Во всех ускорителях заряженные частицы должны двигаться в глубоком вакууме (примерно, как тот, который есть на полпути от Земли к Луне). Если вакуумные условия будут хуже, то электроны, сталкиваясь на огромных скоростях с атомами остаточного газа, будут рассеиваться и гибнуть на стенках вакуумной камеры: уменьшится время жизни пучка и увеличится радиационный фон вокруг ускорителя. Чтобы обеспечить проектные параметры установки в вакуумной камере ускорителя уровень разряжения должен быть на 12 порядков ниже, чем в обычной комнате. Для этого в накопительном кольце синхротрона будут установлены 800 геттерных (газопоглощающих) насосов. Они были разработаны и произведены специалистами Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) совместно с ООО «Оптикон» (г. Новосибирск) и заводом порошковой металлургии АО «Полема» (г. Тула). Создание геттерных насосов – еще одна технология, которую освоили российские специалисты благодаря проекту ЦКП «СКИФ» и заместили тем самым зарубежное оборудование. Технология может быть также полезна и для развития других научных проектов. Так, в настоящий момент физики ИЯФ СО РАН исследуют возможности вакуумных насосов в плазменных установках. Работы носят поисковый характер, но предварительные испытания прототипов геттерных насосов продемонстрировали скорость откачки водорода 1300 л/с, а дейтерия – 700 л/с. Результаты опубликованыexternal link, opens in a new tab в журнале «Известия РАН».
«За время жизни пучка отвечают вакуумные камеры, которые проходят сквозь все магниты. Это самое незаметное, но очень важное оборудование, – прокомментировал заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Александр Краснов. – Именно по замкнутой орбите внутри последовательности соединенных друг с другом вакуумных камер и движется пучок электронов. От характеристик этих камер, а именно от герметичности, уровня разреженности, зависит бесперебойная циркуляция пучка электронов в синхротроне. Концентрация молекул в объеме камеры по всей орбите, а это 477 метров, должна быть на 12 порядков меньше, чем в воздухе в обычной комнате. Поэтому основная сложность изготовления подобного рода устройств заключается в том, чтобы сделать их вакуумноплотными. Кроме того, присутствие интенсивного синхротронного излучения вызывает испарение молекул газа, осевших на внутренней поверхности вакуумных камер. Эти потоки молекул являются основной нагрузкой для систем откачки, поэтому в качестве насосов необходимо применять высокоэффективные геттерные насосы и располагать их достаточно близко друг от друга по всей кольцевой траектории пучка. Более того, эти насосы должны быть компактными, потому что все магнитные элементы расположены настолько плотно, что практически полностью ограничивают доступ к вакуумным камерам».
Специально для синхротрона СКИФ совместно с ООО «Полема» были разработаны и созданы высокоэффективные комбинированные насосы, которые способны создавать вакуум до 10-11 Торр. Геттерные материалы для них производил завод порошковой металлургии АО «Полема».
«Геттерные насосы обычно подразделяются на сосредоточенные – такие насосы устанавливаются в каком-то конкретном месте вакуумной камеры, и распределенные – представляют собой газопоглощающее вещество, нанесенное на стенки камеры, – прокомментировал старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат технических наук Алексей Семенов. – На накопительном кольце ЦКП “СКИФ” в основном будут установлены сосредоточенные насосы на базе нераспыляемых геттеров. Они изготавливаются из химически активных металлов, таких как титан, цирконий, ванадий и их сплавы, и обычно формируются в виде прессованных или спеченных порошков. Основным мировым производителем подобных насосов является итальянская компания SAES Getters, их геттеры работают, например, на установках в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН, Швейцария). На этапе проектирования ЦКП “СКИФ” было понятно, что закупка зарубежных геттеров будет очень дорогой, поэтому мы начали развивать это направление у себя еще в 2020 г.».
Ключевой особенностью геттерных насосов является высокая скорость откачки на единицу объема. Помимо получения сверхвысокого вакуума в синхротронах, геттеры могут найти применение в плазменных установках, в которых необходимо откачивать интенсивные потоки водорода и дейтерия. Специалисты ИЯФ СО РАН проводят поисковые исследования в этом направлении.
«Специфика работы плазменных установок заключается в том, что для подпитки плазмы специалисты напускают туда большой поток газа, только 10% которого используется для образования ионов, а остальные 90% необходимо очень быстро откачивать, – добавил Алексей Семенов. – Для этого в большинстве случаев используются крионасосы. Но сейчас мы можем наблюдать некоторый тренд, который также начали итальянцы SAES Getters – они проектируют геттерные насосы и проводят их испытания для установки термоядерного реактора «DEMO», который в будущем должен вырасти из проекта Международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР. Мы изготовили и протестировали прототип вакуумного насоса на базе нераспыляемых геттеров. Устройства показали скорость откачки по водороду 1300 л/с и по дейтерию – 700 л/с. Разумеется, менять крионасосы на геттеры в существующих в ИЯФе плазменных установках не планируется, но, например, рассмотреть возможность их использования в проекте Газодинамической магнитной ловушки (ГДМЛ), который реализуется в нашем Институте, вполне реально».
ГДМЛ – это магистральный проект по физике плазмы ИЯФ СО РАН. Планируется, что ГДМЛ продемонстрирует возможность проектирования компактного, экономически и экологически привлекательного термоядерного реактора на основе магнитных ловушек открытого типа.
«В открытых ловушках, к которым относится установка ГДМЛ, поток водородной плазмы вытекает из центральной секции через магнитные пробки, расширяется вместе с силовыми линиями магнитного поля и попадает на плазмоприемники, при столкновении с которыми ионы плазмы нейтрализуются, – прокомментировал старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Сергей Полосаткин. – Повторная ионизация образующегося в результате газа (водорода) может приводить к накоплению холодной плазмы вблизи плазмоприемников, что ухудшает эффективность работы установки. Поэтому образующийся газ должен удаляться системой откачки. В отличие от действующих в настоящее время в ИЯФ исследовательских установок в ГДМЛ планируется работа в режиме очень длинных (до 100 секунд) импульсов, и система откачки должна обеспечить эффективный захват большого потока водорода в течение всего этого времени. Использование в системе откачки нераспыляемых геттеров представляется очень перспективной технологией, а полученные параметры разработанных геттерных насосов позволяют рассчитывать на возможность масштабирования этой технологии для использования в ГДМЛ. При этом, поскольку геттерные насосы, разработанные для проекта СКИФ, изначально предназначены для работы в существенно ином режиме – в сверхвысоком вакууме при малых потоках газа, необходимы дополнительные исследования стойкости геттеров при многократных циклах заполнения водородом и последующей регенерации».