Ученые Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе (ИТ) СО РАН и Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (ЦКП “СКИФ”) предложили новую технологию охлаждения алмазных окон для фронтендов станций второй очереди СКИФ. Тончайшие алмазные пленки устанавливаются в месте вывода синхротронного излучения (СИ) из фронтенда на экспериментальную станцию и принимают на себя экстремальную тепловую нагрузку, нагреваясь выше 300 градусов Цельсия. Новая система охлаждения существенно повысит срок службы этих элементов и в перспективе позволит повысить яркость излучения.
Фронтенд – это комплекс оборудования для вывода пучка синхротронного излучения из накопительного кольца на экспериментальную станцию. Алмазные окна устанавливаются в узлах вывода СИ из области высокого вакуума на исследовательские станции, что позволяет пропустить пучок СИ без потери герметичности накопительного кольца. Для того, чтобы высокие температуры не разрушили структуру монокристалла алмаза, на этих элементах реализована система охлаждения.
Фронтенды для станций первой очереди, изготовленные сотрудниками Конструкторско-технологического института научного приборостроения СО РАННа алмазных окнах для станций первой очереди применяется традиционная система охлаждения, при которой алмазное окно с помощью сварки или пайки закрепляется на медных элементах (фланцах), в которых проходит канал для циркуляции охлаждающей жидкости (воды). Однако со временем сварочный шов деградирует, кристаллы алмаза под воздействием повышенных температур могут изменить структуру с монокристаллической на поликристаллическую, что существенно снизит качество пучка СИ.
Для фронтендов станций второй очереди рассматривается возможность применения новой системы охлаждения, которая позволит существенно повысить термостабильность алмазных окон и продлить срок их службы. Результаты опубликованы в международном журнале Interfacial Phenomena and Heat Transfer [1].
«С каждым новым поколением источников синхротронного излучения тепловые потоки становятся все больше и больше, соответственно необходимо все сильнее охлаждать оптические элементы. Мы предложили новую систему охлаждения алмазных окон, при которой алмазное окно закрепляется на фланце при помощи жидкометаллической пленки. Жидкий металл уплотняет конструкцию, не требует ни пайки, ни сварки, при этом обеспечивает надежный тепловой контакт и достаточное вакуумное уплотнение», - рассказывает научный сотрудник ЦКП «СКИФ», ведущий инженер лаборатории интенсификации процессов теплообмена ИТ СО РАН к.ф.-м.н. Максим Пуховой.
Ученые создали 3D-модель предложенной технологии охлаждения, на ее основе провели тепловые и прочностные расчеты и определили параметры конструкции, которые обеспечат требуемое охлаждение и его надежность без превышения пороговых величин термической деформации. На 3D-модели было показано, что система охлаждения эффективно отводит тепло, позволяя не превышать максимальную температуру алмазной пластины в 542,6 °C, и выдерживает давление порядка 800 Мпа.
Помимо тепловой и прочностной нагрузки необходимо учитывать температуру стенок миниканала для циркуляции воды. Она не должна превышать 96°С. Это гарантирует отсутствие вскипания воды и связанной с этим вибрации оптической системы.
Исследователи продолжают работу над повышением эффективности системы охлаждения оптических элементов в источнике синхротронного излучения. В частности, выполняются расчеты и 3D-моделирование охлаждающих систем с использованием разных охлаждающих жидкостей, начальные температуры которых могут варьироваться от –90°С до +7°С. В перспективе это позволит увеличить отводимую от алмазных окон тепловую мощность и снизить опасность возникновения аварийных ситуаций.