Вакуумные инструменты большой науки

Электронные лампы бывают разных размеров, но обычно «рост» их не больше роста человека, так что «имитаторы космоса» могут смотреть на них свысока, так как самые маленькие из них примерно такие же, как самые большие лампы. Один из самых больших имитаторов, установленный в Хьюстоне, имеет диаметр 22 м и высоту 40 м (высота 15-этажного дома). Когда астронавты высаживались на Луне, дублирующий экипаж проделывал все те же операции в этом имитаторе, и если бы там, в космосе, что-нибудь случилось, то здесь, на Земле, можно было бы проверить и подсказать, что и как должны сделать астронавты, чтобы выйти из беды.

Функция имитатора, как это явствует из названия, — имитировать воздействие космоса на различные объекты. Сейчас в общих чертах понятно, что такое космос и что в нем есть, но создать все это сразу в одной установке довольно сложно. Прежде всего нужно имитировать воздействие вакуума, в котором испаряются многие материалы, очищаются поверхности деталей и резко возрастает трение. Далее, воздействие теплового излучения Солнца — прямого (1,4 кВт/м² около Земли) и отраженного от Земли (до 0,5 кВт/м²), а также излучения Земли (0,2 кВт/м²). Чем ниже температура излучателя, тем больше средняя длина волны излучения, поэтому Солнце, имеющее температуру наружных слоев 6000 К, излучает видимый свет, а Земля с ее в 20 раз меньшей температурой «светит» в инфракрасном диапазоне. Заметим, что само по себе космическое пространство «черное» — оно не возвращает уходящее от объектов излучение. Поэтому камеры имитаторов изнутри часто покрывают черным лаком и охлаждают, чтобы их собственное тепловое излучение было мало. Удобно было бы использовать в качестве стенок камеры «криопанели», т. е. охлаждаемые поверхности крионасосов, но тепловой поток от источников излучения, «изображающих» Солнце, вызовет очень большой расход хладоагента. Поэтому приходится защищать криопанели экранами.

Далее — некоторое количество газа в космосе есть; до 100 км высоты над Землей относительное содержание газов в атмосфере не отличается от атмосферного, выше 1000 км азот и кислород диссоциируют на атомы, а выше 10000 км «остаточная атмосфера» состоит из гелия и водорода. Все это тоже надо имитировать. Наконец, потоки протонов и электронов высокой энергии, которые выводят из строя солнечные батареи, и, наконец, пыль и микрометеориты.

Собрать в одном имитаторе все виды воздействия космоса очень сложно, поэтому комплексное воздействие космоса всегда было, есть и останется проблемой проблем.

В отличие от имитаторов космоса по физике и технике ускорителей и управляемого термоядерного синтеза существует хорошая популярная литература, и нет необходимости подробно рассказывать об этом. Остановимся лишь на рассмотрении вакуумных процессов в них.

Требования, предъявляемые ускорителями к вакуумной технике, были для нее совершенно новыми. В некоторых типах ускорителей должен достигаться такой же вакуум, как в лучших лабораторных установках и приборах. Например, чем большее время должен существовать пучок частиц в ускорителе, тем выше должен быть вакуум, иначе пучок рассеется из-за столкновений ускоряемых частиц с молекулами остаточных газов.

Тем не менее ускорители существуют и работают, а это означает, что многие проблемы так или иначе решены, и {часто достигнутые параметры ускорителя определяются именно вакуумом. Никаких особенных методов для очистки ускорителей нет. Для этого используют уже знакомые нам методы: прогрев, очистку газовым разрядом (ионной бомбардировкой) и т. п. Но если раньше все это умещалось на столе, то теперь вдоль вакуумной системы можно проводить гонки.

Особенность ускорителей состоит в том, что основная часть газовыделения ускорителя — это «стимулированное газовыде-ление» стенок, вызванное попаданием на стенки либо заряженных частиц, либо электромагнитного излучения, возникающего при движении заряженных частиц по окружности. Стимулированное газовыделение затрудняет применение в ускорителях криогенной откачки, так как намороженный на стенку газ будет срываться с нее излучением (хотя сама стенка будет оставаться холодной) и попадать обратно в объем. Дело в том, что при поглощении электромагнитного излучения стенка может не только нагреваться (что, конечно, само по себе уже вызывает десорбцию), но и эмигрировать электроны. Магнитное поле ускорителя возвращает их на стенку, и эти электроны вместе с самим излучением вызывают десорбцию.

Впрочем, при наличии частиц, движущихся в ускорителе, вакуум может не только ухудшаться, но и улучшаться. Ускоренные частицы ионизируют молекулы остаточных газов, а ионы внедряются в стенки ускорителя. Это явление называется «откачка пучком».

Разработка имитаторов космоса вызвала в свое время освоение криогенной откачки, а создание вакуумных систем мощных ускорителей вызвало исследования стимулированного газовыделения, создание вакуумной арматуры (кранов, затворов, управляемых дистанционно), проведение работ по надежности насосов, применяемых в ускорителях, и многое другое. Дистанционное управление потребовалось из-за высокого уровня радиации вблизи ускорителя, а вопрос о надежности вышел на первый план, когда количество насосов в ускорителе стало измеряться сотнями. А почему их требуется так много?

Камера ускорителя, в которой живет, ускоряется и тормозится, излучает и взаимодействует пучок частиц, длинная и узкая. Газ выделяется по всей ее длине, а откачивается только там, где подсоединены насосы. Ставить насосы вдоль всей камеры вплотную друг к другу невозможно (слишком дорого получится), а если ставить редко, то между насосами вакуум будет хуже. Это та же проблема, что при откачке электронных приборов через узкий и длинный штенгель, только масштабы другие. И другие пути решения возникшей проблемы. Для ускорителей основных таких путей известно два.

Первый — проложить рядом с камерой трубу большого сечения («высоковакуумный коллектор»), откачивать ее редко расположенными насосами (перепад давления в коллекторе мал, так как его сечение велико), а с камерой пучка коллектор соединить часто расположенными трубками (рис. 50 слева).

Второй путь — любым способом распределить насос по всей камере пучка (рис. 50 справа). «Распределенный насос» может быть реализован как криогенный (вся камера охлаждается и сорбирует) или как магниторазрядный — в этом случае можно использовать для работы насосов собственное магнитное поле ускорителя (поле, которое действует на заряженную частицу силой Лоренца и заставляет ее двигаться по кругу). Попутно решается еще одна проблема: поскольку насосы не имеют своих магнитов, можно не опасаться влияния их поля на пучок. Вакуумные системы крупных ускорителей содержат тысячи уплотнений и вводов, сотни насосов, вентилей, вакуумметров и управляются, конечно, с помощью ЭВМ.

Встречается в ускорителях и неустойчивость. При прохождении пучка протонов через недостаточно хороший вакуум образуются ионы, которые отталкиваются от пучка электростатическими силами, бомбардируют стенку, вызывают стимулированное газовыделение, и вакуум ухудшается. При ухудшении вакуума количество образующихся ионов увеличивается и т. д. При определенном значении тока пучка давление остаточного газа резко (лавинно) нарастает и пучок разрушается.

Хотя вакуумные проблемы ускорителей оказались сложными, они так или иначе решаются. А вот вакуумные проблемы токамака пока не решены. Качественное отличие вакуумных установок токамака и вообще установок для исследования плазмы состоит в огромных потоках откачиваемых из объемов газов. Действительно, плазма — это ионизированный газ, который надо откачивать. А это равносильно тому, что надо получать вакуум в установке, в стенке которой просверлено отверстие. Следствие — в крупном токамаке с общей скоростью откачки насосов в десятки тысяч м³/с (это больше, чем в имитаторах, и значительно больше, чем в ускорителях) достигается вакуум на много порядков хуже, чем в ускорителях.

Газы, которые приходится откачивать из токамаков,—это Н₂, D₂ (дейтерий), Т₂ (тритий), Не и Аг. Основные виды насосов — криогенные, турбомолекулярные, магниторазрядные и сублимационные (с испарением титана) в разных сочетаниях. Может быть, будут применяться и насосы, использующие явление сверхгазопроницаемости. Общая мощность, потребляемая насосами крупного токамака, составляет несколько мегаватт. Токамак должен работать импульсами, длительность рабочего цикла будет составлять несколько десятков секунд, а в промежутке между ними (несколько минут) камера должна откачиваться до вакуума 1—0,1 Па по газам, перечисленным выше. Но насосы все равно должны быть «высоковакуумными», так как остальных, примесных газов (продуктов натекания и газовыделения), должно быть меньше, чем в большинстве высоковакуумных систем.

Предъявление таких требований открывает новую страницу в вакуумной технике.