одна проблема при откачке радиоактивного трития, связанная с возможностью замещения тритием атомов водорода в органических материалах. В результате этого процесса происходит радиоактивное загрязнение материалов и ухудшение их физических свойств.

Воздействие трития в первую очередь следует ожидать на эластомеры и масла. Несмотря на то что основное количество трития может быть поглощено с помощью сложного геттера, такого как Zr/Al, оставшийся тритий неизбежно будет приво-' дить к загрязнению масел в насосах. Поэтому для откачивания радиоактивных газов в настоящее время выпускаются специально сконструированные насосы, например турбомолекулярные, для которых подобраны специальные материалы и соответствующие масла. В этих насосах предусмотрена возможность дистанционной замены отработанного масла, используемого для смазки подшипников. В механических бустерных насосах существует опасность утечки газа через вакуумные уплотнения подвижных элементов. В работе была описана конструкция насоса, в котором применены уплотнения на основе магнитной жидкости

Вообще говоря, минеральные масла, в особенности те, которые полимеризуются под действием излучения, непригодны для откачивания радиоактивных газов. Полностью фторированные масла менее подвержены действию излучения, и поэтому они, в частности масло Фомблин, рекомендованы для использования. Сказанное применимо и к ротационным насосам.

Все клапаны, затворы, фланцевые соединения и другие элементы установки должны быть цельнометаллическими. Кроме того, должна быть предусмотрена возможность безопасной замены отработанного масла, используемого в качестве смазки.

Большинство ускорителей частиц и установок по исследованию управляемого термоядерного синтеза допускает, до некоторой степени, нагрев с целью обезгаживания. Кроме того, внутренняя поверхность установок такого рода может быть очищена от адсорбированного газа при помощи тлеющего разряда или самого пучка частиц. В случае имитаторов условий космического пространства (диаметром 12 м и более) нагревание камеры практически неосуществимо. Однако для имитации теплового рассеяния, наблюдаемого в космосе, необходимо расположить вокруг проверяемого объекта не отражающие тепло (черные) холодные поверхности.

Поэтому по существу все имитаторы такого типа снабжены подобными поверхностями, охлаждаемыми до температуры жидкого азота. Поскольку основные газы, десорбированные со стенок камеры (нержавеющая сталь), имеют давление паров при 77 К ниже 10~8 Па, необходимость тренировочных прогревов и откачки камеры практически отсутствует. Очевидным решением вопроса выбора высоковакуумного насоса для откачивания таких установок является криопанель, охлаждаемая до температуры жидкого гелия, которая размещается внутри камеры. Такие насосы были рассмотрены ранее.

Расход гелия в насосе этого типа может быть значительным, что экономически невыгодно, поэтому в небольших имитаторах используются криогенераторы. Обычно крионасосы работают совместно с турбомолекулярными или ионными насосами при использовании ротационных для получения предварительного разрежения.

Предполагается, что величина потока газа, возвращающегося к испытуемому космическому объекту от холодных поверхностей испытательной камеры, представляет собой важный фактор при имитации космических условий. Если отражение молекул от холодных поверхностей существенно, то степень достоверности результатов невелика. Поэтому давление в камере должно быть ниже, чем 10^-6 Па. Большинство экспериментов по имитации космических условий по существу некорректны, особенно те из них, в которых проверяются скафандры космонавтов и другие устройства, связанные с жизнедеятельностью человека в космосе. Кроме того, существует особая проблема, связанная с натеканием гелия из гелийкислородной аппарату ры системы жизнеобеспечения, откачивание которого крионасосами затруднено. Можно предположить, что после создания лабораторий в космосе необходимость в Наземных имитаторах отпадет.