Боходир Каримов - Все науки. №4, 2022. Международный научный журнал

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 10 5 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.