eng
Выпуск #7-8/2023
В.В.Анашин, Г.А.Гусев, А.А.Жуков, А.А.Краснов, В.С.Кузьминых, П.А.Пиминов, А.М.Семенов
ОПИСАНИЕ ВАКУУМНОЙ СИСТЕМЫ ИСТОЧНИКА СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 4+ ПОКОЛЕНИЯ ЦКП "СКИФ"
ОПИСАНИЕ ВАКУУМНОЙ СИСТЕМЫ ИСТОЧНИКА СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 4+ ПОКОЛЕНИЯ ЦКП "СКИФ"
Просмотры: 527
DOI: 10.22184/1993-8578.2023.16.7-8.462.475
В статье рассмотрены ключевые решения, принятые за основу в проектировании вакуумной системы будущего источника синхротронного излучения ЦКП "СКИФ" (Кольцово, Новосибирская область, Россия). Основное внимание уделяется компромиссному использованию комбинированных сосредоточенных насосов вместе с распределенной откачкой на основе нераспыляемых геттеров (NEG). Дана оценка времени, необходимого для тренировки вакуумной камеры релятивистского пучка накопителя ЦКП "СКИФ". Рассмотрены конструкции основных элементов вакуумной системы.
В статье рассмотрены ключевые решения, принятые за основу в проектировании вакуумной системы будущего источника синхротронного излучения ЦКП "СКИФ" (Кольцово, Новосибирская область, Россия). Основное внимание уделяется компромиссному использованию комбинированных сосредоточенных насосов вместе с распределенной откачкой на основе нераспыляемых геттеров (NEG). Дана оценка времени, необходимого для тренировки вакуумной камеры релятивистского пучка накопителя ЦКП "СКИФ". Рассмотрены конструкции основных элементов вакуумной системы.
Теги: non-evaporable getter storage ring synchrotron radiation source ultra-high vacuum источник си накопитель нераспыляемый геттер сверхвысокий вакуум
Получено: 23.10.2023 г. | Принято: 30.10.2023 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.7-8.462.475
Научная статья
ОПИСАНИЕ ВАКУУМНОЙ СИСТЕМЫ ИСТОЧНИКА СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 4+ ПОКОЛЕНИЯ ЦКП "СКИФ"
В.В.Анашин1, к.т.н., вед. науч. сотр.
Г.А.Гусев1, вед. инж.-констр.
А.А.Жуков1, 3, науч. сотр.
А.А.Краснов1, 2, 3, к.ф.-м.н., зав. лаб., ORCID: 0000-0001-6455-4916 / a.a.krasnov@inp.nsk.su
В.С.Кузьминых1, ст. науч. сотр.
П.А.Пиминов1, 2, 3, к.ф.-м.н., зав. лаб., ORCID: 0000-0002-6479-903X
А.М.Семенов1, 4, к.т.н., доц., ст. науч. сотр., ORCID: 0009-0009-0703-934X
Аннотация. В статье рассмотрены ключевые решения, принятые за основу в проектировании вакуумной системы будущего источника синхротронного излучения ЦКП "СКИФ" (Кольцово, Новосибирская область, Россия). Основное внимание уделяется компромиссному использованию комбинированных сосредоточенных насосов вместе с распределенной откачкой на основе нераспыляемых геттеров (NEG). Дана оценка времени, необходимого для тренировки вакуумной камеры релятивистского пучка накопителя ЦКП "СКИФ". Рассмотрены конструкции основных элементов вакуумной системы.
Ключевые слова: сверхвысокий вакуум, нераспыляемый геттер, накопитель, источник СИ
Для цитирования: В.В. Анашин, Г.А. Гусев, А.А. Жуков, А.А. Краснов, В.С. Кузьминых, П.А. Пименов, А.М. Семенов. Описание вакуумной системы источника синхротронного излучения 4+ поколения ЦКП "СКИФ". НАНОИНДУСТРИЯ. 2023. Т. 16, № 7–8. С. 462–475. https://doi.org/
10.22184/1993-8578.2023.16.7-8.462.475
Received: 23.10.2023 | Accepted: 30.10.2023 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.7-8.462.475
Original paper
DESCRIPTION OF THE 4+ GENERATION SYNCHROTRON RADIATION SOURCE SRF "SKIF" VACUUM SYSTEM
V.V.Anashin1, Cand. of Sci. (Tech), Leading Researcher
G.A.Gusev1, Leading Engineer-designer
A.A.Zhukov1, 3, Researcher
A.A.Krasnov1, 2, 3, Cand. of Sci. (Physics and Mathematics), Head of Laboratory, ORCID: 0000-0001-6455-4916 / a.a.krasnov@inp.nsk.su
V.S.Kuzminykh1, Senior Researcher
P.A.Piminov1, 2, 3, Cand. of Sci. (Physics and Mathematics), Head of Laboratory, ORCID: 0000-0002-6479-903X
A.M.Semenov1, 4, Cand. of Sci. (Tech), Docent, Senior Researcher, ORCID: 0009-0009-0703-934X ORCID: / a.m.semenov@inp.nsk.su
Abstract. The paper considers the key decisions taken as a basis in the vacuum system design of the future synchrotron radiation source SRF "SKIF" (Koltsovo, Novosibirsk region, Russia). The focus is on the trade-off of using combined lumped pumps along with distributed pumping based on non-evaporable getters (NEG). An estimate of the time required for training the vacuum beam pipe of the SKIF storage ring is given. Designs of the main elements for the vacuum system are considered.
Keywords: Ultra-high vacuum, non-evaporable getter, storage ring, Synchrotron Radiation source
For citation: V.V. Anashin, G.A. Gusev, A.A. Zhukov, A.A. Krasnov, V.S. Kuzminykh, P.A. Piminov, A.M. Semenov. Description of the 4+ generation synchrotron radiation source SRF "SKIF". NANOINDUSTRY. 2023. V. 16, no. 7–8. PP. 462–475. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.7-8.462.475.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящие время создается источник синхротронного излучения (СИ) поколения 4+ ЦКП "СКИФ" [1]. В основе лежит циклический накопитель электронов с энергией 3 ГэВ периметром 476 м и ультрамалым эмиттансом пучка 75 пм·рад. Накопитель состоит из 16 суперпериодов с длинными бездисперсионными промежутками (~ 6 м). Три промежутка предполагается использовать для инжекции и ВЧ-систем, а оставшиеся для постановки специализированных генераторов синхротронного излучения (вигглеров или ондуляторов). Кроме того, в каждом суперпериоде организуется 2 канала вывода СИ из поворотных магнитов: один поворотного магнита с малым полем (0,5 Тл) для генерации ультрафиолета и мягкого рентгена, один из с поворотного магнита с большим полем (2 Тл) для жесткого рентгена. В накопителе будут работать 2 ВЧ системы: основная (357 МГц) для компенсации потерь энергий и гармоническая (1071 МГц) для удлинения сгустка. Полный ток 400 мА в 510 сгустков (при полном заполнение сепаратрис с 10% разрывом). Предполагается инжекция на энергии эксперимента, благодаря чему будет поддерживаться постоянный циркулирующий ток пучка. В качестве инжектора будет использоваться 200 МэВ линейный ускоритель и бустерный синхротрон с периметром 150 м, который будет осуществлять ускорение пучка с 200 МэВ до 3 ГэВ. Частота инжекций – 1 Гц. Инжектор вынесен в отдельное здание и связан с накопителем длинным транспортным каналом. Накопитель и большой экспериментальный зал размещаются в одном здании на едином фундаменте. Несколько специализированных станций СИ выносятся в отдельно стоящие здания.
Конструкции магнитооптической системы современных источников синхротронного излучения (СИ) с малым эмиттансом [2] существенно ограничивают доступную апертуру для вакуумных камер пучка. Поэтому распределенные вакуумные насосы на основе нераспыляемых геттеров (NEG), впервые примененные в вставных устройствах источника СИ ESRF [3], приобретают все большую популярность. Например, практически все вакуумные камеры пучка источников СИ MAX-IV [4] и SIRIUS [5] имеют тонкопленочное NEG-покрытие. На практике такая система не нуждается в какой-либо тренировке под излучением. Это означает, что требуемый динамический (в присутствии пучка) сверхвысокий вакуум может быть достигнут сразу после активации NEG [3, 6]. Но сама активация представляет собой процедуру прогрева при 180÷200 °C, для которой требуется демонтаж прецизионных магнитов (решение MAX IV) или пространство для установки нагревателей и теплоизоляции (решение SIRIUS) и большого количества механических компенсаторов с RF-контактами. С другой стороны, разработанные в последние годы компактные комбинированные вакуумные насосы на основе картриджей NEG и магниторазрядных ионно-геттерных насосов [7] дают возможность вернуться к классической системе с сосредоточенными насосами, но размещенными на небольшом расстоянии, около одного метра или даже меньше.
Вакуумная система накопительного кольца СКИФ будет содержать как распределенные насосы, на основе покрытий NEG, так и сосредоточенные комбинированные насосы. Покрытие NEG будет использоваться в прямолинейных промежутках и во вставных устройствах с малоапертурными камерами, работающих при комнатной температуре. Сосредоточенные насосы будут применяться в арках, составляющих 80% периметра накопителя и содержащих множество прецизионных магнитных элементов. Такое решение позволяет исключить процедуру прогрева в арках и, следовательно, минимизировать количество механических компенсаторов – источников высокочастотных геометрических импедансов. Кроме того, применение большого количества ионно-геттерных насосов значительно снижает зависимость предельного вакуума (по сравнению с NEG) от суммарного уровня микротечей, что существенно повышает надежность вакуумной системы в целом.
Предельные параметры накопителя СКИФ во многом будут зависеть от исполнения вакуумных камер пучка. Поэтому особое внимание уделяется подбору материалов для изготовления вакуумных элементов, конструкциям откачных портов и соединительных элементов для минимизации резистивных и геометрических импедансов. Система откачки должна обеспечивать разрежение на уровне Pн = 3,3 · 10-7 Па (в азотном эквиваленте) для достижения "вакуумного" времени жизни пучка не менее 10 ч при номинальном токе Iн = 0,4 А.
ОЦЕНКА ВРЕМЕНИ ТРЕНИРОВКИ ПОД ИЗЛУЧЕНИЕМ
Геттерная пленка трансформирует поверхность вакуумных камер из источника десорбирующихся молекулярных потоков в поглотитель (сорбционный насос) молекул. Поэтому, как уже было отмечено, динамический сверхвысокий вакуум достигается сразу после прогрева (активации NEG) на всех участках с геттерным покрытием (примерно 20% периметра в случае накопителя СКИФ). Таким образом, вопрос оценки времени тренировки внутренней поверхности под действием СИ, необходимого для достижения требуемого динамического уровня разрежения, актуален только для арочных участков СКИФ, где будут применены сосредоточенные комбинированные насосы.
На начальной стадии проектирования невозможно предугадать координаты доступных участков для подключения сосредоточенных насосов. Тем не менее, именно на начальной стадии проекта необходимо с достаточной точностью определить количество и параметры насосов для формулирования задания на проектирование. Очевидно, что эквидистантное расположение одинаковых сосредоточенных насосов является наилучшим первым приближением. Кроме того, применяя диффузионную модель Кнудсена и допуская усреднение распределенного потока молекул со стенок вакуумной камеры, легко получить выражение для среднего квази-равновесного давления:
, (1)
где q [Па·л/м/с] – равномерно распределенная газовая нагрузка (десорбция молекул со стенок камеры), L [м] – расстояние между насосами, S [м3/с] – эффективная быстрота откачки порта с насосом, u [м4/с] – молекулярная проводимость камеры единичной длины, – коэффициент использования насосов (обычно 0,2…0,5), Ps – давление на входе насоса.
Интересно отметить, что варьирование расстоянием между насосами от 0,5 до 1,5 L, при сохранении общего количества насосов, приводит к увеличению среднего давления в 1÷1,6 раза по сравнению со случаем эквидистантного расположения. Эффективность расположения насосов можно учесть, введя соответствующий коэффициент g:
. (2)
В источниках СИ практически вся поверхность вакуумной камеры пучка подвержена воздействию интенсивного потока фотонов с энергиями, значительно превышающими энергию химических связей. Поэтому десорбция под действием СИ значительно превышает термо-десорбцию. Сечение взаимодействия фотонов СИ с молекулами на 2÷3 порядка меньше чем сечение неупругих электрон-молекулярных взаимодействий при энергиях электронов 20÷1000 эВ. Поэтому десорбция газа под действием синхротронного излучения происходит в два этапа: фотоны выбивают с облучаемой поверхности фотоэлектроны (на некоторой глубине от поверхности), которые, в свою очередь, могут привести к десорбции молекул газа с поверхности вакуумной камеры, причем как при вылете с поверхности, так и при попадании на нее. Кроме того, часть фотонов отражается и рассеивается по всей поверхности вакуумной камеры. В результате, даже в лабораторных экспериментах по изучению десорбции под действием СИ, так или иначе, участвует вся поверхность вакуумной камеры [8]. Это значительно затрудняет интерпретацию и сравнение полученных данных. Однако накопленный опыт позволяет выявить интегральные параметры этого сложного явления, необходимые для расчета и проектирования ускорителей.
Основной характеристикой десорбции под действием фотонов является среднее число молекул, десорбированных одним фотоном η [молекул/фотон] – коэффициент фотостимулированной десорбции. Тогда поток молекул со стенок можно записать как:
, (3)
где – поток фотонов [фотон/(м∙с)], К ≈ 2,4 · 1020 [1/(Па · м3)] – количество молекул в кубометре при комнатной температуре и давлении 1 Па.
Как правило, доминирующим десорбирующимся под действием СИ газом является водород. Вторым по интенсивности является поток монооксида углерода (СО), составляющий 20–30% от потока водорода. Но, поскольку сечение рассеяния релятивистских электронов пропорционально квадрату атомного номера, доминирующим оказывается рассеяние на молекулах СО. Далее, для упрощения анализа, учитывается только парциальное давление СО.
Средний поток СИ, облучающий стенки вакуумной камеры накопителя СКИФ составляет 2 · 1018 [фотон/(м∙с)] при номинальном токе электронного пучка 0,4 А и энергии 3 ГэВ. Межполюсное расстояние в магнитных элементах 30 мм. При технологическом зазоре 0,5 мм и толщине стенок вакуумной камеры 1 мм, внутренний диаметр составит 27 мм. Таким образом, молекулярная проводимость по СО камеры единичной длины составит:
. (4)
Прямой расчет показывает, что при среднем расстоянии между насосами 1 м; факторе g = 1,6; коэффициенте к = 0,25 и коэффициенте десорбции 5 · 10–7, среднее давление СО будет на требуемом уровне: ≈ 3 · 10–7 Па.
Известно, что начальные значения фотодесорбции могут быть на уровне 0,005 (для СО), то есть значительно превышать требуемое значение 5 · 10–7. Однако интенсивность стимулированной десорбции уменьшается по мере накопления фотонной дозы по закону [9]:
, (5)
где – начальное значение коэффициента десорбции, Г – фотонная доза [фотон/м], Г1/2 – фотонная доза [фотон/м], при которой коэффициент десорбции уменьшается в два раза от начального значения. При фотонных дозах Г > Г1/2 коэффициент десорбции убывает по степенному закону с показателем степени ε. По многочисленным экспериментальным данным [9–19] показатель степени ε изменяется в пределах 2/3÷1. Причем бόльшим значениям ε соответствуют бόльшие значения . Важно отметить, что при Г > Г1/2 поток десорбированных молекул пропорционален, то есть зависимость от интенсивности фотонного потока оказывается весьма слабой даже при ε = 2/3 (на различных участках, где фотонные потоки отличаются в 8 раз, газовая нагрузка будет отличаться всего в 2 раза). Кроме того, в гладкой камере усреднению фотонного потока значительно способствуют высокие значения коэффициентов отражения фотонов с энергиями < 1 КэВ при малых углах падения. Эти два обстоятельства в полной мере оправдывают принятое в данной статье усреднение потока десорбирующихся молекул со стенок вакуумной камеры, облучаемой прямыми, переотраженными, диффузно-рассеянными фотонами СИ, а также фотоэлектронами.
Анализ многочисленных экспериментальных данных [9–19], а также динамики давления в ВЭПП3 (ИЯФ СО РАН) при накоплении фотонной дозы до 3 · 1025 [фотон/м] [20] позволяет заключить, что при практически наихудшем значении ε = 2/3 требуемая степень тренировки (т.е. = 5 · 10–7) будет достигнута при накоплении фотонной дозы 1 · 1025 [фотон/м]. Для накопления такой дозы в СКИФ требуется не многим меньше двух месяцев непрерывной работы при номинальном токе 0,4 А. Очевидно, что в начале тренировки невозможно работать с номинальным током из-за интенсивной газовой нагрузки (короткого времени жизни). Для расчета реального времени примем, что во время тренировки ток электронного пучка должен быть таким, чтобы радиационный фон, пропорциональный потерям релятивистских частиц за единицу времени, не превышал номинального значения. Потери релятивистских частиц из-за рассеяния на остаточном газе пропорциональны их току и давлению остаточного газа. Соответственно, произведение I · P не должно превышать Iн∙ Pн = 1,3 · 10–7 [А∙Па]. Тогда допустимый ток во время тренировки определяется соотношением: I ∙ P = const = 1,3 · 10–7 [А ∙ Па]. Это соотношение, с учетом: = I · 5 · 1 · 1018 и допущения Г >> Г1/2, позволяет проинтегрировать систему уравнений (1–5) и вычислить время тренировки накопителя СКИФ, необходимое для выхода на номинальный ток 0,4 А:
(6)
В табл.1 приведены исходные данные для вычисления времени тренировки.
Расчет показывает, что время тренировки вакуумной камеры СКИФ составляет около 2,5 месяцев, что является вполне приемлемым. Если допустить более жесткий режим тренировки, а именно: трехкратное превышение радиационного фона из-за потерь частиц на остаточном газе, то время тренировки возможно сократить примерно на 20%. В этом случае тренировка фактически разбивается на два этапа: выход на номинальный ток 0,4 А и давление СО 1 · 10-6 Па (примерно полмесяца) и выход на номинальное давление 3,3 · 10-7 Па при постоянном номинальном токе (примерно полтора месяца). Следует учитывать, что эти оценки получены при наиболее пессимистичном значении показателя степени в выражении (4). Отметим сильную зависимость времени тренировки от диаметра вакуумной камеры и среднего расстояния между насосами. Действительно, при ε = 2/3, и учетом (3), получим:
. (7)
Требование на эффективную быстроту откачки портов с насосами:
(8)
ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВАКУУМНОЙ СИСТЕМЫ НАКОПИТЕЛЯ
Накопитель СКИФ поделен на 16 суперпериодов, каждый из которых состоит из 7-ми гирдеров. Схема суперпериода накопителя показана на рис.1. Среднее расстояние между вакуумными портами с насосами составляет примерно 1 м, общее количество портов – 24 шт.
В порты откачки устанавливаются геттерные насосы в виде картриджей с нагревателями и ионно-геттерные насосы. В целом порт откачки образует комбинированный насос, являющийся модификацией насосов, предлагаемых в [7]. Эффективная скорость откачки порта по CO должна быть не менее 55 л/с при поглощении количества газа, составляющего до 80% от сорбционной емкости геттерного насоса. Сорбционная емкость по СО: не менее 0,1 Па ∙ м3. Начальное значение быстроты откачки геттерного насоса должна составлять не менее 800 л/с по СО. Быстрота откачки ионно-геттерного насоса должна быть не менее 10 л/с по аргону.
Как уже было сказано, особое внимание уделяется подбору материалов для изготовления вакуумных элементов, конструкциям откачных портов и соединительных элементов для минимизации резистивных и геометрических импедансов. Ступеньки и щели во фланцевых соединениях и сильфонных узлах вакуумных камер, вследствие их большого количества, могут быть значительными источниками импедансов. Из этих соображений в качестве фланцевого вакуумного соединения были выбраны фланцы конструкции Matsumoto – Ohtsuka (фланцы МО-типа) [21, 22]. Данное соединение успешно используется на коллайдере SuperKEKB в Японии. Схема фланцевых соединений вакуумных камер SuperKEKB показана на рис.2 [23]. Исходя из схемы, видны основные преимущества данного типа соединений по сравнению с соединениями типа ConFlat: отсутствие щелей и ступенек, высокая проводимость по току между фланцем и уплотнением с внутренней стороны вакуумной камеры.
В качестве материала фланцев может использоваться алюминиевый сплав или нержавеющая сталь, материал уплотнения – медь или алюминиевый сплав. Для датчиков положения пучка возможен вариант применения титана в качестве материала фланцев. В случае необходимости прогрева фланцевого соединения материал крепежа должен быть согласован с материалом фланцев по коэффициенту температурного расширения (КТР). В накопителе СКИФ применяются алюминиевые вакуумные камеры. Фланцы камер выполнены из алюминиевого сплава. Использование фланцев из нержавеющей стали для сварки с камерой потребует применения биметалла: нержавеющая сталь – алюминий, что экономически не выгодно. Крепеж из алюминиевого сплава требует более деликатного обращения (обязательное применение динамометрических ключей при затяжке), чем стандартный крепеж из нержавеющей стали. Поэтому для монтажа вакуумных камер был выбран стандартный крепеж. Но для компенсации разности КТР крепежа и фланцев были введены кольца из титана со стороны фланцев из алюминиевого сплава (см. рис.3).
В этом случае толщина фланца была уменьшена, чтобы с учетом кольца общая толщина значительно не увеличивалась. Применение титановых колец позволяет использовать такие комбинации материалов фланцев, как: алюминий – алюминий, нержавеющая сталь – алюминий, титан – алюминий. Рассчитать оптимальную толщину титанового кольца можно по формуле:
, (9)
где H – толщина и α – КТР соответствующего материала, S.S. – нержавеющая сталь.
На рис.4 показана вакуумная камера со стандартным откачным портом. Фланцы DN63 откачного порта имеют стандарт ConFlat, но выполнены из алюминиевого сплава. Фланцы имеют стандартный нержавеющий крепеж и, компенсирующее КТР, титановое кольцо. Данная вакуумная камера проходит через квадрупольный и секступольный магниты. К откачным портам подключается вакуумное оборудование: насосы, вакуумметры или анализаторы остаточных газов.
Основной профиль вакуумной камеры показан на рис.5. Камера выполнена из алюминиевого профиля, полученного методом экструзии. Камера имеет два канала в горизонтальной плоскости. Один канал используется для водяного охлаждения, второй может быть использован для прокладки нагревающего кабеля. В магнитных элементах основной профиль вакуумной камеры механически дорабатывается в соответствии с геометрией полюсов магнитных линз (см. рис.6, 7).
Между некоторыми магнитными элементами накопителя недостаточно пространства для размещения стандартных откачных портов. Для этих мест разработаны вакуумные камеры с малогабаритными откачными портами. Пример такой камеры показан на рис.8.
Особое внимание уделяется месту стыковки вакуумной камеры с патрубком откачного порта. Вакуумная камера вместе с каналами охлаждения непрерывно проходят сквозь патрубок с сохранением своего профиля. Внутри патрубка в стенках пучковой камеры сделаны отверстия овальной формы под откачку (см. рис.9, 10). Геометрия отверстий должна минимизировать вносимый импеданс.
Для компенсации температурных расширений, неточностей изготовления, возможности монтажа и выставки вакуумных камер применяются сильфонные механические компенсаторы с пониженным волновым сопротивлением. Внешний вид и конструкция компенсатора узла показаны на рис.11. В конструкции применяется полосковый подпружиненный скользящий контакт. Для предотвращения выпадения полосок из рабочих мест применяются ограничители продольного и поперечного хода сильфона. Продольный ход составляет ±5 мм.
Количество механических компенсаторов в суперпериоде ввиду минимизации импеданса строго ограничено и составляет всего 2 штуки. Механические компенсаторы также устанавливаются между суперпериодами. Среднее расстояние между узлами составляет 8 м. В пределах данного расстояния установлено несколько камер с откачными портами и несколько датчиков положения пучка (BPM) между камерами. Откачные порты и BPM монтируются на выставочные опоры, позволяющие произвести точную регулировку поперечного положения установленных на них элементов. После регулировки опоры жестко фиксируется в поперечном направлении, а в продольном имеют свободный ход в пределах ±5 мм. Данная конструкция обеспечивает подвижность в продольном направлении всей собранной вакуумной системы (с откачными портами и BPM) как единой цельной камеры в пределах между двумя механическими компенсаторами. Датчики положения пучка (см. рис.12) изготавливаются из титана. Электроды впаиваются вместе с керамическими изоляторами непосредственно в корпус методом активной пайки твердым припоем.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработана концепция вакуумной системы накопительного синхротрона СКИФ, позволяющая составить техническое задание на проектирование. Доказано, что при среднем расстоянии между сосредоточенными портами откачки 1 м в арках накопителя необходимое время на тренировку вакуумных камер пучка составит не более 2,5 месяца. Созданы модели основных элементов вакуумной системы, включая специализированные фланцевые соединения и диагностические устройства.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Электронный источник: ЦКП "СКИФ" https://srf-skif.ru/
Развитие физики и технологии ускорителей заряженных частиц / Ред.-сост. Б.Ю.Шарков И.Н.Мешков. М.: РАН, 2021.
140 c. ISBN 978-5-907366-27-5
Электронный источник: Kersevan R. Proc. EPAC 2000, Vienna, http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/e00/PAPERS/THP 5B11.pdf.
Электронный источник: Al-Dmour E., Ahlback J., Einfeld D., Tavares P.F. & Grabski M. (2014). J. Synchrotron Rad. 21, 878–883. https://www.webofscience.com/wos/woscc/full-record/WOS:000341687000005?SID=EUW1ED0CAFIsBDbsrKM8FCuL6daMs
Seraphim R.M. et al., Proc. of IPAC2015, p. 2744 (2015).
Collins I.R., Ruzinov V.L., Malyshev O.B., Anashin V.V., Dostovalov R.V., Fedorov N.V., Krasnov A.A. A photodesorption study of a TiZrV coated stainless steel vacuum chamber" EPAC-2002, Paris, France, June 2002, Proc. of EPAC-2002, PP. 2550–2552.
Электронный источник: Официальный сайт фирмы SAES Getters https://www.saesgetters.com/products-functions/products/neg-pumps%26vacuum-solutions
Саксаганский Г.Л. Сверхвысокий вакуум в радиационно-физическом аппаратостроении. М.: Атомиздат, 1976.
Краснов А.А. Исследование и прогнозирование динамической плотности остаточных газов в вакуумных камерах современных ускорительно-накопительных комплексов. Диссертация кандидата физико-математических наук, Новосибирск, 2012.
Malyshev O.B. Vacuum in Particle Accelerators: Modelling, Design and Operation of Beam Vacuum. Wiley VCH, Germany (2019). ISBN-10: 3527343024, ISBN-13: 978-3527343027.
Kobari T., Halama H.J. Photon stimulated desorption from a vacuum chamber at the National Synchrotron Light Source. J. Vac. Sci. Technol. 1987. Vol. 5, Issue 4, PP. 2355–2358.
Ueda S., Matsumoto M., Kobary T., Ikeguchi T., Kobayashi M., Hori Y. Photodesorption from stainless steel, aluminum alloy and oxygen free copper test chamber. Vacuum, 1990. Vol. 41, no. 7–9, рр. 1928–1930.
Honry J.H., Conrad L.F. Comparison of photodesorption yields from aluminum, stainless and Cu-plated beam tubes. Vacuum, 1991. Vol. 42, no. 3, рр. 185–188.
Foerster C.L. et al., J. Vac. Sci. Technol., 1995. A13. P. 581.
Grobner O., Mathewson A.G., Marin P.C. Gas desorption from an OFHC copper vacuum chamber by synchrotron radiation photons. CERN Report: CERN–AT-93-12-VA, 1993.
Gröbner O. et al., J. Vac. Sci. Technol., 1994. A12. P. 846.
Ota N., Kanazawa K., Kobayashi M., Ishimaru H. Outgassing from aluminum surface layer induced by synchrotron radiation. J. Vac. Sci. Technol. 1996. A14(4).
Suetsugu Y., Kanazawa K. Proc. PAC1993, Washington D.C., May 17-20. 1993. P. 3860.
Hsiung Gao-Yu, Cheng Chia-Mu, Valizadeh R. Measurement of the Photon Stimulated Desorption for Various Vacuum Tubes at a Beam Line of TLS, JACoW IPAC2022 (2022) THPOTK037, DOI: 10.18429/JACoW-IPAC2022-THPOTK037
Мишнев С.И. ИЯФ СО РАН. Неопубликованные материалы.
Suetsugu Y., Shirai M., Ohtsuka M. "Application of a Matsumoto-Ohtsuka-type vacuum flange to beam ducts for future accelerators", J. Vac. Sci. Technol. A, 2005. Vol. 23(6), PP. 1721–1727.
Shibata K., Suetsugu Y., Ishibashi T., Kanazawa K., Shirai M., Terui S., Hisamatsu H.
"COMMISSIONING STATUS OF SuperKEKB VACUUM SYSTEM", High Energy Accelerator Research Organization (KEK), 305-0817 Tsukuba, Ibaraki, Japan.
Электронный источник: http://mo-ohtsuka.co.jp/
features_of_moflange.html
Научная статья
ОПИСАНИЕ ВАКУУМНОЙ СИСТЕМЫ ИСТОЧНИКА СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 4+ ПОКОЛЕНИЯ ЦКП "СКИФ"
В.В.Анашин1, к.т.н., вед. науч. сотр.
Г.А.Гусев1, вед. инж.-констр.
А.А.Жуков1, 3, науч. сотр.
А.А.Краснов1, 2, 3, к.ф.-м.н., зав. лаб., ORCID: 0000-0001-6455-4916 / a.a.krasnov@inp.nsk.su
В.С.Кузьминых1, ст. науч. сотр.
П.А.Пиминов1, 2, 3, к.ф.-м.н., зав. лаб., ORCID: 0000-0002-6479-903X
А.М.Семенов1, 4, к.т.н., доц., ст. науч. сотр., ORCID: 0009-0009-0703-934X
Аннотация. В статье рассмотрены ключевые решения, принятые за основу в проектировании вакуумной системы будущего источника синхротронного излучения ЦКП "СКИФ" (Кольцово, Новосибирская область, Россия). Основное внимание уделяется компромиссному использованию комбинированных сосредоточенных насосов вместе с распределенной откачкой на основе нераспыляемых геттеров (NEG). Дана оценка времени, необходимого для тренировки вакуумной камеры релятивистского пучка накопителя ЦКП "СКИФ". Рассмотрены конструкции основных элементов вакуумной системы.
Ключевые слова: сверхвысокий вакуум, нераспыляемый геттер, накопитель, источник СИ
Для цитирования: В.В. Анашин, Г.А. Гусев, А.А. Жуков, А.А. Краснов, В.С. Кузьминых, П.А. Пименов, А.М. Семенов. Описание вакуумной системы источника синхротронного излучения 4+ поколения ЦКП "СКИФ". НАНОИНДУСТРИЯ. 2023. Т. 16, № 7–8. С. 462–475. https://doi.org/
10.22184/1993-8578.2023.16.7-8.462.475
Received: 23.10.2023 | Accepted: 30.10.2023 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.7-8.462.475
Original paper
DESCRIPTION OF THE 4+ GENERATION SYNCHROTRON RADIATION SOURCE SRF "SKIF" VACUUM SYSTEM
V.V.Anashin1, Cand. of Sci. (Tech), Leading Researcher
G.A.Gusev1, Leading Engineer-designer
A.A.Zhukov1, 3, Researcher
A.A.Krasnov1, 2, 3, Cand. of Sci. (Physics and Mathematics), Head of Laboratory, ORCID: 0000-0001-6455-4916 / a.a.krasnov@inp.nsk.su
V.S.Kuzminykh1, Senior Researcher
P.A.Piminov1, 2, 3, Cand. of Sci. (Physics and Mathematics), Head of Laboratory, ORCID: 0000-0002-6479-903X
A.M.Semenov1, 4, Cand. of Sci. (Tech), Docent, Senior Researcher, ORCID: 0009-0009-0703-934X ORCID: / a.m.semenov@inp.nsk.su
Abstract. The paper considers the key decisions taken as a basis in the vacuum system design of the future synchrotron radiation source SRF "SKIF" (Koltsovo, Novosibirsk region, Russia). The focus is on the trade-off of using combined lumped pumps along with distributed pumping based on non-evaporable getters (NEG). An estimate of the time required for training the vacuum beam pipe of the SKIF storage ring is given. Designs of the main elements for the vacuum system are considered.
Keywords: Ultra-high vacuum, non-evaporable getter, storage ring, Synchrotron Radiation source
For citation: V.V. Anashin, G.A. Gusev, A.A. Zhukov, A.A. Krasnov, V.S. Kuzminykh, P.A. Piminov, A.M. Semenov. Description of the 4+ generation synchrotron radiation source SRF "SKIF". NANOINDUSTRY. 2023. V. 16, no. 7–8. PP. 462–475. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.7-8.462.475.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящие время создается источник синхротронного излучения (СИ) поколения 4+ ЦКП "СКИФ" [1]. В основе лежит циклический накопитель электронов с энергией 3 ГэВ периметром 476 м и ультрамалым эмиттансом пучка 75 пм·рад. Накопитель состоит из 16 суперпериодов с длинными бездисперсионными промежутками (~ 6 м). Три промежутка предполагается использовать для инжекции и ВЧ-систем, а оставшиеся для постановки специализированных генераторов синхротронного излучения (вигглеров или ондуляторов). Кроме того, в каждом суперпериоде организуется 2 канала вывода СИ из поворотных магнитов: один поворотного магнита с малым полем (0,5 Тл) для генерации ультрафиолета и мягкого рентгена, один из с поворотного магнита с большим полем (2 Тл) для жесткого рентгена. В накопителе будут работать 2 ВЧ системы: основная (357 МГц) для компенсации потерь энергий и гармоническая (1071 МГц) для удлинения сгустка. Полный ток 400 мА в 510 сгустков (при полном заполнение сепаратрис с 10% разрывом). Предполагается инжекция на энергии эксперимента, благодаря чему будет поддерживаться постоянный циркулирующий ток пучка. В качестве инжектора будет использоваться 200 МэВ линейный ускоритель и бустерный синхротрон с периметром 150 м, который будет осуществлять ускорение пучка с 200 МэВ до 3 ГэВ. Частота инжекций – 1 Гц. Инжектор вынесен в отдельное здание и связан с накопителем длинным транспортным каналом. Накопитель и большой экспериментальный зал размещаются в одном здании на едином фундаменте. Несколько специализированных станций СИ выносятся в отдельно стоящие здания.
Конструкции магнитооптической системы современных источников синхротронного излучения (СИ) с малым эмиттансом [2] существенно ограничивают доступную апертуру для вакуумных камер пучка. Поэтому распределенные вакуумные насосы на основе нераспыляемых геттеров (NEG), впервые примененные в вставных устройствах источника СИ ESRF [3], приобретают все большую популярность. Например, практически все вакуумные камеры пучка источников СИ MAX-IV [4] и SIRIUS [5] имеют тонкопленочное NEG-покрытие. На практике такая система не нуждается в какой-либо тренировке под излучением. Это означает, что требуемый динамический (в присутствии пучка) сверхвысокий вакуум может быть достигнут сразу после активации NEG [3, 6]. Но сама активация представляет собой процедуру прогрева при 180÷200 °C, для которой требуется демонтаж прецизионных магнитов (решение MAX IV) или пространство для установки нагревателей и теплоизоляции (решение SIRIUS) и большого количества механических компенсаторов с RF-контактами. С другой стороны, разработанные в последние годы компактные комбинированные вакуумные насосы на основе картриджей NEG и магниторазрядных ионно-геттерных насосов [7] дают возможность вернуться к классической системе с сосредоточенными насосами, но размещенными на небольшом расстоянии, около одного метра или даже меньше.
Вакуумная система накопительного кольца СКИФ будет содержать как распределенные насосы, на основе покрытий NEG, так и сосредоточенные комбинированные насосы. Покрытие NEG будет использоваться в прямолинейных промежутках и во вставных устройствах с малоапертурными камерами, работающих при комнатной температуре. Сосредоточенные насосы будут применяться в арках, составляющих 80% периметра накопителя и содержащих множество прецизионных магнитных элементов. Такое решение позволяет исключить процедуру прогрева в арках и, следовательно, минимизировать количество механических компенсаторов – источников высокочастотных геометрических импедансов. Кроме того, применение большого количества ионно-геттерных насосов значительно снижает зависимость предельного вакуума (по сравнению с NEG) от суммарного уровня микротечей, что существенно повышает надежность вакуумной системы в целом.
Предельные параметры накопителя СКИФ во многом будут зависеть от исполнения вакуумных камер пучка. Поэтому особое внимание уделяется подбору материалов для изготовления вакуумных элементов, конструкциям откачных портов и соединительных элементов для минимизации резистивных и геометрических импедансов. Система откачки должна обеспечивать разрежение на уровне Pн = 3,3 · 10-7 Па (в азотном эквиваленте) для достижения "вакуумного" времени жизни пучка не менее 10 ч при номинальном токе Iн = 0,4 А.
ОЦЕНКА ВРЕМЕНИ ТРЕНИРОВКИ ПОД ИЗЛУЧЕНИЕМ
Геттерная пленка трансформирует поверхность вакуумных камер из источника десорбирующихся молекулярных потоков в поглотитель (сорбционный насос) молекул. Поэтому, как уже было отмечено, динамический сверхвысокий вакуум достигается сразу после прогрева (активации NEG) на всех участках с геттерным покрытием (примерно 20% периметра в случае накопителя СКИФ). Таким образом, вопрос оценки времени тренировки внутренней поверхности под действием СИ, необходимого для достижения требуемого динамического уровня разрежения, актуален только для арочных участков СКИФ, где будут применены сосредоточенные комбинированные насосы.
На начальной стадии проектирования невозможно предугадать координаты доступных участков для подключения сосредоточенных насосов. Тем не менее, именно на начальной стадии проекта необходимо с достаточной точностью определить количество и параметры насосов для формулирования задания на проектирование. Очевидно, что эквидистантное расположение одинаковых сосредоточенных насосов является наилучшим первым приближением. Кроме того, применяя диффузионную модель Кнудсена и допуская усреднение распределенного потока молекул со стенок вакуумной камеры, легко получить выражение для среднего квази-равновесного давления:
, (1)
где q [Па·л/м/с] – равномерно распределенная газовая нагрузка (десорбция молекул со стенок камеры), L [м] – расстояние между насосами, S [м3/с] – эффективная быстрота откачки порта с насосом, u [м4/с] – молекулярная проводимость камеры единичной длины, – коэффициент использования насосов (обычно 0,2…0,5), Ps – давление на входе насоса.
Интересно отметить, что варьирование расстоянием между насосами от 0,5 до 1,5 L, при сохранении общего количества насосов, приводит к увеличению среднего давления в 1÷1,6 раза по сравнению со случаем эквидистантного расположения. Эффективность расположения насосов можно учесть, введя соответствующий коэффициент g:
. (2)
В источниках СИ практически вся поверхность вакуумной камеры пучка подвержена воздействию интенсивного потока фотонов с энергиями, значительно превышающими энергию химических связей. Поэтому десорбция под действием СИ значительно превышает термо-десорбцию. Сечение взаимодействия фотонов СИ с молекулами на 2÷3 порядка меньше чем сечение неупругих электрон-молекулярных взаимодействий при энергиях электронов 20÷1000 эВ. Поэтому десорбция газа под действием синхротронного излучения происходит в два этапа: фотоны выбивают с облучаемой поверхности фотоэлектроны (на некоторой глубине от поверхности), которые, в свою очередь, могут привести к десорбции молекул газа с поверхности вакуумной камеры, причем как при вылете с поверхности, так и при попадании на нее. Кроме того, часть фотонов отражается и рассеивается по всей поверхности вакуумной камеры. В результате, даже в лабораторных экспериментах по изучению десорбции под действием СИ, так или иначе, участвует вся поверхность вакуумной камеры [8]. Это значительно затрудняет интерпретацию и сравнение полученных данных. Однако накопленный опыт позволяет выявить интегральные параметры этого сложного явления, необходимые для расчета и проектирования ускорителей.
Основной характеристикой десорбции под действием фотонов является среднее число молекул, десорбированных одним фотоном η [молекул/фотон] – коэффициент фотостимулированной десорбции. Тогда поток молекул со стенок можно записать как:
, (3)
где – поток фотонов [фотон/(м∙с)], К ≈ 2,4 · 1020 [1/(Па · м3)] – количество молекул в кубометре при комнатной температуре и давлении 1 Па.
Как правило, доминирующим десорбирующимся под действием СИ газом является водород. Вторым по интенсивности является поток монооксида углерода (СО), составляющий 20–30% от потока водорода. Но, поскольку сечение рассеяния релятивистских электронов пропорционально квадрату атомного номера, доминирующим оказывается рассеяние на молекулах СО. Далее, для упрощения анализа, учитывается только парциальное давление СО.
Средний поток СИ, облучающий стенки вакуумной камеры накопителя СКИФ составляет 2 · 1018 [фотон/(м∙с)] при номинальном токе электронного пучка 0,4 А и энергии 3 ГэВ. Межполюсное расстояние в магнитных элементах 30 мм. При технологическом зазоре 0,5 мм и толщине стенок вакуумной камеры 1 мм, внутренний диаметр составит 27 мм. Таким образом, молекулярная проводимость по СО камеры единичной длины составит:
. (4)
Прямой расчет показывает, что при среднем расстоянии между насосами 1 м; факторе g = 1,6; коэффициенте к = 0,25 и коэффициенте десорбции 5 · 10–7, среднее давление СО будет на требуемом уровне: ≈ 3 · 10–7 Па.
Известно, что начальные значения фотодесорбции могут быть на уровне 0,005 (для СО), то есть значительно превышать требуемое значение 5 · 10–7. Однако интенсивность стимулированной десорбции уменьшается по мере накопления фотонной дозы по закону [9]:
, (5)
где – начальное значение коэффициента десорбции, Г – фотонная доза [фотон/м], Г1/2 – фотонная доза [фотон/м], при которой коэффициент десорбции уменьшается в два раза от начального значения. При фотонных дозах Г > Г1/2 коэффициент десорбции убывает по степенному закону с показателем степени ε. По многочисленным экспериментальным данным [9–19] показатель степени ε изменяется в пределах 2/3÷1. Причем бόльшим значениям ε соответствуют бόльшие значения . Важно отметить, что при Г > Г1/2 поток десорбированных молекул пропорционален, то есть зависимость от интенсивности фотонного потока оказывается весьма слабой даже при ε = 2/3 (на различных участках, где фотонные потоки отличаются в 8 раз, газовая нагрузка будет отличаться всего в 2 раза). Кроме того, в гладкой камере усреднению фотонного потока значительно способствуют высокие значения коэффициентов отражения фотонов с энергиями < 1 КэВ при малых углах падения. Эти два обстоятельства в полной мере оправдывают принятое в данной статье усреднение потока десорбирующихся молекул со стенок вакуумной камеры, облучаемой прямыми, переотраженными, диффузно-рассеянными фотонами СИ, а также фотоэлектронами.
Анализ многочисленных экспериментальных данных [9–19], а также динамики давления в ВЭПП3 (ИЯФ СО РАН) при накоплении фотонной дозы до 3 · 1025 [фотон/м] [20] позволяет заключить, что при практически наихудшем значении ε = 2/3 требуемая степень тренировки (т.е. = 5 · 10–7) будет достигнута при накоплении фотонной дозы 1 · 1025 [фотон/м]. Для накопления такой дозы в СКИФ требуется не многим меньше двух месяцев непрерывной работы при номинальном токе 0,4 А. Очевидно, что в начале тренировки невозможно работать с номинальным током из-за интенсивной газовой нагрузки (короткого времени жизни). Для расчета реального времени примем, что во время тренировки ток электронного пучка должен быть таким, чтобы радиационный фон, пропорциональный потерям релятивистских частиц за единицу времени, не превышал номинального значения. Потери релятивистских частиц из-за рассеяния на остаточном газе пропорциональны их току и давлению остаточного газа. Соответственно, произведение I · P не должно превышать Iн∙ Pн = 1,3 · 10–7 [А∙Па]. Тогда допустимый ток во время тренировки определяется соотношением: I ∙ P = const = 1,3 · 10–7 [А ∙ Па]. Это соотношение, с учетом: = I · 5 · 1 · 1018 и допущения Г >> Г1/2, позволяет проинтегрировать систему уравнений (1–5) и вычислить время тренировки накопителя СКИФ, необходимое для выхода на номинальный ток 0,4 А:
(6)
В табл.1 приведены исходные данные для вычисления времени тренировки.
Расчет показывает, что время тренировки вакуумной камеры СКИФ составляет около 2,5 месяцев, что является вполне приемлемым. Если допустить более жесткий режим тренировки, а именно: трехкратное превышение радиационного фона из-за потерь частиц на остаточном газе, то время тренировки возможно сократить примерно на 20%. В этом случае тренировка фактически разбивается на два этапа: выход на номинальный ток 0,4 А и давление СО 1 · 10-6 Па (примерно полмесяца) и выход на номинальное давление 3,3 · 10-7 Па при постоянном номинальном токе (примерно полтора месяца). Следует учитывать, что эти оценки получены при наиболее пессимистичном значении показателя степени в выражении (4). Отметим сильную зависимость времени тренировки от диаметра вакуумной камеры и среднего расстояния между насосами. Действительно, при ε = 2/3, и учетом (3), получим:
. (7)
Требование на эффективную быстроту откачки портов с насосами:
(8)
ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВАКУУМНОЙ СИСТЕМЫ НАКОПИТЕЛЯ
Накопитель СКИФ поделен на 16 суперпериодов, каждый из которых состоит из 7-ми гирдеров. Схема суперпериода накопителя показана на рис.1. Среднее расстояние между вакуумными портами с насосами составляет примерно 1 м, общее количество портов – 24 шт.
В порты откачки устанавливаются геттерные насосы в виде картриджей с нагревателями и ионно-геттерные насосы. В целом порт откачки образует комбинированный насос, являющийся модификацией насосов, предлагаемых в [7]. Эффективная скорость откачки порта по CO должна быть не менее 55 л/с при поглощении количества газа, составляющего до 80% от сорбционной емкости геттерного насоса. Сорбционная емкость по СО: не менее 0,1 Па ∙ м3. Начальное значение быстроты откачки геттерного насоса должна составлять не менее 800 л/с по СО. Быстрота откачки ионно-геттерного насоса должна быть не менее 10 л/с по аргону.
Как уже было сказано, особое внимание уделяется подбору материалов для изготовления вакуумных элементов, конструкциям откачных портов и соединительных элементов для минимизации резистивных и геометрических импедансов. Ступеньки и щели во фланцевых соединениях и сильфонных узлах вакуумных камер, вследствие их большого количества, могут быть значительными источниками импедансов. Из этих соображений в качестве фланцевого вакуумного соединения были выбраны фланцы конструкции Matsumoto – Ohtsuka (фланцы МО-типа) [21, 22]. Данное соединение успешно используется на коллайдере SuperKEKB в Японии. Схема фланцевых соединений вакуумных камер SuperKEKB показана на рис.2 [23]. Исходя из схемы, видны основные преимущества данного типа соединений по сравнению с соединениями типа ConFlat: отсутствие щелей и ступенек, высокая проводимость по току между фланцем и уплотнением с внутренней стороны вакуумной камеры.
В качестве материала фланцев может использоваться алюминиевый сплав или нержавеющая сталь, материал уплотнения – медь или алюминиевый сплав. Для датчиков положения пучка возможен вариант применения титана в качестве материала фланцев. В случае необходимости прогрева фланцевого соединения материал крепежа должен быть согласован с материалом фланцев по коэффициенту температурного расширения (КТР). В накопителе СКИФ применяются алюминиевые вакуумные камеры. Фланцы камер выполнены из алюминиевого сплава. Использование фланцев из нержавеющей стали для сварки с камерой потребует применения биметалла: нержавеющая сталь – алюминий, что экономически не выгодно. Крепеж из алюминиевого сплава требует более деликатного обращения (обязательное применение динамометрических ключей при затяжке), чем стандартный крепеж из нержавеющей стали. Поэтому для монтажа вакуумных камер был выбран стандартный крепеж. Но для компенсации разности КТР крепежа и фланцев были введены кольца из титана со стороны фланцев из алюминиевого сплава (см. рис.3).
В этом случае толщина фланца была уменьшена, чтобы с учетом кольца общая толщина значительно не увеличивалась. Применение титановых колец позволяет использовать такие комбинации материалов фланцев, как: алюминий – алюминий, нержавеющая сталь – алюминий, титан – алюминий. Рассчитать оптимальную толщину титанового кольца можно по формуле:
, (9)
где H – толщина и α – КТР соответствующего материала, S.S. – нержавеющая сталь.
На рис.4 показана вакуумная камера со стандартным откачным портом. Фланцы DN63 откачного порта имеют стандарт ConFlat, но выполнены из алюминиевого сплава. Фланцы имеют стандартный нержавеющий крепеж и, компенсирующее КТР, титановое кольцо. Данная вакуумная камера проходит через квадрупольный и секступольный магниты. К откачным портам подключается вакуумное оборудование: насосы, вакуумметры или анализаторы остаточных газов.
Основной профиль вакуумной камеры показан на рис.5. Камера выполнена из алюминиевого профиля, полученного методом экструзии. Камера имеет два канала в горизонтальной плоскости. Один канал используется для водяного охлаждения, второй может быть использован для прокладки нагревающего кабеля. В магнитных элементах основной профиль вакуумной камеры механически дорабатывается в соответствии с геометрией полюсов магнитных линз (см. рис.6, 7).
Между некоторыми магнитными элементами накопителя недостаточно пространства для размещения стандартных откачных портов. Для этих мест разработаны вакуумные камеры с малогабаритными откачными портами. Пример такой камеры показан на рис.8.
Особое внимание уделяется месту стыковки вакуумной камеры с патрубком откачного порта. Вакуумная камера вместе с каналами охлаждения непрерывно проходят сквозь патрубок с сохранением своего профиля. Внутри патрубка в стенках пучковой камеры сделаны отверстия овальной формы под откачку (см. рис.9, 10). Геометрия отверстий должна минимизировать вносимый импеданс.
Для компенсации температурных расширений, неточностей изготовления, возможности монтажа и выставки вакуумных камер применяются сильфонные механические компенсаторы с пониженным волновым сопротивлением. Внешний вид и конструкция компенсатора узла показаны на рис.11. В конструкции применяется полосковый подпружиненный скользящий контакт. Для предотвращения выпадения полосок из рабочих мест применяются ограничители продольного и поперечного хода сильфона. Продольный ход составляет ±5 мм.
Количество механических компенсаторов в суперпериоде ввиду минимизации импеданса строго ограничено и составляет всего 2 штуки. Механические компенсаторы также устанавливаются между суперпериодами. Среднее расстояние между узлами составляет 8 м. В пределах данного расстояния установлено несколько камер с откачными портами и несколько датчиков положения пучка (BPM) между камерами. Откачные порты и BPM монтируются на выставочные опоры, позволяющие произвести точную регулировку поперечного положения установленных на них элементов. После регулировки опоры жестко фиксируется в поперечном направлении, а в продольном имеют свободный ход в пределах ±5 мм. Данная конструкция обеспечивает подвижность в продольном направлении всей собранной вакуумной системы (с откачными портами и BPM) как единой цельной камеры в пределах между двумя механическими компенсаторами. Датчики положения пучка (см. рис.12) изготавливаются из титана. Электроды впаиваются вместе с керамическими изоляторами непосредственно в корпус методом активной пайки твердым припоем.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработана концепция вакуумной системы накопительного синхротрона СКИФ, позволяющая составить техническое задание на проектирование. Доказано, что при среднем расстоянии между сосредоточенными портами откачки 1 м в арках накопителя необходимое время на тренировку вакуумных камер пучка составит не более 2,5 месяца. Созданы модели основных элементов вакуумной системы, включая специализированные фланцевые соединения и диагностические устройства.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Электронный источник: ЦКП "СКИФ" https://srf-skif.ru/
Развитие физики и технологии ускорителей заряженных частиц / Ред.-сост. Б.Ю.Шарков И.Н.Мешков. М.: РАН, 2021.
140 c. ISBN 978-5-907366-27-5
Электронный источник: Kersevan R. Proc. EPAC 2000, Vienna, http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/e00/PAPERS/THP 5B11.pdf.
Электронный источник: Al-Dmour E., Ahlback J., Einfeld D., Tavares P.F. & Grabski M. (2014). J. Synchrotron Rad. 21, 878–883. https://www.webofscience.com/wos/woscc/full-record/WOS:000341687000005?SID=EUW1ED0CAFIsBDbsrKM8FCuL6daMs
Seraphim R.M. et al., Proc. of IPAC2015, p. 2744 (2015).
Collins I.R., Ruzinov V.L., Malyshev O.B., Anashin V.V., Dostovalov R.V., Fedorov N.V., Krasnov A.A. A photodesorption study of a TiZrV coated stainless steel vacuum chamber" EPAC-2002, Paris, France, June 2002, Proc. of EPAC-2002, PP. 2550–2552.
Электронный источник: Официальный сайт фирмы SAES Getters https://www.saesgetters.com/products-functions/products/neg-pumps%26vacuum-solutions
Саксаганский Г.Л. Сверхвысокий вакуум в радиационно-физическом аппаратостроении. М.: Атомиздат, 1976.
Краснов А.А. Исследование и прогнозирование динамической плотности остаточных газов в вакуумных камерах современных ускорительно-накопительных комплексов. Диссертация кандидата физико-математических наук, Новосибирск, 2012.
Malyshev O.B. Vacuum in Particle Accelerators: Modelling, Design and Operation of Beam Vacuum. Wiley VCH, Germany (2019). ISBN-10: 3527343024, ISBN-13: 978-3527343027.
Kobari T., Halama H.J. Photon stimulated desorption from a vacuum chamber at the National Synchrotron Light Source. J. Vac. Sci. Technol. 1987. Vol. 5, Issue 4, PP. 2355–2358.
Ueda S., Matsumoto M., Kobary T., Ikeguchi T., Kobayashi M., Hori Y. Photodesorption from stainless steel, aluminum alloy and oxygen free copper test chamber. Vacuum, 1990. Vol. 41, no. 7–9, рр. 1928–1930.
Honry J.H., Conrad L.F. Comparison of photodesorption yields from aluminum, stainless and Cu-plated beam tubes. Vacuum, 1991. Vol. 42, no. 3, рр. 185–188.
Foerster C.L. et al., J. Vac. Sci. Technol., 1995. A13. P. 581.
Grobner O., Mathewson A.G., Marin P.C. Gas desorption from an OFHC copper vacuum chamber by synchrotron radiation photons. CERN Report: CERN–AT-93-12-VA, 1993.
Gröbner O. et al., J. Vac. Sci. Technol., 1994. A12. P. 846.
Ota N., Kanazawa K., Kobayashi M., Ishimaru H. Outgassing from aluminum surface layer induced by synchrotron radiation. J. Vac. Sci. Technol. 1996. A14(4).
Suetsugu Y., Kanazawa K. Proc. PAC1993, Washington D.C., May 17-20. 1993. P. 3860.
Hsiung Gao-Yu, Cheng Chia-Mu, Valizadeh R. Measurement of the Photon Stimulated Desorption for Various Vacuum Tubes at a Beam Line of TLS, JACoW IPAC2022 (2022) THPOTK037, DOI: 10.18429/JACoW-IPAC2022-THPOTK037
Мишнев С.И. ИЯФ СО РАН. Неопубликованные материалы.
Suetsugu Y., Shirai M., Ohtsuka M. "Application of a Matsumoto-Ohtsuka-type vacuum flange to beam ducts for future accelerators", J. Vac. Sci. Technol. A, 2005. Vol. 23(6), PP. 1721–1727.
Shibata K., Suetsugu Y., Ishibashi T., Kanazawa K., Shirai M., Terui S., Hisamatsu H.
"COMMISSIONING STATUS OF SuperKEKB VACUUM SYSTEM", High Energy Accelerator Research Organization (KEK), 305-0817 Tsukuba, Ibaraki, Japan.
Электронный источник: http://mo-ohtsuka.co.jp/
features_of_moflange.html
Отзывы читателей
