ЛИНЕЙНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ
НА ОСНОВЕ СТРУКТУРЫ
СО СВЯЗЬЮ ЧЕРЕЗ КОЛЬЦЕВОЙ ЗАЗОР
ДЛЯ УСИЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ
ЛИНЕЙНОГО УСКОРИТЕЛЯ J-PARC

 

Х. Ао, Х. Асано, Дж. Тамура, Я. Немото, Н. Оучи, J-PARC, Агентство по атомной энергии Японии, Ибараки, Япония

Ф. Наито, К. Таката, J-PARC, Национальная лаборатория физики высоких энергий, Ибараки, Япония

 

Аннотация

Линейный ускоритель Японского исследовательского комплекса ускорителя протонов (J-PARC) представляет собой инжектор для синхротрона с быстрым циклом на 3 ГэВ. Чтобы увеличить мощность пучка синхротрона, в марте 2009 г. была поставлена задача повышения энергии линейного ускорителя до 400 МэВ. В нижней по потоку части линейного ускорителя с пролетными трубками на 191 МэВ в августе 2013 г. будут добавлены 25 модулей линейного ускорителя на основе структуры со связью через кольцевой зазор (ССКЗ). Формирование резонатора ССКЗ почти завершено, и готовые модули находятся на площадке J-PARC. В настоящее время ведется монтаж насосов и вакуумных компонентов на резонаторах для проверки условий вакуума. Для импульсного пучка, используемого на J-PARC, чтобы потери пучка не превышали 0,1 Вт/м, давления вакуума по линии пучка должны составлять менее 10-5 Па. В данной статье приводятся результаты измерений, выполненных с целью снижения давления вакуума с использованием хранимого резонатора ССКЗ для обеспечения возможности работы с высокой интенсивностью.

ВВЕДЕНИЕ

Линейный ускоритель на основе структуры со связью через кольцевой зазор (ССКЗ) будет добавлен к Японскому исследовательскому комплексу ускорителя протонов (J-PARC) в августе с целью повышения энергии пучка линейного ускорителя со 181 до 400 МэВ. Всего изготовлено 25 модулей ССКЗ, а два модуля-группирователя и два ускоряющих модуля уже доведены до расчетной входной мощности [1].

Поддержание давления вакуума на минимальном уровне (обычно менее 10-6 Па), важно для уменьшения потерь пучка под действием остаточного газа в ускорителях протонов высокой интенсивности. Во время эксплуатации пользователем исследования и разработки по улучшению вакуума могут быть затруднены, так как они требуют частой замены вакуумных насосов и вакуумных манометров. Поэтому выполнялись измерения распределения давления вакуума в модуле ССКЗ, и были предприняты попытки улучшить его, используя хранимый модуль до его монтажа. В этом отчете описывается испытание на откачку и возможные варианты для улучшения вакуума, которые сделают возможной эксплуатацию с высокой интенсивностью.

ИСПЫТАНИЕ НА ОТКАЧКУ

В качестве дополнительных вакуумных насосов в этом эксперименте для улучшения давления вакуума использовались дополнительные вакуумные насосы с нераспыляемым газопоглотителем (НГП-насосы) (а именно – CapaciTorr D400, выпускаемые компанией «SAES Getters» [2]). НГП-насосы обладают рядом преимуществ: они обладают небольшой массой, их можно легко прикрепить к резонатору, и для них не требуется дополнительный высоковольтный кабель. В то же время срок службы (интервал активации) насоса следует проверить отдельно, так как в процессе выполняемой им перекачки происходит сорбция молекул активного газа посредством химической реакции.

На рисунке 1 показана конфигурация НГП-насосов и вакуумных манометров (Bayard-Alpert). Для откачки одного ускоряющего модуля ССКЗ используются два ионных насоса (ИН) производительностью 500 л/с, по одному с каждого конца, а также один насос производительностью 150 л/с в центре. Когда после 60 ч откачки было достигнуто давление вакуума около 10-6 Па, была измерена величина изменения давления вакуума, вызванного дополнительными НГП-насосами (в результате открытия или закрытия углового клапана, прикрепленного к НГП-насосу).

 

Рисунок 1: Конфигурация НГП-насосов (№1 и №2) и вакуумных манометров (1-5),
а также схема вакуумной сети в резервуаре ускорения ССКЗ (узлы 1-60)

 

Сравнивались следующие две конфигурации НГП-насосов:

  • (№1) НГП-насосы, прикрепленные к центру резервуара ускорения (узел 33). Эта точка расположена далеко от ИН, и можно ожидать, что в ней будет наблюдаться наиболее высокое давление;
  • (№2) НГП-насосы, прикрепленные к вакуумным коллекторам с обоих концов модуля.

Здесь следует отметить, что при добавлении дополнительного НГП-насоса в центре резервуара ускорения необходимо удалить вращающийся регулятор, прикрепленный к соединительной ячейке.

Результаты измерений давления для конфигурации №1 показаны на рисунке 2 и перечислены в таблице 1. Снижение давления манометров 2, 3 и 4 показывает, что давление вакуума в точке минимального изменения (манометр 2) уменьшается не менее чем на 6%.

Рисунок 2: Кривая откачки и изменение давлений вакуума, вызванное НГП-насосами (конфигурация №1).

 

Таблица 1: Среднее давление (в 10-6 Па) по результатам двух измерений, выполненных в конфигурации №1

123450,650,801,011,071,0993,7%94,0%91,7%91,5%95,3%0,610,750,930,981,03Номер манометраТолько ИНОтношениеИН + НГП-насос

 

Результаты измерений давления для конфигурации №2 показаны на рисунке 3 и перечислены в таблице 2. Как можно видеть по изменениям давления манометров 2, 3 и 4, давление вакуума в точке минимального изменения (манометры 3 и 4) уменьшается не менее чем на 5%.

Рисунок 3: Кривая откачки и изменение давлений вакуума, вызванное НГП-насосами (конфигурация №2)

Сравнение результатов для двух конфигураций показывает относительно небольшую разность давлений вакуума на уровне 1% в точке минимального изменения. Следовательно, достаточно прикрепить дополнительные НГП-насосы к вакуумным коллекторам, чтобы улучшить давление вакуума в резервуаре ускорения, и при этом не требуется удалять вращающиеся регуляторы.

 

Таблица 2: Среднее давление (в 10-6 Па) по результатам двух измерений, выполненных в конфигурации №2

123450,740,781,031,051,0782,4%92,3%95,0%95,0%95,6%0,610,720,981,001,02Номер манометраТолько ИНОтношениеИН + НГП-насос

 

ОЦЕНКА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

Для оценки распределения давления вакуума вдоль линии пучка было выполнено сравнение рассчитанной характеристической матрицы [3] с результатами измерений давления. Схема вакуумной сети для расчета матрицы показана на рисунке 1. Чтобы выбрать надлежащую величину скорости дегазации на единицу площади поверхности в вычислении, были исследованы следующие три комбинации работы ИН: (i) работа всех трех ИН (два – 500 л/с, один – 150 л/с); (ii) работа только двух насосов, 500 л/с; (iii) работа только одного насоса, 150 л/с. Сравнение рассчитанных и измеренных давлений показано на рисунке 4.

Рисунок 4: Сравнение давлений, полученных путем расчета характеристической матрицы, и результатов измерений давления

Полные давления в этом расчете были пропорциональны скорости дегазации. Здесь скорость дегазации предполагалась постоянной, так как большая часть внутренней поверхности состояла из меди, не содержащей кислорода. Ее величина была отрегулирована на уровне 2,210-8 Пам3/м2с, чтобы она соответствовала результату измерения полного давления.

Как видно из рисунка 4, имеется значительная разность между рассчитанным и измеренным давлением на вакуумном манометре 5 (узел 59). Эта разность указывает на высокую скорость дегазации вокруг вакуумного манометра 5, так как ИН производительностью 150 л/с (в узле 60) оказался неэффективным для уменьшения давления вокруг этого манометра в случае, когда работали все ИН, по сравнению со случаем, когда работали только два насоса производительностью 500 л/с, а также потому, что расчетное давление на вакуумном манометре 5 (узел 59) было значительно выше, чем измеренное давление в случае, когда работал только один ИН производительностью 150 л/с. Можно предположить, что эта высокая скорость дегазации обусловлена керамической поверхностью радиопрозрачного окна, расположенного в соединительной детали между резонатором и волноводом (узел 60). Для дальнейшего исследования требуется измерить скорость дегазации, относящуюся только к радиопрозрачному окну. Ожидается, что в результате выдержки при высокой мощности высокая скорость дегазации для радиопрозрачного окна снизится. Поэтому важно обратить внимание на снижение давления вакуума вокруг радиопрозрачного окна, чтобы оценить эффект выдержки с точки зрения улучшения вакуума.

Оценки скорости дегазации с внутренней поверхности модуля ССКЗ были получены путем применения метода роста давления. Рост давления P/t (где P – давление, t – время) был измерен вакуумным манометром в центре модуля ССКЗ (манометр 5). В этом измерении все остальные манометры были выключены. Результаты измерения роста давления показаны на рисунке 5.

Рисунок 5: Рост давления. Пунктирная линия – линейная аппроксимация с использованием данных для t > 1,5x103 с.

По результатам расчетов скорость дегазации Q оказалась равной 1,0310-8 Пам3/м2с; расчет был выполнен по формуле Q = V(P/t)/A, где оценки объема V и площади внутренней поверхности A, полученные с использованием методов трехмерного компьютеризированного проектирования, составили соответственно 0,28 м3 и 17,2 м2. Результат измерения оказался того же порядка, что и величина 2,210-8 Пам3/м2с, полученная из расчета характеристической матрицы. Следует отметить, что скорость дегазации, измеренная с использованием метода роста давления, имеет тенденцию к меньшим значениям по сравнению с результатами измерений, выполненных методом пропускной способности [4]. Здесь скорости дегазации составляют менее половины от величин, полученных для меди, не содержащей кислорода [(5-9)10-8 Пам3/м2с]. Для получения более точных значений скорости дегазации следует измерять методом пропускной способности.

УЛУЧШЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ ВАКУУМА

В конфигурации №2 с использованием расчета характеристической матрицы была получена оценка эффективной скорости перекачки НГП-насоса, чтобы исследовать возможность использования более крупных насосов. Скорость перекачки в расчете варьировалась для согласования с результатами измерений величин изменения давления между конфигурациями с НГП-насосами и без них. На рисунке 6 показано распределение расчетного давления и результаты измерений давления. Скорости перекачки для НГП-насосов были при этом заданы равными 35 л/с.

Несмотря на то, что результат измерения давления на манометре 3 (узел 39) немного меньше, чем расчетное давление, расчетные величины достаточно хорошо согласуются с результатами измерений, как показано ниже на рисунке 6. Одно из возможных объяснений такого различия состоит в том, что проводимость вакуума, использованная в расчете, оказалась ниже фактических величин.

Рисунок 6: Изменение давления между конфигурациями с НГП-насосами и без них (предполагается использование НГП-насосов производительностью 35 л/с).

Проводимость вакуума на входе вакуумного коллектора (ICF114, длина 50 мм, что соответствует 209 л/с) значительно выше, чем эффективная скорость перекачки, составляющая 35 л/с. Таким образом, если используются крупные НГП-насосы, например, CapaciTorr D1000 (у которых скорость перекачки в 2,5 раза выше, чем у D400), то можно достичь снижения давления на 10%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для ускоряющего модуля ССКЗ возможно реализовать давление на 10% ниже величины 110-6 Па, используя крупные НГП-насосы (например, CapaciTorr D1000). Срок службы (интервал активации) НГП-насосов следует тщательно исследовать, так как в процессе выполняемой ими перекачки происходит сорбция молекул активного газа посредством химической реакции. Для лучшего понимания этого вопроса в рамках будущих работ следует предусмотреть долгосрочные испытания на откачку с использованием модулей ССКЗ и НГП-насосов с целью подтверждения фактического срока службы.

БЛАГОДАРНОСТЬ

Благодарим К. Кубота за получение оценки проводимости вакуума, использованной нами в данном исследовании. Благодарим также Н. Хаяшизаки за предложенную им базовую процедуру расчета характеристической матрицы, использованную в данной работе.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

[1] H. Ao et al., “First annular-ring coupled structure cav- ity for the Japan Proton Accelerator Research Complex linac,” Phys. Rev. ST Accel. Beams, 15, 051005 (2012), http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevST AB.15.051005

[2] http://www.saesgetters.com

[3] Y. Saito et al., “Optimization of the configuration of the vac- uum pumps in the KEK 2.5-GeV linac,” J. Vac. Sci. Technol. A, 12, p. 1648, http://dx.doi.org/10.1116/1.579031

[4] P. A. Redhead, “Effects of Readsorption on Outgassing Rate Measurements,” J. Vac. Sci. Technol. A, 14, p. 2599, http://dx.doi.org/10.1116/1.579987