ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
И ВАКУУМНЫЕ ИСПЫТАНИЯ УСКОРЯЮЩЕЙ СТРУКТУРЫ КОМПАКТНОГО ЛИНЕЙНОГО КОЛЛАЙДЕРА

 

 

Даниэль Серторе, Паоло Мичелато, Лаура Монако (Национальный институт ядерной физики / LASA, Сеграте (Милан))

Паоло Манини, Фабрицио Сивьеро (компания «SAES Getters S.p.A», Лайнате (Милан))

Аннотация

Объект исследования, компактный лазерный коллайдер, основывается на высокоградиентных структурах, имеющих комнатную температуру. Особенностями вакуума в таких резонаторах являются низкая проводимость, большие площади поверхностей и отсутствие потребности в нагреве. Главный вопрос состоит в достижении условий сверхвысокого вакуума (обычно 10-7 Па) в системе, где остаточный вакуум регулируется дегазацией воды. Для оценки профиля вакуума в ускоряющей структуре была построена модель для анализа методом конечных элементов, основанная на аналогии «теплота - вакуум». Вакуумные испытания проводятся на специализированной установке, вакуумные характеристики для различных конфигураций представляются и сравниваются с прогнозируемыми характеристиками.

ВВЕДЕНИЕ

Исследование компактного линейного коллайдера

Исследование компактного линейного коллайдера (КЛК) направлено на диапазон энергии центра масс для столкновений «электрон - позитрон», составляющий от 0,5 до 5 ТэВ, оптимизированный для номинальной энергии центра масс 3 ТэВ [1]. Необходимы высокие ускоряющие градиенты, чтобы ограничить длину машины мощностью несколько тераэлектрон-вольт и соответствующий ценовой ярлык. Была выбрана радиочастотная (РЧ) частота 12 ГГц, направленная на получение градиента 100 МВ/м. Обычные высокочастотные РЧ-источники не обеспечивают РЧ-мощность, достаточную для такого высокого градиента, и КЛК основывается на концепции двухпучкового ускорения. РЧ-мощность с частотой 12 ГГц вырабатывается сильноточным пучком электродов (задающим пучком), проходящим параллельно главному пучку. Этот задающий пучок замедляется в специальных структурах извлечения мощности (СИМ), и вырабатываемая РЧ-мощность передается на резонаторы главного пучка. Линейные ускорители длиной 21 км оснащены сложными модульными двухметровыми двухпучковыми модулями, объединяющими РЧ-компоненты и все технические системы, включая вакуумные, магнитные, выравнивающие и пучковые контрольно-измерительные приборы.

Вакуум в двухпучковых модулях КЛК

Исследования ионизации поля показали нестабильность пучка быстрых ионов для характеристики вакуума 10-9 миллибар [2]. Каждая ускоряющая структура характеризуется большими площадями поверхности (порядка 5000 см2) и малой вакуумной проводимостью. Дополнительная особенность вакуума для этих двухпучковых модулей состоит в том, что их нагрев недопустим, так как необходимо поддерживать высокую геометрическую точность РЧ-системы. Поэтому система не должна быть оснащена прогревом, но должны присутствовать высокая газовая нагрузка, преобладание воды, ограниченная вакуумная проводимость, а также система должна быть ограниченна в пространстве в пределах модуля. Цель данной статьи – показать осуществимость различных технологических решений, определить их рабочие характеристики и исследовать влияние различных параметров, а также проверить пригодность модели вакуума для прогнозирования давления.

ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКОГО ВАКУУМА В УСКОРЯЮЩЕЙ СТРУКТУРЕ

Имитационное моделирование вакуума

Разработана модель вакуума для имитации его профиля в ускоряющей структуре,а затем – в двухпучковых модулях. Модель построена на основе уравнения диффузии (1) и аналогии «вакуум / теплота» [3].

Ниже приведено уравнение,

где Ф – поперечное сечение вакуумной камеры; P – давление; A и T –интенсивность дегазации и скорость перекачки на единицу длины соответственно; c – единичная проводимость вакуумной камеры.

Это уравнение сравнивается с уравнением теплопереноса для одномерной задачи. Заключительная сводка аналогии уравнений вакуума и теплоты приведена в таблице 1.

Геометрия [см]Поперечное сечение: Ф [см2]Периметр: W [см]ВакуумТеплотаЕмкость по вакууму: Ф [см2] Интенсивность дегазации: a [миллибарл/с/см2]Интенсивность дегазации на единицу длины:A = aW [миллибарл/с/см]Распределенная скорость перекачки на единицу площади: t, [л/с/см2]Распределенная скорость перекачки на единицу длины: T = tW [л/с/см]Суммарная перекачка: S [л/с]Например:Теплообмен на единицу длины:Коэффициент конвекции:Источник теплоты на единицу длины:Удельный источник теплоты:Теплоемкость:Элемент 10-3 необходим для преобразования из см3 в литрыДавление: P [миллибар]Интенсивность потока газа: q [миллибарл/с]Единичная проводимость: c [лсм/с]Температура: TТепловой поток: qЕдиничная проводимость: k Фгде k – проводимость материала:Интенсивность потока газа: q [миллибарл/с]Тепловой поток: q

Параметрическая тепловая модель ускоряющей структуры разработана в коде конечных элементов и применяется для оценки профиля давления. Следует отметить, что стандартный код конечных элементов позволяет легко выполнять имитационное моделирование с учетом времени и давления.

Установка для вакуумных испытаний

Установка представляет собой специализированную ускоряющую структуру, специально разработанную для этих испытаний. Внутренняя геометрия резонатора упрощена, чтобы упростить компоновку (и тем самым снизить стоимость). Тем не менее, имеется возможность вставки демпфирующих нагрузок из карбида кремния (SiC) внутри резонатора. К ячейкам припаяны четыре РЧ-коллектора, что позволяет устанавливать демпфирующий материал. Ускоряющая структура может быть оснащена съемными вакуумными коллекторами или крышками. Для уплотнения используется индиевая проволока.

Рисунок 1: Конструкция специализированной ускоряющей структуры для вакуумных испытаний

Для перекачки рассматриваются различные системы или их комбинации: картридж с нераспыляемым газопоглотителем (НГП-картридж), НГП-картридж в сочетании с ионным насосом и турбомолекулярный насос.

Для турбомолекулярной насосной системы на CF-фланец DN35 устанавливается вакуумный клапан. Затем на клапан монтируется турбомолекулярный насос производительностью 60 л/с. Эффективная скорость перекачки регулируется проводимостью трубы диаметром 28 мм и длиной 30 мм между вакуумным коллектором и фланцем DN35 (35,6 л/с). Проводимость трубного узла, перехода DN35/63 и клапана составляет 28,5 л/с. Таким образом, эффективная скорость перекачки составляет 19,3 л/с. Оценка проводимости получена путем имитационного моделирования методом Монте-Карло.

На испытательной установке монтируются вакуумные манометры (один манометр Пирани и два манометра Пеннинга), а на следующей ступени предусматривается анализатор остаточного газа, предназначенный для исследования изменений давления и состава газа во времени. Между ускоряющей структурой и турбомолекулярным насосом устанавливается задвижка. Она выполнена на основе уплотнительного кольца. Задвижка и турбомолекулярный насос подвергаются прогреву при 150 и 100C соответственно в течение 24 часов, после каждого выпуска из насосной группы.

Для изучения влияния геометрической конфигурации и насосной системы рассматриваются различные испытания. В данной статье представлены три испытания: два – со стандартной насосной группой и с двумя различными размерами вакуумного коллектора, и одно – с небольшим насосом, установленным в вакуумном коллекторе.

ИЗМЕРЕНИЯ ВАКУУМА И РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Конфигурация внешней суммарной перекачки

Результаты имитационного моделирования для стандартной конфигурации с насосной группой, подключенной к вакуумному коллектору поперечным сечением 25*28 мм, приведены на рисунке 2. Они соответствуют 100 часам перекачки. На рисунке показано различие давлений в ускоряющей структуре и в местах расположения вакуумных манометров. Давление на манометре P1, непосредственно подключенном к краю ускоряющей структуры, достаточно хорошо представляет среднее давление в ускоряющей структуре вдоль пучка, и оно на 30% ниже давления на манометре P2, установленного после колена.

Рисунок 2: Поле давлений в стандартной конфигурации после 100 часов перекачки

Измерения давления во времени показаны на рисунке 3. Прогнозируемые величины достаточно хорошо согласуются с результатами измерений.

Рисунок 3: Измерения и оценки кривых откачки

Второе испытание было проведено в тех же условиях при размерах коллектора 35*35 мм. Даже если удельная проводимость коллектора почти удваивается, разность между стандартными конфигурациями остается пренебрежимо малой (несколько процентов) как для измерений, так и для оценок.

Внутренняя суммарная перекачка

На испытательной установке смонтирован небольшой насос с НГП-картриджем в сочетании с ионным насосом (насос NEXtorr, поставляемый компанией «SAES Getters»). НГП-картридж расположен внутри вакуумного коллектора. Поэтому скорость установления вакуума не ограничивается проводимостью отверстия для откачки. Конфигурация для испытаний показана на рисунке 4.

Рисунок 4: Установка, оснащенная насосом с НГП-картриджем

После приблизительно 3,3 часов перекачки, выполняемой с использованием этой группы, НГП-картридж, выполненный на основе сплава St 172 (ZrVFe), полностью активируется в соответствии с рекомендациями изготовителя о достижении температуры не менее 450C в течение одного часа. Во время нагрева картриджа рост температуры в окружающих кусках меди остается крайне незначительным. После этой операции включается ионный насос, а задвижка закрывается (4,3 часа). Резкий рост давления рядом с задвижкой после ее закрытия указывает на значительную газовую нагрузку со стороны задвижки (рисунок 5). Этот параметр газовой нагрузки был определен таким образом, чтобы оценка давления и результат измерения, выполненного вакуумным манометром рядом с задвижкой (P1), соответствовали руг другу. Давление на противоположной стороне (P2) определяется путем имитационного моделирования и хорошо согласуется с результатами измерений.

Рисунок 5: Изменение давления с течением времени в конфигурации с НГП-насосом

Среднее давление вдоль оси пучка в этом испытании составило 610-9 миллибар (см. рисунок 6), в то время как для конфигурации без таких граничных эффектов давление после 100 часов перекачки ожидается на уровне 310-9 миллибар (по сравнению с давлением 710-9 миллибар, полученным для стандартной конфигурации).

Рисунок 6: Поле давлений после 100 часов перекачки для конфигурации с НГП-картриджем

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной статье первое измерение, выполненное на специализированной ускоряющей структуре КЛК, показало, что модель вакуума, основанная на аналогии с теплотой, дает оценки, хорошо согласующиеся с результатами измерений.

Первое испытание с использованием насоса Nextorr демонстрирует реализуемость и многообещающие результаты решения на основе небольшого картриджа, установленного в вакуумном коллекторе.

Испытания будут продолжаться, и очередные шаги будут следующими:

  • добавление чисто металлического клапана между ускоряющей структурой и насосной группой для исключения значимого граничного эффекта;
  • установка демпфирующего материала в резонаторы с целью изучения его влияния (рост газовой нагрузки и снижение проводимости).

Предполагаются также другие испытания для анализа изменения состава газа во времени (поведение, регулируемое водой), для определения влияния воздействия воздуха на время откачки и для изучения влияния метана (при использовании только НГП-картриджа). Наконец, предполагается расширить данную модель вакуума на весь модуль КЛК с целью изучения поля давлений.

 

Автор благодарит Дж. Риддоне и ее группу за приобретение ускоряющей структуры, а также П. Чиггиато, П. Коли и Х. Коса за их помощь в подготовке испытаний и за ценные обсуждения.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

[1] http://clic-study.web.cern.ch/CLIC-Study

[2] G. Rumulo, Parameter Specification. Vacuum System for the CLIC Two-Beam Modules, CERN EDMS 992778

[3] C. Garion, A thermal model for vacuum analysis