Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 1)
Строили мы как-то сверхпроводящий ускоритель-рекуператор. Чтобы понять то, о чем я буду дальше писать, я немного объясню общие принципы работы и устройство такого ускорителя. Вот его схема:
На рисунке видно три ускоряющих модуля (синие), кольцо (которое не кольцо совсем) и поглотитель пучка (справа внизу).
Свой недолгий путь электроны начинают в инжекторе (слева внизу), еще сильнее ускоряются в бустере (второй модуль слева) и инжектируются в основной линак (синий модуль в центре). Линак их всех ускоряет еще сильнее - до 50 МэВ. Эти быстрые электроны не успевают повернуть в поглотитель и улетают по кругу, возвращаясь на вход основного линака. Только прилетают они к нему в противофазе (мы специально так длину кольца подобрали) и поэтому вместо ускорения тормозятся. На схеме с синусоидой показано, как сгустки электронов на вершине синусоиды ускоряются, а в минимумах - замедляются. При замедлении они отдают свою энергию обратно в резонаторы ускорительного модуля и вылетают справа уже замедленные до 6,3 МэВ. Теперь электроны "медленные" (так-то всё равно у них почти скорость света, просто энергия ниже) и не успевают проскочить поворот в поглотитель, где и тормозятся о медный блок. Тут вся идея в том, что энергия, которую отдали "быстрые" электроны при торможении, сразу же используется для ускорения "медленных", которые прилетели из инжектора. Т.е. происходит та самая рекуперация энергии. Сгустки из инжектора идут один за другим с частотой 1,3 ГГц, т.е. каждые 0,77 наносекунды. Конкретно в этом ускорителе нет никакого практического смысла - он просто ускоряет электроны и затем тормозит их же. Его задача - создание и экспериментальная отработка большого числа технологий, необходимых в таких системах.
Мы же с вами в этой статье сосредоточимся на инжекторе. Вот его схема (вид сверху):
В модуле инжектора находится его ключевой компонент - фотоэмиссионная сверхпроводящая пушка. Ну, еще сверхпроводящий соленоид и поглотитель высших мод (ПВМ). К пушке пристыкованы два каплера - антенны ввода мощности по 120 кВт и система крепления катодной вставки (левее пушки).
Вот схема пушки с обвязкой.
А вот так она выглядит без тюнера и каплеров:
Пушка представляет собой простой (ну, не совсем простой) электромагнитный резонатор. Вот он "голый" (это официальный термин, между прочим, - naked cavity), т.е. без гелиевого бака:
Немного познакомимся с устройством. На картинке цифрами обозначены: 1 – катодная труба (это "зад" пушки. В катодную трубу вставляется катодная вставка с самим фотокатодом), 2 – ячейка заградительного фильтра (это полость резонатора, настроенная так, чтобы электромагнитное поле из основного резонатора не уходило в катодную трубу), 3 – полу ячейка, 4 – главная ячейка резонатора, 5 –два порта каплеров (к ним пристыковываются антенны ввода мощности), 6 – пучковая труба, 7 – задняя стенка, 8 – отверстие для фотокатода (в него почти вровень с задней стенкой устанавливается фотокатод).
А вот сама катодная вставка, которая сзади вставляется в пушку:
Эта штука целиком вставляется в катодную трубу резонатора. Тут цифрами обозначены: 1 – транспортировочный стержень (с его помощью катодную вставку устанавливают в пушку. После этого стержень убирается), 2 – керамический тепло- и электроизолятор, 3 – фильтр Петрова (хитро посчитанная форма металлического корпуса для создания резонаторных полостей, служащих индукционными и емкостными элементами фильтра), 4 – байонетная пружина, 5 – держатель катода, 6 – фотокатод.
На самом деле держатель катода (5) внутри полый и имеет еще несколько коаксиальных тяг и пружин. Их задача сильно прижимать катод к держателю для его охлаждения и обеспечения электрического контакта:
Вот тот красный цилиндр справа и есть фотокатод. Это молибденовый цилиндр, на торец которого напылен слой материалов с высоким квантовым выходом. Ниже фото торца катода после напыления материалов:
В нашем случае напылено покрытие из цезия-калия-сурьмы (K2CsSb). Но бывают и другие (см. график ниже).
Тут видно, что даже для лучших материалов квантовый выход не превышает 20%. И даже это даётся очень дорого - напыление в сверхвысоком вакууме, хитрый график нагрева и отжига для формирования правильного химического соединения. Транспортировка из синтезирующей лаборатории в ускоритель в специальном вакуумном "чемодане". И при всём при этом готовое напыление "живёт" всего неделю при нашем сверхвысоком вакууме (который очень даже ничего себе).
Итак, фотокатод устанавливается в резонатор-пушку. В резонатор через антенны-каплеры подается СВЧ мощность. Через пучковую трубу на катод светит ультрафиолетовый лазер. Лазер выбивает электроны из фотокатода. Электроны сразу же подхватываются электромагнитным полем, ускоряются в полу ячейке, потом влетают в основную ячейку, где ускоряются уже почти до скорости света, и вылетают из резонатора. Примерная схема того, как это работает:
На картинке катод установлен в резонатор. Правее резонатора красным показан сверхпроводящий соленоид (магнитная катушка). Он выполняет роль магнитной линзы - фокусирует электронный пучок. Красными и желтыми линиями показаны границы электронного пучка для разных режимов.
Работает вся эта красота на частоте 1,3 ГГц при температуре 1,8 К (Кельвинов. Это -271,35 градусов Цельсия) и вакууме порядка 5e-11 мбар. При этом катодная вставка целиком достается и устанавливается без необходимости нагревать модуль или прерывать вакуумную откачку - очень замороченное устройство. Резонатор сверхпроводящий - сделан из чистейшего ниобия. Собственная добротность у него при рабочей температуре порядка 1e10. Т.е. собственные потери составляют одну десятимиллиардную.
Напряженность электрического поля на внутренней поверхности резонатора порядка 40-50 МВ/м (мегавольт на метр). При такой напряженности поля электроны вылетают из любой шероховатости или пылинки. И уж тем более из любой царапины. Эффект называется автоэлектронной (полевой )эмиссией (да-да, "любимые" всеми студентами Фаулер с Нордгеймом и Шоттки с его эффектом). Для правильной работы ускорителя электроны должны вылетать только с фотокатода и только в строго определенное время (именно тогда, когда его облучают импульсом лазера), чтобы попасть в нужную фазу во всех остальных элементах ускорителя. Любые посторонние электроны создают так называемый темновой ток (не тот, который в фотодиодах).
Такие электроны могут не просто лететь в ненужной фазе, но и лететь "вбок" или вообще в противоположную сторону. При ударе о любую поверхность (в самом резонаторе или в трубе в любой другой части ускорителя) разогнанные электроны во-первых, приведут к выделению тепла и тормозного излучения в рентгеновском или гамма-диапазоне, а во-вторых, выбъют из материала еще больше электронов (называемых вторичными электронами), которые в свою очередь продолжат этот праздник.
Если же в стенку они ударятся внутри сверхпроводящего резонатора, то выделение тепла может привести к потере сверхпроводимости - квенчу. В случае отсутствия быстродействующих схем защиты, которые мгновенно (за сотню микросекунд) выведут всю мощность из резонатора, жидкий гелий, охлаждающий резонатор снаружи, вскипит, т.е. превратиться в газ. А газообразные гелий занимает в 900 раз бОльший объем, чем жидкий. В общем, он просто разорвет и резонатор и модуль и трубопроводы. Вот пример разрушений вокруг от квенча сверхпроводника (в данном случае это был магнит) в жидком гелии:
Короче, темновой ток нам совсем не нужен. Когда его чуть-чуть, еще жить можно. Но желательно, чтобы совсем не было.
С основами разобрались, теперь можно к главной истории переходить.В общем, через пару недель тестов полностью собранного модуля катод уронили в пушку. (здесь были мои слова в адрес нескольких выдающихся уже бывших коллег).
Просто разобрать и собрать снова (если ничего не поцарапалось) - около года работы группы инженеров в чистой комнате. А если поцарапалось - нужно ставить вторую пушку, которая как раз находилась в производстве.
Что мы обнаружили при разборке модуля и как потом всё это дело чинили - во второй части. Там будет много картинок, как вы любите. Сюда уже просто не влезет после такого длинного введения. Зато вы теперь неплохо разбираетесь в устройстве ускорителей-рекуператоров и сверхпроводящих инжекторов.
