Все науки. №4, 2022. Международный научный журнал

Keywords: vacuum technologies, charged particle accelerators, ions, atoms, injection.

Кинетическая энергия пучков испускаемых частиц, определяется по (1).

При расчёте (1), важно также учитывать фактор наличия количества заряда в одной частице, к примеру, если у электрона имеется всего один элементарный заряд, то у альфа-частицы или ядра гелия их 2, а у иона алюминия – 13, данное число умножается на общий заряд, откуда и получается общая кинетическая энергия.

Яркими примерами, подобных ускорителей являются ускорители Ван-де-Граафа, подробное их рассмотрение будет в последующих лекциях. Важно лишь указать, что кинетическая энергия не измеряется в Джоулях, а в специальных единицах – электронвольтах (эВ), которая равна 1,6*10—19 Дж с производными в кэВ, МэВ, ГэВ, ТэВ. На электростатическом ускорителе максимальная энергия, которую можно получить для частиц равна 10 МэВ, при дальнейшем увеличении, наблюдается пробой между электродами, при котором невозможно проводить ускорение.

Компьютеризированная вакуумная установка с возможностью программирования

Рассматривая все виды ускорителей, можно разделить их на 3 большие группы, один из которых, ранее рассмотренные высоковольтные ускорители. Следующий вид ускорителей – резонансные.

В группу резонансных ускорителей заряженных частиц входят линейные и циклические ускорители. Если же останавливаться на линейных, то это ускорители, которые используют различные способы, наряду с увеличением числа электронов на пути ускоряющего пучка, с не критическим напряжением на них, что предотвращает факт пробоя, но позволяет ускорять частицу. Поскольку направление ускорения прямая, это и дало название этой разновидности ускорителей, благодаря чему можно догадываться о форме циклических ускорителей.

Классическая вакуумная установка

Циклические ускорители имеют много разновидностей, но с целью уменьшения масштабов самого устройства в одних разновидностях ускоряют пучки частиц при их движении по спирали из одной точки в двумерной плоскости, всё приближая к выходу из ускорителя. А при автофазировке или удержании на одной круговой траектории, не позволяя частице увеличивать её радиус и лишь в конце выводя из этого круга, выводящими электромагнитами.

Но циклические ускорители также должны увеличиваться свои размеры, поскольку удержать частицы с критическими энергиями и поворачивать их под нужным углом крайне сложный процесс, с которым справляются лишь редкие магниты. К примеру, самый мощный магнит на момент 1981 года имел вектор магнитной индукции в 10 Тл, а сегодня целый 32 Тл и даже при такой результате диаметр БАК почти 8,5 км, с общей длиной 26,7 км.

Конструкции же как этих циклических ускорителей, первый которых именуется циклотроном, а второй синхротроном также будут подробно рассмотрены в последующих лекциях, но важно одно, что ни линейный ускоритель, ни циклотрон и ни синхротрон, не могут функционировать без наличия вакуума. Ни в одном из них частицы не смогут ускоряться, поскольку будут слишком быстро поглощаться окружающей средой, или просто будут приводить к ионизации внешних газов.

Перед переходом к подробному изучению этого вакуумного вопроса, остановимся и на третьем виде ускорителей – индукционном. Этот вид ускорителей является смесью линейных и циклических ускорителей, а как известно, при соединении двух видов движения на двумерной плоскости, в трёхмерном получается нечто изящное, а именно трёхмерная спираль, по которой и передвигаются частицы под действием различных вектором магнитного поля.

Современный вид вакуумной установки

Такой вид ускорителей действительно редкий и применяется крайне мало, хотя является одним из основных при проведении термоядерных реакции и работе с плазмой, ионами. Но и этот ускоритель не может обойтись без вакуума. Ровно также как при действии любого ускорителя заряженных частиц, будь это по своей разновидности электростатический, резонансный или индукционный ускоритель, возникает радиация или ионизующее излучение.

Сами по себе частицы невозможно удержать полностью на определённой траектории из-за того, что невозможно создать идеальное магнитное поле, благодаря наличию ряда факторов, этот вопрос также будет рассмотрен в дальнейшем, в лекции посвящённой фокусировке частиц в ускорителе, но говоря кратко, частицы всё равно будут покидать пределы, сталкиваться о стенки ускорителя, в основном некоторая часть и приводить к образованию различных видов и потоков частиц, в том числе и не редких гамма-квантов.

Вместе с этим это наблюдается и при проведении ядерных реакций на мишенях, встречных пучках и прочих экспериментах. Наконец же, переходя к вакуумным технологиям, то ясен факт того, что это среда существования элементарных частиц. В обычном состоянии, при комнатной температуре и атмосферном давлении, измеряемое в Паскалях и равное 101 325 Па, частицы поглотятся уже через 6*10—5 мм, то есть это и есть средняя их длина свободного пробега.

Из этого ясно, что давление измеряется в Паскалях (Па) и для ускорителей представляется уже в порядках. Для начала имея такие соотношения, что некоторые производные единицы как 1 мм. рт. ст. или 1 Торр равняется 133 Па, 1 бар равняется 105 Па, можно сказать, что при давлении в 10—4 Па, что получить не сложно при современном оборудовании, длина свободного пробега становиться равной примерно 60 м, что уже не плохо, но для современных ускорителей заряженных частиц, необходимо наличие вакуума порядка 10-8-10-9 Па.

Возникает вполне уместный вопрос о получении такого уровня вакуума, откуда и зарождается современная вакуумная технология. Такое давление достигается поэтапно, с соединением поочерёдно нескольких насосов разного типа, среди которых первым является форвакуумный насос, имеющий две разновидности – адсорбционный или механический.

Как адсорбционный, так и механический довольно просты по своему принципу действия. В первом случае циркулирует адсорбент, это либо активированный уголь, либо цеолит – природный материал на основе соединения кремния и алюминия, которые довольно хорошо и быстро окисляются, вбирая в себя воздух. После поглощения им воздуха он откачивается снова, при помощи обычного насоса и нагревается, уже выводя из себя кислород наружу, а после вновь вступает в этот замкнутый круг, совершая этот оборот сотни раз, при этом сам имя температуру жидкого азота в 77 К. Также при этом он предварительно очищен от наличия любых газов. При этом достигается вакуум первого порядка равный 0,1 Па.

Но более распространён именно механический тип, который также именуется роторным масляным насосом. По своему принципу он гораздо проще и представляет собой ряд из специальных турбин с небольшими щелями между лопастями, а также особым изгибом. Это позволяет с большей силой вбирать воздух и прочие, обычным вращением достигая того же 0,1 Па.

Для достижения следующего же этапа вакуумирования уже необходимо использовать насос следующего класса, это диффузионный или паромасляной насос. В нём содержится ёмкость с соплом на дне которого налито масло, а под ним печь. Достигая кипения, масло вылетает из сопла через тонкие щели с большим напором, поступая в сосуд, соединённый с вакуумной камерой, где и должен быть вакуум. Вылетающие под большим напором пары масла уносят с собой поступающие молекулы воздуха, а из-за образующейся разности давлений туда поступает весь воздух из ускорителя, словно в воронку или щель.

Из-за того, что температура масляного пара с кислородом высока, она быстро конденсируется на так называемой «рубашке», которая регулярно охлаждается циркулирующей водой с внешней стороны, в большей полости диффузионного насоса, откуда стекает по специальному каналу, соединённому уже с форвакуумным насосом. Там масло отделяется от кислорода и вновь поступает в первую полость. Так происходит второй оборот, уносящий воздух.

При этом поглощение кислородом больше, из-за диффузии, благодаря чему этот вид насосов так и называется и может обеспечивать вакуум до 10—5 Па.

Следующим же этапом на пути создания высокого вакуума стоит турбомолекулярный насос, который может обеспечить вакуум в крайне широком диапазоне от 10—1 Па до почти 10—7 Па. Он основан на том, что это обычный ротор с косыми прорезями, между которыми есть неподвижные пропускные диски. При очень быстром вращении – десятки тысяч в минуту, создаётся достаточно сильное давление для всасывания огромного количества воздуха, при этом его преимущество, при решении проблем с подшипниками основан как раз на отсутствии масла.

Очередной вид насоса, а именно сублимационный основан почти на таком же принципе, что и адсорбционный форвакуумный насос, но в данном случае нагревается некое вещество, а именно сорбент или геттер, как его ещё называют, который входя в полость насоса, подключённый к ускорителю, начинает активно поглощать воздух. Существует большое количество среди подобных химических соединений прекрасно поглощающие кислород, но самым лучшим является титан, который испаряется на титановом испаритель или титановом сублимате, который состоит из вольфрамового нагревателя с обмотанной титановой проволокой, который также выводиться, а проволока обычно редко обновляется. Достигаемый вакуум при действии данного насоса варьируется от 10—5 до 10—10 Па.

Одним из самых распространённых и эффективных является магнитно-разрядный насос, который комбинирует два эффекта. По обе стороны этого насоса установлены электромагниты, а перед ними катод и анод. Как только электроны под действием термоэлектронной эмиссии, или точнее получения разности потенциалов между катодом и анодом получают кинетическую энергию покидая катод и направляются к аноду, магнитное поле их закручивает по спирали, что приводит к ионизации кислорода, а ионы уже управляемы и они направляются к катоду. Поскольку катод изготовлен из титана, то при его бомбардировке вылетают ионы катода, которые соединяются с кислородом, подобно принципу сублимационного насоса. Таким образом, достигается вакуум порядка от 10—1 Па, то есть от конечного уровня форвакуумного насоса до 10—8 Па, что уже равно уровню вакуума в ускорителях.

Когда же каждый из существующих насосов, вне некоторых редких или экспериментальных моделей, разобран, необходимо остановиться на таких моментах, как расчёты относительно откачки, описание вакуумных соединений с разъёмами, поскольку число таковых в ускорителях крайне немало, а на следующей лекции мы подробно остановимся на принципах измерения уровня высокого вакуума.

Обычно у любого вакуумного насоса имеются свои параметры, к которым относится и скорость откачки, определяемая по особым характеристикам, но в общем смысле сама скорость откачки определяется по (2).

К примеру, у форвакуумного адсорбционного насоса такой характеристикой является скорость поглощения абсорбентом определённой порции или объёма кислорода, его переход и время для нагрева с очищением от газов и обратного поступления. Таким образом при суммировании, можно получить скорость откачки для абсорбционного форвакуумного насоса.

Для механического форвакуумного насоса этот показатель определяется несколько иначе, но общим является для всех видов вакуумных насосов то, что для измерения скорости откачки, вместо подробных расчётов и детализации, подключить к общему известному объёму, а также измеряя вакуум при помощи манометра и некоторых других измеряющих устройств определить время достижения нужного уровня вакуума. При этом важно отметить, что при первом вакуумировании ускорителя уходит крайне большое количество времени.