ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 6, с. 51-55
ЭЛЕКТРОНИКА И РАДИОТЕХНИКА
УДК 537.521.7
ВЛИЯНИЕ ГАЗА ПЕРЕЗАРЯДНОЙ МИШЕНИ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО УСКОРИТЕЛЯ-ТАНДЕМА С ВАКУУМНОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ
ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЗАЗОРОВ
© 2004 г. Д. И. Гамзенок, А. С. Кривенко, И. Н. Сорокин, В. В. Широков
Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН Россия, 630090, Новосибирск, просп. Акад. Лаврентьева, 11 Поступила в редакцию 12.01.2004 г.
В рамках программы создания электростатического ускорителя-тандема с вакуумной изоляцией на энергию протонов 2.5 МэВ и ток в десятки миллиампер измерено распределение плотности газа, выходящего в вакуумный объем из обдирочной мишени. Приведены результаты высоковольтных испытаний коаксиального 45-миллиметрового вакуумного зазора с электродами площадью 0.71 м2 при различных значениях остаточного давления.
Выяснение влияния газа обдирочной мишени на электрическую прочность высоковольтных вакуумных зазоров является одной из приоритетных задач для разрабатываемого в ИЯФ СО РАН протонного электростатического ускорителя-тандема с вакуумной изоляцией (рис. 1) [1].
Пучок отрицательных ионов водорода транспортируется от источника 3 и ускоряется в тракте 2 до энергии 1.25 МэВ, определяемой потенциалом высоковольтного электрода 5. Потенциал высоковольтного электрода задается выпрямителем 1. Полученный после потери двух электронов на газовой мишени, расположенной внутри высоковольтного электрода, протонный пучок дополнительно ускоряется до энергии 2.5 МэВ.
Газ в трубку 7 мишени подается через натека-тель 8, также расположенный внутри высоковольтного электрода. Промежуточные цилиндрические электроды - экраны 9 - определяют распределение потенциала вдоль ускорительного тракта. Распределение потенциала по электродам-экранам задается резистивным делителем 13, расположенным как внутри верхней 10, так и снаружи нижней 12 частей газонаполненного проходного изолятора. Внутренние коаксиальные цилиндры 11 связывают электроды нижней (газовой) и верхней (вакуумной) частей проходного изолятора.
В [2] показано, что при диаметре трубки мишени 10 мм и длине 400 мм 99%-ная обдирка ионов 10 мА пучка достигается при потоке газа мишени в десятки мТорр ■ л/с. В разрабатываемом тандеме расстояние между концом трубки обдирочной мишени и первым высоковольтным зазором составляет 100 мм (10 диаметров трубки). С учетом проводимости крышек-жалюзи высоковольтного и промежуточных электродов-экранов
скорость откачки вакуумного объема тандема внешним насосом 4 составляет 1500 л/с. При этих параметрах среднее значение давления в основной области высоковольтных зазоров тандема не превышает 5 ■ 10-5 Торр и не влияет на электрическую прочность вакуумных зазоров [3].
Часть потока газа мишени выходит в зазоры через отверстия в высоковольтном электроде, расположенные по тракту прохождения ионного пучка, локально повышая в соответствующей области ускоряющих зазоров остаточное давление. Внутренний насос 6 предназначен для замыкания на себя части газового потока мишени, т.е. понижения остаточного давления.
Знание осевого и радиального распределений плотности газа, выходящего в вакуумный объем из трубки мишени, позволяет оценить верхнюю границу остаточного давления в области ускорения ионного пучка и проверить влияние давления на высоковольтные характеристики тандема.
Работа посвящена определению зависимости электрической прочности высоковольтного вакуумного промежутка с электродами большой площади от величины остаточного давления, определяемого, в основном, потоком газа, поступающего в вакуумный объем из трубки обдирочной мишени.
Эксперименты проводились на прототипе тандема (рис. 2), в котором положительный потенциал каскадного генератора подавался на высоковольтный электрод 5 через проходной изолятор 1. Электродами высоковольтного коаксиального зазора (45 мм) служили цилиндрические стенки вакуумного объема 7 и высоковольтного электрода с "напряженной" площадью 0.71 м2. Отверстия для прохождения пучка в цилиндрической стенке высоковольтного электрода отсутствовали.
51
4*
Рис. 1. Общий вид электростатического 6-зазорного тандема с вакуумной изоляцией. 1 - выпрямитель, 2 - ускорительный тракт, 3 - источник ионов водорода, 4, 6 - внешний и внутренний насосы соответственно, 5 - высоковольтный электрод, 7 - трубка мишени, 8 - натекатель, 9 - экраны (промежуточные электроды), 10,12 - верхняя и нижняя части проходного изолятора соответственно, 11 - внутренние коаксиальные цилиндры, 13 - резистивный делитель.
Поток углекислого газа, выбранного для мишенных экспериментов, регулировался давлением газа, подаваемого на вход натекателя 3, размещенного внутри вакуумно-плотного объема, расположенного в высоковольтном электроде. Газ в объем подавался "с земли" по диэлектрической трубе 2. Форма аксиально-радиального распределения плотности потока газа исследовалась при снятом высоковольтном электроде. При этом расстояние от кон-
цов трубки мишени 4 (0внутр 10 мм, длина 400 мм) до стенки вакуумного объема составляло 75 мм.
Для повышения точности измерений (значимого превышения регистрируемой плотности газа в струе над остаточным - фоновым давлением газа в вакуумном объеме прототипа) использовалась азотная ловушка 6, чья холодная поверхность для молекул С02 работает как насос со скоростью откачки в десятки тысяч литров в секунду. Кроме то-
Р, Торр
10-3Р
6 4
2
10-4
6 4
2
10-5
6 4
2
10-6
170 мТорр • л/с
100
55
20
40
60
80 X, мм
Рис. 2. Схема измерений. 1 - проходной изолятор, 2 -диэлектрическая труба, 3 - натекатель, 4 - трубка мишени, 5 - высоковольтный электрод, 6 - азотная ловушка, 7 - вакуумный объем, 8 - горловина вакуумного объема.
го, вакуумный объем прототипа через горловину 8 откачивался турбомолекулярным насосом.
Для снятия распределения плотности газа был изготовлен ионизационный вакуумметр с осевым коллектором при объеме анодной сетки менее 1 см3. Конструкция привода вакуумметра позволяла перемещать его как в осевом, так и в радиальном направлениях без нарушения вакуумной плотности прототипа.
Рабочие поверхности корпуса вакуумного объема и высоковольтного электрода, изготовленные из нержавеющей стали, электрохимполировались и перед очередным экспериментом протирались растворителем. Электровакуумный прогрев поверхностей электродов экспериментального зазора не проводился.
В высоковольтных экспериментах фиксировались значения напряжения, остаточного давления, автоэмиссионного тока и радиационной нагрузки.
Диаметр газовой обдирочной мишени определяется характеристиками ускоряемого пучка [4] и во многом определяет величину газового потока, выходящего в вакуумный объем. Экспериментально полученные зависимости распределения плотности газа (локального давления) по оси струи для ряда потоков газа мишени показаны на рис. 3. Остаточное давление в вакуумном объеме для всех потоков газа измерялось на расстоянии 100 мм от оси потока и 10 мм от стенки вакуумно-
Рис. 3. Осевое распределение плотности газа в струе для различных потоков газа (цифры у кривых). X -расстояние от конца трубки мишени до центра вакуумметра.
го объема. Форма зависимости аксиального распределения плотности газа для точечного источника Р(Х) = А/Х2 + В, где А и В - константы, принята и для аппроксимации полученных экспериментальных данных. Для каждого потока подобраны такие значения констант А и В, чтобы расчетные зависимости (сплошные линии) и экспериментальные точки хорошо совпадали. При X < 15 мм эксперименты не проводились из-за прогнозируемой большой ошибки измерений (существенное изменение плотности газа на расстоянии порядка размера вакуумметра).
Видно, что для всех потоков газа давление по оси струи спадает медленно: на расстоянии от конца трубки до точки измерения, эквивалентном 6-6.5 диаметрам трубки, оно все еще в =4 раза превышает соответствующее фоновое давление в вакуумном объеме.
Для приведенной выше скорости откачки вакуумного объема разрабатываемого тандема одним внешним насосом, учитывая полученные экспериментальные результаты, мы оцениваем верхнюю границу ожидаемого давления по оси струи в районе первого высоковольтного зазора при потоке газа мишени 100 мТорр • л/с не более, чем в 2 • 10-4 Торр. Измеренная форма радиального распределения плотности газа струи примерно одинакова для вышеупомянутых потоков газа. График для потока в 100 мТорр • л/с приведен на рис. 4. Замечено, что для вышеупомянутых потоков газа остаточное давление вдоль оси струи по радиусу =30 мм не меняется в измеренном диапазоне расстояний и с ростом радиуса уменьшается до значения фонового быстрее, чем давление по оси с ростом расстояния от конца трубки.
Среднее значение напряженности электрического поля 66-миллиметровых высоковольтных ускоряющих зазоров ускорителя-тандема составляет
8
7
1
Р, Торр
Рис. 4. Радиальное распределение плотности газа в струе для потока 199 мТорр • л/с в плоскостях, перпендикулярных оси струи и расположенных на различных расстояниях от конца трубки мишени (указаны на графике). Я - расстояние от оси струи до центра вакуумметра.
33 кВ/см [1]. Из-за конструктивных особенностей диафрагм электродов в районе отверстий для прохождения пучка поле в области диафрагм увеличено, но не более чем на 50%. Приведенная выше оценка величины остаточного давления по оси пучка в области высоковольтных зазоров не гарантирует отсутствие в них газового разряда (область левой ветви кривой Пашена [3]). С уче-
том сделанных оценок напряженности поля и ожидаемого остаточного давления эксперименты по исследованию влияния последнего на электрическую прочность зазора проводились при вакууме до 4 • 10-4 Торр и напряженности электрического поля до 66 кВ/см.
Предложенные в [2] три возможных варианта откачки газа мишени (внешним насосом или внутренним криогенным, либо турбомолекулярным в режиме рециркуляции) определили набор исследуемых газов: аргон, азот и углекислый газ (сечения перезарядки этих газов мало отличаются). Углекислый газ перед высоковольтным экспериментом дополнительно очищался от механических примесей и влаги.
Регулиру
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.