Кеменов В.Н., Нестеров С.Б. Вакуумная техника и технология (1065498), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Десорбционные характеристики обеспечиваются комплексной вакуумнотехнологической подготовкой камеры. Сюда входят обезжиривание,полировка, наладка и эксплуатация.Для удаления окисных пленок используется индукционныйразряд в водороде и кольцевой тлеющий разряд последовательно вкриптоне.57Основным средством откачки трех инжекторов быстрых нейтральных атомов, в состав которых входят вакуумная камера объемом25 м3, шлюзовые камеры ионных источников, магнитный сепаратор ипрочее, являются встроенные криопанели с суммарной быстротой действия около 10 м3/с; рабочая температура панелей 3,8 К.Откачка криостата, обеспечивающего вакуумную тепловуюизоляцию сверхпроводящих и криорезистивных обмоток магнитов, иэлементов криогенного оборудования осуществляется модулями набазе турбонасосов с быстротой действия 1,5 м3/с.7.3.
Средства откачки электрофизических установокДля высоко- и сверхвысоковакуумной откачки современныхэлектрофизических установок и комплексов используются промышленные насосы всех типов. Однако приоритет отдается безмаслянымнасосам поверхностного действия − электрофизическим и крионасосам. Это обусловлено, во-первых, резко отрицательным влиянием паров и конденсатов масел на эксплуатационные характеристики и надежность вакуумных систем электрофизических установок и, вовторых, возможностью осуществления практически неограниченнойбыстроты действия.Для сверхвысоковакуумной откачки сильноточных протонныхускорителей разработаны испарительные насосы на основе плазменных электродуговых источников геттерных пленок [2].
Они имеютбыстроту действия до 200 м3/с.Для получения давлений ниже 10-10 Па, требуемых на участкахвстреч пучков в накопителях, разработаны сверхвысоковакуумныекриогенные насосы с быстротой действия 5−10 м3/с (по водороду). Одна из своеобразных модификаций таких средств откачки − линейныйкрионасос, представляющий собой протяженный прямой канал сфланцами на торцах, центральная часть которого охлаждается жидкимгелием при температуре 4,2 К. Подобный насос может обеспечиватьпредельное остаточное давление примерно 10-12 Па.Системы откачки большинства эспериментальных термоядерных установок строятся на основе безмасляных средств откачки промышленных типов. Исключение составляют открытые ловушки и инжекторы быстрых нейтральных атомов, для которых типично применение сверхвысоковакуумных насосов поверхностного действия −крионасосов, испарительных геттерных и на основе нераспыляемыхгеттеров, с быстротой действия до 5⋅103 м3/c.58Для откачки водорода наиболее перспективны конденсационные и криосорбционные насосы и нераспыляемые металлические геттеры.
Криосорбционная откачка изотопов водорода может осуществляться при температурах 10−30К. В качестве криосорбентов используют микропористые адсорбенты - угли, цеолиты, а также слои отвердевших легкоконденсируемых газов.В последние годы успешно применяют нераспыляемые геттеры, которые используются в виде линейных геттерных насосов илиоткачных модулей.
Интерес к нераспыляемым геттерам обусловленвозможностью отказаться от традиционных геттеров, которые имеютвысокую температуру во время откачки.Первые крупномасштабные применения нераспыляемых геттеров в вакуумных системах ускорителей состоялись на Брукхэвенскойлинии транспортировки тяжелых частиц [4] и на большом электроннопозитронном ускорителе в Церне [5].В Брукхэвенской линии длиной 700 м между ускорителемTandem и сильнодействующим синхротроном AG-S были установлены ленточные геттерные насосы очень простой конструкции, удобныев обслуживании и недорогие ($1 на л/с). Нагрев вакуумной камеры игеттера осуществляется резистивным методом.
Давление в линии сначала снижалось с помощью турбомолекулярных насосов до 10-3 Па,затем с помощью ленточных геттерных насосов до 10-8 Па.Применение нераспыляемого геттера совместно с магниторазрядными и титановыми сублимационными насосами позволило улучшить вакуумные характеристики электронно-позитронного накопительного кольца синхротрона Photon Factory в Японии и получить давление 10-9 Па [6].Достаточно широкое применение в электрофизическом аппаратостроении нашли также промышленные компримирующие насосы,прежде всего турбомолекулярные [2].Использование паромасляных диффузионных насосов ограничено циклотронами на легких ионах и некоторыми модификациямиускорителей импульсного действия.
В качестве рабочей жидкости вдиффузионных насосах используется обычно полифениловый эфир,либо другие вещества с пониженной упругостью пара.Применение парортутных насосов лимитируется в основномтоксичностью ртути. В термоядерных установках ртуть как рабочеевещество недопустима, в принципе, из-за очень большого атомногономера.59Все большее распространение для откачки электрофизическихустановок находят турбомолекулярные насосы.
При создании ускорителей турбомолекулярные насосы применяются, главным образом, каксредство предварительной откачки сверхвысоковакуумных ускорительно-накопительных комплексов и столкновителей. Типичная быстрота действия этих насосов не превышает 0,5 м3/с; остаточное давление, достигаемое в камере постами предварительной откачки на базетурбонасосов близко к 10-6 Па. Турбомолекулярные насосы с быстротой действия до 10 м3/с − основное средство откачки экспериментальных установок управляемого термоядерного синтеза. При использовании турбонасосов в термоядерных реакторах возникают трудности,обусловленные, во-первых, малой предельной единичной быстротойдействия 25−30 м3/с, и, во-вторых, взаимодействием смазочных маселподшипников с тритием.7.4.
Вакуумные технологии электрофизического аппаратостроенияСварка занимает особое место среди вакуумных технологий.Протяженность вакуум-плотных сварных швов в крупных ускорителяхи термоядерных комплексах достигает многих сотен и тысяч метров[2], поэтому их надежность оказывает решающее влияние на эксплуатационные характеристики вакуумного тракта. Основной метод устойчивого получения высоконадежных сварных швов в деталях и сборкахвакуумного тракта электрофизического аппаратостроения − электродуговая сварка неплавящимся электродом в защитной среде инертногогаза (аргона или гелия).Гелий применяется при сварке материалов с высокой теплопроводностью (медь, сплавы алюминия), когда необходима большаяудельная мощность дуги.
В качестве электрода обычно используетсявольфрам, легированный лантаном или иттрием.Если катет шва не превышает 1,5 мм, то процесс сварки сводится к оплавлению кромок соединяемых деталей. Сварка оплавлением оптимальна при изготовлении деталей с толщиной стенки от 0,8 до5 мм. Нагрев деталек производится в резистивных либо индукционныхвакуумных печах.Тренировка вакуумных систем − специфический этап технологии вакуумирования электрофизических установок.
Роль тренировкиособенно важна в накопителях и термоядерных установках, где наиболее высока интенсивность корпускулярных и электромагнитных потоков, падающих на стенки. Её назначение - сформировать близкую к60атомарно чистой поверхность камеры, ограничив тем самым поступление в систему газовых потоков десорбционного происхождения. Дляэффективной тренировки вакуумных систем необходимо сочетать традиционные методы физико-химической очистки поверхности, термическое обезгаживание и обработку стенок быстрыми частицами либоэлектромагнитным излучением.Для вакуумных систем электрофизических установок характерно применение разнообразных материалов [2].
Вакуумные камерыпротонных синхротронов и экспериментальных термоядерных установок выполняются обычно из прецизионных немагнитных сплавов свысоким удельным электросопротивлением.В электронных синхротронах используются камеры из металлических сплавов или алюмооксидной керамики. Диафрагмированныеволноводы линейных ускорителей электронов и высокочастотных сепараторов изготовляют из бескислородной меди.Ускорительные трубки высоковольтных ускорителей представляют собой набор диэлектрических колец из высоковольтногофарфора и электродов из нержавеющей стали, алюминия или титана,торцевые стыки которых герметизируются с помощью клеев, пайкиили сварки.Ионно- и электроноприводы, каналы вторичных пучков, камеры экспериментальных стендов выполняются из нержавеющей стали иалюминиевых сплавов.
В вакуумных камерах устанавливают подвижные и стационарные магнитные диполи и линзы, мишени, пробники,отклоняющие электроды, датчики для измерения параметров пучков идругие устройства, в которых используются полимерные материалы,ферриты, керамика, герметики различных типов, теплозащитные илиполупроводящие покрытия и другие материалы и композиции.Алюминий и его сплавы − наиболее подходящие конструкционные материалы для сверхвысоковакуумных систем, работающих вдиапазоне действий 10-8−10-11Па. Чистый алюминий и сплавы алюминия имеют предельно низкую скорость газовыделения, не изменяюткристаллическую структуру при низких температурах, имеют малуюостаточную радиоактивность в радиационной окружающей среде ималый удельный вес.
Благодаря высокой теплопроводности и маломукоэффициенту излучения изделия из алюминия и его сплавов выдерживают высокие тепловые потоки при относительно низкой температуре плавления.В современной сверхвысоковакуумной технике применяютсяалюминиево-магниевые-кремниевые сплавы и алюминиево-магниевый61сплав для стенок камер. Первым применением на практике технологиисверхнизких давлений было сооружение электронного синхротронаTRISTAN. Он был сконструирован полностью из алюминиевых сплавов японской Национальной лабораторией физики высоких энергий,для изготовления профилей синхротрона сложной конфигурации былразработан новый метод экструзии алюминиевых сплавов [7].Экструзия осуществляется в среде, состоящей из 7% О2 и 93%Аr. В процессе обработки на поверхности образуется тонкий (30 Ангстрем), плотный слой окисла. Процесс обработки поверхности из сплавов алюминия в кислородно-аргоновой среде назван ЕХ-процессом.Применяется ЕХ-процесс в сочетании с нагреванием [8].Термическая обработка значительно снижает газовыделение.Если до прогрева скорость газовыделения составляла 10-8⋅Па⋅л⋅с⋅см-2после 10 часов откачки, то после прогрева (150°С, 24 ч) она снижаласьдо 10-11−10-12 Па⋅л⋅с⋅см-2.В Токийском исследовательском институте средств связи недавно разработана эффективная технология полирования до зеркального блеска поверхностей из алюминиевых сплавов, получившая название органо-механохимическое полирование (ОМХП) [9].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
