Взаимодействие пучков с газом провоцирует нестабильность пучка и рост размеров пучка, что снижает вероятность коллизий в детекторах. Наконец, вакуум необходим для предотвращения электрического пробоя в высоковольтных устройствах и служит отличным теплоизолятором, широко используемым в криогенике. В ЦЕРНе действует одна из крупнейших в мире вакуумных систем [1, с. 2]. Большой адронный коллайдер (БАК) — лучший пример достижений ЦЕРН в области вакуумных технологий. Для создания вакуумной системы потребовалось более 250 000 сварных соединений и 18 000 вакуумных уплотнений, тысячи насосов, клапанов, манометров, ПЛК и контроллеров, которые требуют постоянного контроля с соблюдением самых высоких стандартов надежности.
В ускорителях частиц пучки стимулируют дополнительную десорбцию , которая может быть основным источником газа. Стимулируемая пучком десорбция происходит непосредственно из-за потерь пучка или косвенно за счет излучения синхротронного света и ускорения электронов и ионов, создаваемых ионизацией остаточного газа. Бомбардировка поверхностей такими частицами приводит к десорбции газа.
Все эти явления способствуют деградации статического вакуума, порождая так называемый динамический вакуум. Ускорители, подвергшиеся стимулированной десорбции, сначала работают при постепенно увеличивающемся токе пучка, так что доза воздействующего частиц увеличивается без чрезмерного увеличения потерь пучка. Типичными преобразованиями поверхности являются восстановление гидроксидов и графитизация углеводородных загрязнений [2, с. 109].
Самопроизвольный и лучевой газовыделения распределяются по кольцу ускорителей, а вакуумные насосы устанавливаются в точно определенных местах и действуют локально. Скачок давления усиливается, когда проводимость пучка-трубы мала, т. е. при малых диаметрах и большой длине. Такая проблема была устранена с развитием распределенной прокачки. Инновационное решение на основе неиспаряющихся геттерных (NEG) пленочных покрытий было разработано в конце 90-х годов в CERN [3, с. 57]. Вакуумная камера покрыта тонкой пленкой Ti-Zr-V толщиной мкм. Около 1400 вакуумных камер, около 6 км пучковых труб были покрыты NEG для БАК и с 2008 года работают с пучками [4, с. 382].
С 2014 года криогенные установки LHC испытывают неожиданно высокую тепловую нагрузку в схемах луч-экран. Избыточное тепло распределяется по кольцу неравномерно ; затронуты только четыре октанта. Сегодня имеется достаточно доказательств того, что проблема возникает из-за вторичных электронов , ускоренных протонными пучками и размноженных поверхностями луча-экрана, так называемого феномена электронного облака. ЦЕРН разработал решение, которое снижает эффект мультипакта электронов.
Развитие вакуумной технологии при миллиметровом диаметре требует изобретательности для альтернативных производственных процессов, откачки и измерения давления. Как высокая энергия, так и высокая интенсивность могут стать отличительной чертой таких ускорителей, как LHC High-Luminosity, который будет запущен в 2027 году, и Future Circular Collider (FCC-hh), который находится на исследовательском уровне. Чем выше индуцированный радиоактивность, особенно вблизи экспериментальных зон, потребует, чтобы вакуумные системы стали совместимы с роботизированными вмешательствами. Начаты предварительные работы по проектированию систем, которые можно устанавливать, демонтировать и тестировать на герметичность удаленно. Недавно были разработаны инновационные соединения на основе сплавов с памятью формы [5, с. 105] для полной дистанционной обработки соединений между вакуумными камерами.
Наконец, стремление к «абсолютному» вакууму. Экспериментальная физика требует беспрецедентно низких плотностей остаточного газа для проведения экспериментов нового типа. Моделирование плотности газа, выбор материалов, механические вибрации, транспортные ограничения и измерение давления должны быть проанализированы подробно и все вместе, чтобы подтвердить осуществимость таких экспериментов.
Несомненно, что на протяжении десятилетий использование вакуума в крупномасштабных научных приборах привело к впечатляющему прогрессу в вакуумной науке и технике. Недавно утвержденная Европейская стратегия по физике элементарных частиц открывает путь для новых разработок, отвечающих потребностям физики высоких энергий и ядерных частиц, а также потенциальному побочному развитию технологий, которые могут служить астрофизике и экспериментам с гравитационными волнами.
Список литературы
- J. M. Jiménez Vacuum 84, 2 (2009).
- R. Cimino, M. Commisso, D. R. Grosso, T. Demma, V. Baglin, R. Flammini and R. Larciprete, Phys. Rev. Lett. 109, 064801 (2012).
- C. Benvenuti, P. Chiggiato, P. Costa Pinto, A. Escudeiro Santana, T. Hedley, A. Mongelluzzo, V. Ruzinov and I. Wevers, Vacuum 60 1-2, 57 (2001).
- P. Chiggiato and P. Costa Pinto, Thin Solid Films 515, 382 (2006).
- R. Valizadeh, O. B. Malyshev, S. Wang, S. A. Zolotocskaya, W. A. Gillespie and A. Abdolvand, Appl. Phys. Lett. 105, 231605 (2014).
