Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2020, № 1, стр. 16-19
Первые экспериментальные результаты на новом канале вывода СИ на ВЭПП-2000 для вакуумной системы HL–LHC
А. М. Семенов a, b, *, В. В. Анашин a, А. А. Жариков a, А. А. Краснов a, c, Г. А. Фатькин a, Д. Б. Шварц a, c
a Институт ядерной физики им. Будкера СО РАН
630090 Новосибирск, Россия
b Новосибирский государственный технический университет
630087 Новосибирск, Россия
c Новосибирский государственный университет
630090 Новосибирск, Россия
* E-mail: A.M.Semenov@inp.nsk.su
Поступила в редакцию 11.02.2019
После доработки 25.03.2019
Принята к публикации 25.03.2019
Аннотация
В рамках проекта модернизации большого адронного коллайдера (LHC) предлагается использование новых материалов. Аморфный углерод, нанесенный на стенку вакуумной камеры, рассматривается в качестве покрытия с низким коэффициентом вторичной электронной эмиссии в сверхпроводящих системах, предназначенных для реализации проекта модернизации LHC на более высокую светимость (HL–LHC). Так как протоны будут создавать поток синхротронного излучения до 1016 фотон · м–1 · с–1 с критической энергией ~10 эВ, важно изучить их влияние на поверхность, покрытую аморфным углеродом при комнатной и очень низкой температуре. Описываются конструкция и параметры установки на канале вывода синхротронного излучения на бустере ВЭПП-2000. Также представлены первые результаты измерения коэффициента фотонно-стимулированной десорбции.
ВВЕДЕНИЕ
Большой адронный коллайдер (LHC – Large Hadron Collider) в CERN в настоящее время успешно работает при номинальной светимости, обеспечивая протон-протонные столкновения при энергии 13 ТэВ в центре масс. Модернизация LHC предназначена для обеспечения примерно в 10 раз большей интегральной светимости (High Luminosity – HL) с целью достижения ~3000 фб–1 к середине 2030-х годов [1, 2]. Для этого необходимо увеличить ток пучка в два раза, дополнительно уменьшить сечение пучка и угол, при котором происходит столкновение встречных протонных пучков, для достижения желаемой светимости, в пять раз превышающей пиковую светимость сегодняшнего LHC.
В таких ускорительных комплексах вакуумная система подвергается синхротронному излучению (СИ) и электронной бомбардировке из-за накопления электронного облака. В частности, уровень вакуума в вакуумных камерах должен быть минимально возможным, для того чтобы избежать рождения дополнительных электронов из молекул остаточных газов. В проекте HL–LHC (High Luminosity Large Hadron Collider) конечная система фокусировки, состоящая из трех квадруполей (так называемых “внутренних триплетов”) имеет защитный экран, работающий при ~60 К. Данный экран необходим для перехватывания дополнительных притоков тепла. Он создается в точке взаимодействия и тем самым обеспечивает температуру 1.9 К.
В рамках проекта HL–LHC необходимо подробно изучить вакуумные характеристики нового поверхностного материала. Одним из таких покрытий является аморфный углерод, нанесенный на стенку вакуумной камеры. Аморфный углерод (a-C) – покрытие с низким коэффициентом вторичной электронной эмиссии [3–5]. Это условие необходимо, чтобы минимизировать тепловые нагрузки на защитном экране и уменьшить фон в эксперименте, обусловленный рассеянием протонов на молекулах остаточного газа. В ускорителе HL–LHC протоны в триплетах генерируют СИ с критической энергией ~10 эВ, поток ~1016 фотон · м–1 · с–1. Очень важно изучить влияние таких фотонов на аморфный углерод, находящийся при комнатной или очень низкой температуре, и сравнить результаты с материалом, используемым сейчас в LHC.
Новый канал вывода СИ, который в настоящее время создан на БЭП ВЭПП-2000 (ИЯФ СО РАН) обеспечивает СИ при угле падения ~10 мрад с критической энергией 10–1300 эВ и потоком ~5 × 1016 фотон · м–1 · с–1. Данная установка предназначена для исследования фотонно-стимулированной молекулярной десорбции, фотоэлектронной эмиссии кандидатов в материалы для проекта HL-LHC, находящихся при комнатной или низкой температуре.
ПАРАМЕТРЫ КАНАЛА ВЫВОДА СИ
Бустер электронов и позитронов (БЭП) – бустерный синхротрон коллайдера ВЭПП-2000, в который инжектируются пучки электронов и позитронов из нового инжекционного комплекса ИЯФ СО РАН. БЭП реконструирован для работы при энергии электронов или позитронов в диапазоне 50–1000 МэВ (стандартный режим 390 МэВ). Тем не менее, непрерывная работа возможна до 900 МэВ. Параметры потока фотонов из дипольных магнитов БЭП при энергии электронов 200, 300 и 900 МэВ представлены в табл. 1. Данные параметры охватывают требования для LHC и HL–LHC.
Таблица 1.
Параметры СИ при различной энергии пучка на БЭП
Параметр | Минимум | Номинал | Максимум |
---|---|---|---|
Энергия пучка, МэВ | 193 | 390 | 900 |
Ток пучка, А | 0.22 | 0.5 | 0.04 |
Радиус поворотного магнита, мм | 1280 | ||
Критическая энергия Ес, эВ | 14 | 100 | 1260 |
Средний поток, 1015 фотон · мрад–1 · с–1 | 5.5 | 24 | 4.7 |
Мощность СИ, Вт · мрад–1 | 0.0034 | 0.013 | 0.29 |
Полный вертикальный угол расхождения СИ при Ec, мрад | 2.5 | 1.25 | 0.56 |
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Принципиальная схема экспериментальной установки на канале вывода СИ БЭП показана на рис. 1. Основными элементами являются: опорная точка поворота для точной настройки излучения; конус с термокатодом для улучшения измерения вакуума [6, 7]; концевой коллектор (для измерений зеркального рассеяния); цельнометаллический электропневматический прямопролетный клапан, необходимый для изоляции БЭП от экспериментальной установки; натекатель (для калибровки масс-спектрометра); датчик давления с горячим катодом; квадрупольный масс-спектрометр; турбомолекулярный насос; два нераспыляемых геттерных насоса; абсорбер излучения и зеркало для контроля параметров пучка в БЭП. Канал вывода СИ также содержит коллиматор для управления горизонтальным и вертикальным размерами сечения пучка СИ.
Рис. 1.
Схема экспериментальной установки: P – опорная точка поворота; C – конус с термокатодом; EC – концевой коллектор; заслонка – цельнометаллический прямопролетный клапан; ИД – датчик давления с горячим катодом; КМС – квадрупольный масс-спектрометр; ТМН – турбомолекулярный насос; НЕГ картридж – нераспыляемый геттерный насос; А & З – абсорбер СИ и зеркало.
![](/issues/poverh/2020/vol_2020/iss_1/Poverh2001014Semenov/Poverh2001014Semenov-F1.gif)
Тестовая камера установлена коаксиально внутри трубы большего диаметра. Применяемая мощная система откачки (два геттерных картриджа и турбомолекулярный насос) имитирует высокую распределенную скорость откачки в холодных вакуумных камерах для проекта HL–LHC. Цель состоит в том, чтобы получить уровень давления в диапазоне 10–8 Па или даже ниже без прогрева.
Геометрическое решение обеспечивает легкость замены тестовых камер, позволяет установить азимутальные коллекторы (10 штук) за отверстия в тестовой камере для измерения азимутального распределения рассеянных фотонов (или распределения фотоэлектронов в случае положительного напряжения смещения на коллекторах относительно тестовой камеры) и позволяет охлаждать камеру до 60 К (по крайней мере) с использованием стандартного криокуллера. Табл. 2 содержит основные параметры установки.
Таблица 2.
Основные параметры установки
Параметр | Величина | ||
---|---|---|---|
Максимальный горизонтальный угол СИ, мрад | 10 | ||
Полная длина тестовой камеры, мм | 1500 | ||
Длина камеры, подверженная облучению, мм | 1300 | ||
Горизонтальный размер сечения пучка на входе в тестовую камеру (минимум × номинал × максимум), мм | 5 × 13 × 21 | ||
Максимальный поток СИ при Ec = 100 эВ, 1017 фотон · м–1 · с–1 | 1.2 | 3.1 | 5.0 |
Угол облучения камеры, мрад | 5 ± 1.2 | 13 ± 3 | 21 ± 5 |
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОГРАММА И РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОВЕДЕННЫХ РАБОТ
Первый этап экспериментальной программы состоит в количественном измерении фотонно-стимулированной молекулярной десорбции при помощи калиброванного анализатора остаточного газа, выхода фотоэлектронов, азимутального распределения фотоэлектронов и азимутального распределения диффузно-рассеянных фотонов.
Измерения проводятся в следующих условиях: накопленная доза (от 1021 до 1023 фотон · м–1); угол падения СИ 10 мрад; накопленная доза достигается при критической энергии фотонов в диапазоне 40–50 эВ, сканирование по критической энергии при 10, 25, 50, 100, 200, 400, 800, 1250 эВ и выбранных дозах 1021, 1022, 1023 фотон · м–1 [8].
Эти измерения выполняются при комнатной температуре для двух образцов медной тестовой камеры OFE-Cu – без покрытия и покрытой изнутри аморфным углеродом. Геометрические размеры: внутренний диаметр 40.5 мм, толщина 2.5 мм, длина 1500 мм. Экспериментальная программа и параметры одинаковы для обоих образцов. Второй раунд эксперимента будет повторен позже для отдельных, наиболее “интересных” измерений в диапазоне температур 60–300 К.
В настоящее время проведены измерения коэффициента фотонно-стимулированной десорбции при дозе 1021 фотон · м–1 для обоих образцов (медная труба без покрытия и покрытая аморфным углеродом). В табл. 3 приведена зависимость коэффициента фотонно-стимулированной десорбции для различных образцов от критической энергии фотонов.
Таблица 3.
Результаты измерений коэффициента фотонно-стимулированной десорбции (η) для различных образцов при потоке 1021 фотон · м–1 и критической энергии (Ес)
Ес, эВ | η(a-C), 10–4 молекул · фотон–1 | η(Cu), 10–4 молекул · фотон–1 | η(Cu)/η(a-C) |
---|---|---|---|
12.5 | Менее 0.15 | 0.32 | – |
25 | 0.27 | 1.3 | 5.0 |
50 | 0.51 | 2.1 | 4.2 |
100 | 1.5 | 4.7 | 3.1 |
200 | 2.3 | 9.6 | 4.1 |
400 | 5.8 | 19 | 3.2 |
800 | 15 | 35 | 2.3 |
1250 | 29 | 46 | 1.6 |
ВЫВОДЫ
Новая экспериментальная установка на новом канале вывода СИ обеспечивает подробное исследование вакуумных свойств прототипов, подвергнутых высокоинтенсивному СИ. При помощи данной установки накопленная доза фотонов будет сопоставима с дозой СИ, ожидаемой в экспериментальных зонах для проекта HL–LHC.
Сравнение коэффициентов фотонно-стимулированной десорбции медной камеры, покрытой аморфным углеродом, и без покрытия показывает, что применение покрытий более эффективно для получения предельного вакуума при высокоинтенсивном излучении.
Список литературы
High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC). Preliminary Design Report. CERN-2015-005, CERN. Geneva, 2015.
Benedikt M., Zimmermann F. Status of the Future Circular Collider Study // Proceed. Russ. Particle Accelerator Conf. St. Petersburg, Russia, 2016. P. 34.
Costa Pinto P., Calatroni S., Chiggiato P. et al. Thin Film Coatings for Suppressing Electron Multipacting in Particle Accelerators // Proceed. Particle Accelerator Conf. New York, USA, 2011. P. 2096.
Costa Pinto P., Calatroni S., Neupert H. et al. // Vacuum. 2013. V. 98. P. 29.
Baglin V., Bojko J., Grobner O. et al. The Secondary Electron Yield of Technical Materials and its Variation with Surface Treatments // Proceed. EPAC-2000. Vienna, 2000. P. 217.
Anashin V., Dostovalov R., Fedorov N. et al. A Photodesorption Study of a TiZrV Coated Stainless Steel Vacuum Chamber // Proceed. EPAC-2002. Paris, France, 2002. P. 2550.
Анашин В.В., Достовалов Р.В., Краснов А.А. и др. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2003. № 11. С. 37.
Anashin V., Baglin V., Chiggiato P. et al. A Synchrotron Radiation Beamline Installed at BINP to Study the High Luminosity LHC Vacuum System // Proceed. Russ. Particle Accelerator Conf. St. Petersburg, Russia, 2016. P. 572.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования