2774.Вакуумные технологии

Процесс «тренировки» вакуумных систем − весьма специфический этап технологии вакуумирования ЭФУ. Особенно важна роль тренировки в термоядерных установках и накопителях, где наиболее высока интенсивность электромагнитных и корпускулярных потоков, воздействующих на стенки. Назначение тренировки – формирование близкой к атомарно чистой поверхности камеры, ограничивая тем самым поступление в систему газовых потоков десорбционного происхождения со стенок. Для повышения эффективности тренировки вакуумных систем необходимо сочетать традиционные методы физико-химической очистки поверхности, термическое обезгаживание и обработку стенокускоренными частицами или электромагнитным излучением.

Для вакуумных систем ЭФУ характерно применение широкой гаммы конструкционных материалов. Вакуумные камеры экспериментальных термоядерных установок и протонных синхротронов выполняются обычно из немагнитных прецизионных коррозионно-стойких сплавов с высоким удельным электросопротивлением (Фени 42Н, 40ХНЮ-ВИ, 40КХНМ, элинвар 36НХТЮ, 36НХТЮ8М).

В электронных синхротронах эксплуатируются камеры, выполненные из металлических сплавов или керамики на основе оксида алюминия. Диафрагмированные волноводы линейных ускорителей электронов и высокочастотных сепараторов выполняются из бескислородной меди.

Ускорительные трубки высоковольтных ускорителей конструктивно представляют собой набор диэлектрических колец из высоковольтного фарфора и электродов из титана, нержавеющей стали или алюминия, торцевые стыки которых при сборке герметизируются при помощи сварки, пайки или клеев.

Электроно- и ионопроводы, камеры экспериментальных стендов, каналы вторичных пучков выполняются либо из алюминиевых сплавов, либо из нержавеющей стали. В вакуумных камерах устанавливают стационарные и подвижные магнитные линзы и диполи, пробники, мишени, датчики для измерения па-

171

раметров пучков, отклоняющие электроды и некоторые другие устройства, в которых используются ферриты, керамика, полимерные материалы, герметики различных типов, полупроводниковые или теплозащитные покрытия и другие материалы.

Наиболее востребованными конструкционными материалами для сверхвысоковакуумных систем последнего поколения, работающих в диапазоне давлений 10–8−10–11Па, являются алюминий и его сплавы. Как чистый алюминий, так и его сплавы имеют предельно низкую скорость газовыделения, не меняют кристаллическую структуру при сверхнизких температурах, имеют низкую остаточную радиоактивность в радиационной окружающей среде и малую плотность. Обладая высокой теплопроводностью и малым коэффициентом излучения детали из алюминия и его сплавов выдерживают интенсивные тепловые потоки при относительно низкой температуре плавления.

В конструкциях современной сверхвысоковакуумной техники также широко применяются легкие сплавы на основе алюминия с магнием и кремнием и сплав алюминия с магнием для стенок вакуумных камер. Первым применением на практике технологии сверхнизких давлений было сооружение электронного синхротрона (электрон-позитронного коллайдера) TRISTAN (1986–1995 гг.) в г. Цукуба, Япония. Он был сконструирован Японской национальной лабораторией физики высоких энергий (КЕК) полностью из алюминиевых сплавов, причем для изготовления профилей синхротрона сложной конфигурации был разработан новый метод экструзии алюминиевых сплавов.

Экструзия осуществляется в газовой среде из смеси 93 % аргона и 7 % кислорода. В присутствии кислорода в процессе обработки на поверхности профиля образуется тонкий (до 3 нм), плотный слой окиси алюминия. Процесс обработки поверхности из сплавов алюминия в аргоново-кислородной среде получил название ЕХ-процесса. ЕХ-процесс применяется в сочетании с нагревом.

172

Значительно снижает газовыделение термическая обработка. Если до прогрева скорость газовыделения составляет 10–8 Па·л·с·см–2 после 10 ч откачки, то после прогрева при

температуре 423 К в течение суток она снижается до

10–11−10–12 Па·л·с·см–2.

Сравнительно недавно в Токийском исследовательском институте средств связи разработана высокоэффективная технология зеркальной полировки поверхностей из алюминиевых сплавов, получившая название органомеханохимическое полирование (ОМХП). В вакуумной камере, внутренние поверхности которой отполированы методом ОМХП, достигается остаточное давление l,5·10–9 Па после 48 ч откачки двумя турбомолекулярными насосами с суммарной быстротой откачки 0,4 м3/с. При откачке камеры теми же насосами в сочетании с сублимационным титановым насосом предельное остаточное давление снижается до величины 4,9·10–11 Па.

7.5.Оборудование для исследования физики плазмы

Врамках фундаментальных исследований физики плазмы разрабатываются и эксплуатируются различные типы исследовательских установок. В Институте инновационных и термоядерных исследований (Троицк) создан вакуумный многоканальный спектрограф для исследования пространственной анизотропии излучения в импульсных рентгеновских излучениях. Востребованность приборов такого типа обусловлена необходимостью анализа степени анизотропии рентгеновской эмиссии при изучении возможностей использования плазмы сильноточного Z-пинча

вкачестве лазерной среды для генерации коротковолнового излучения.

Конструкция спектрографа состоит из источника рентгеновского излучения, блока входных щелей, вращающейся платформы, диспергирующих элементов, узла удвоения угла, полупроводниковых детекторов, выходных окон, узла перемотки фотопленки, фотопленки и регистрирующей аппаратуры.

173

В качестве источника нагрева плазмы в проектируемых термоядерных установках предлагается использовать стационарную инжекцию потоков нейтронов с энергией около 1 МэВ и значением эквивалентного тока до 10 А. Такие инжекторы могут быть созданы лишь на основе пучков отрицательных ионов с соответствующими параметрами. В рамках решения проблемы в Институте ядерной физики НАН Украины разработан перспективный плазменный источник отрицательных ионов водорода. Конструкция источника состоит из накаливаемого катода, катодной диафрагмы, извлекаемого электрода, отверстия для напуска газа, разрядной колонны, антикатода и таблетки двуххромовокислого цезия. Давление водорода в камере источника варьируется в пределах 2·10–2–2·10–1 Па, а напряжение разряда – от 100 до 200 В соответственно. В качестве источника электронов используется накаливаемый вольфрамовый катод.

Фирмой Physical Sciences (США) разработан метод инфракрасной эмиссионной спектроскопии потоков с высокой разрешающей способностью. Метод обеспечивает определение концентраций и температур вдоль линий тока в сверхзвуковых высокоэнтальпийных потоках. Полученные с помощью встроенного спектрометра данные, относящиеся к интервалу температур 3000–4000 К и диапазону давлений 1−4 МПа, хорошо сходятся с результатами, полученными подтверждающим методом лазерной флуоресценции. В настоящее время метод применяется также для измерений концентраций воды в космическом комплексе, работающем на водороде.

Представляет интерес разработанный в Институте физики НАН Беларуси однолучевой абсорбционный инфракрасный газоанализатор для определения концентрации газов в пламени и горячих потоках продуктов сгорания различных видов топлива в газотурбинных, ракетных и других двигателях.

174

8. ВАКУУМНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ИМИТАЦИИ УСЛОВИЙ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА

8.1. Имитаторы космического пространства

Имитировать условия космического полета необходимо для испытания материалов и оборудования, для проверки правильности их подбора и расчета и определения их пригодности для космоса, а также для тренировки людей, которые будут участвовать в космическом полете. Имитаторы условий космического полета очень разнообразны по своим размерам: это может быть и барокамера высотой более 36 м, в которой проходят испытания целые космические корабли в Центре пилотируемых космических кораблей в Хьюстоне (штат Техас), и водородная пушка (рис. 8.1)

вИсследовательском центре НАСА

вЭймсе (штат Айова), которая представляет собой модификацию вакуумной аэродинамической трубы, в которой поток разреженного водорода со скоростью 13 км/с

корабля в разреженую атмосферу таких планет, как Марс и Юпитер. Эту пушку можно использовать и для изучения влияния бомбардировки микрометеоритными частицами на различные материалы.

175

Большинство имитаторов различного типа дает возможность с определенной степенью точности воспроизводить отдельные параметры космического пространства.

В космическом пространстве имеет место вакуум порядка 10–14 Па при температуре, близкой к 0 К. В нем распространяется солнечное излучение мощностью порядка 0,15 Вт·см–2 и существуют потоки метеорных и заряженных частиц. Космические аппараты при свободном полете в космосе находятся в невесомости. Таким образом, условия в космосе весьма разнообразны и сильно отличаются от земных, поэтому в имитаторах космического пространства обычно воспроизводятся лишь те условия космоса, которые являются определяющими для данного исследования. Нетрудно понять, почему универсальный имитатор невозможен в действительности, да и просто не нужен. Невозможно, например, сознательно облучить космонавта дозой радиации, которая возможна в космосе, предельно сократив таким образом допустимую для человека дозу. Также невозможно современными техническими средствами построить большую барокамеру, создав в ней характерное для космоса разрежение до 1·10–14 Па. Еще не так давно в таких больших камерах удавалось лишь в отдельных случаях создать давление порядка 1·10–4–1·10–8 Па, что соответствует высоте приблизительно 330 км над Землей. Для многих исследований обычно достаточно давления порядка 10–3–10–5 Па. Однако такое разрежение вполне достаточно для испытаний большинства узлов космического летательного аппарата (КЛА). Ряд ограничений накладывается на имитаторы основными законами физики. Так, в гравитационном поле Земли невозможно создать условия невесомости, за исключением очень коротких промежутков времени.

Тем не менее можно сделать заключение, что имитаторы космических условий позволяют экономить время и средства при разработке и опробовании космических кораблей, скафандров и стартовых двигателей. Имитаторы также знакомят космонавтов с динамикой и условиями будущих полетов и дают им возможность предполетных тренировок и проверки КЛА.

176

Камеры имитаторов строятся самых разных размеров: от малых (с диаметром порядка нескольких десятков сантиметров) для испытания мелких деталей до очень больших (диаметром порядка десятков метров), позволяющих поместить целый космический корабль, спутник или модуль. Чаще всего используются цилиндрические камеры диаметром до 7–8 м и длиной до 9–10 м для испытаний отдельных узлов и систем корабля. Корпуса имитаторов изготавливаются из нержавеющей стали с частичным применением меди и алюминия.

Обычно в имитаторах для разработки, исследования и испытания материалов и оборудования, кроме низкого давления, создаются также условия температуры и освещенности, с которыми испытываемый объект может встретиться в космосе.

Солнечный свет имитируют с помощью мощных дуговых угольных, ртутных или ксеноновых ламп, которые обычно устанавливаются вне камеры, снаружи. Свет и тепловая энергия от этих источников через систему отражателей направляются на кварцевые окна камеры имитатора и, пройдя сквозь них, попадают на систему линз и зеркал, установленную уже внутри камеры, где фокусируются и направляются ею на испытываемый образец. Некоторые большие камеры имеют встроенную внутреннюю систему освещения. Для имитации условий низких температур, которым в космосе может подвергнуться объект, не освещенный солнечным светом, стенки камеры имеют панели или змеевики, охлаждаемые циркулирующим жидким азотом. Таким образом, в камере можно длительно поддерживать температуру ниже 80 К.

Система из ртутно-ксеноновых ламп и рефлекторов, которые фокусируют излучение этих ламп в пучок, проходящий далее через четыре кварцевые линзы, точно имитирует инфракрасную, видимую, а также ультрафиолетовую части спектра солнечного излучения. Эти лампы располагаются на съемных крышках, которые позволяют поместить в камеру КЛА или ка- кие-либо его узлы, предназначенные для текущих испытаний.

177

Человек, входящий в камеру имитатора при включенных лампах (когда камера еще не вакууммирована), должен надеть специальный алюминизированный защитный костюм, отражающий тепловые лучи, и маску-фильтр, не пропускающую озон, образующийся в камере под действием ультрафиолетового излучения.

Более глубокий вакуум для испытания систем и подсистем пилотируемых и непилотируемых КЛА, а также небольших искусственных спутников Земли (ИСЗ) можно создать в камерах меньших размеров. Камера такого типа сооружена в Арнольдовском научно-исследовательском центре ВВС в Таллахоме, штат Теннесси. В этой камере (ее высота тоже 10,6 м) можно понизить давление до уровня, соответствующего высоте 640 км над уровнем моря. В камере Научно-исследовательского центра космических исследований в Хантингтон-Бич, штат Калифорния, имеющей объем2,24 м3, можно создатьостаточное давление 1·10–10 Па.

Одну из сложных проблем создает наличие у камеры стенок, отсутствующих в космосе. Они выделяют молекулы, которые движутся от стен к центру камеры и затрудняют сохранение надлежащего вакуума.

Влияние высокого вакуума на космический аппарат и его оборудование разнообразно. Так, например, десорбция газов из металлических конструкций, соприкасающихся с вакуумом, вызывает определенные изменения структуры металлов. В то же время испарение различных смазок и улетучивание газов с трущихся поверхностей (например, в подшипниках) приводит к значительному увеличению коэффициента трения, что вызывает трудности обеспечения надежной работы подвижных механизмов и узлов трения, работающих в условиях вакуума.

В случаях, когда необходимо создать предельный вакуум ≈10–8 Па, атмосферный гелий, не поддающийся криогенной откачке, удаляется сублимационно-ионными насосами. Для термовакуумных испытаний, как правило, достаточно рабочее давление порядка 10–2–10–5 Па. Если в камере выделяется большое ко-

178

личество водяного пара, то его откачивают при помощи криопанелей, охлаждаемых жидким азотом. Для получения низкого давления большой имитатор условий космического пространства откачивают от 2–3 ч до двух недель.

На рис. 8.2 представлен большой космический имитатор с полезными размерами пространства 8,5×12 м для комплексных испытаний космических кораблей. Температура в камере составляет 80 К, а имитированная мощность солнечной радиации ≈2,5 кВт. Откачка производится системой масляных диффузионных насосов (с ротационными форвакуумными насосами) и азотными криопанелями (80 К); предельный вакуум 10–9 Торр получают при помощи охлаждаемых газообразным гелием (20 К) криопанелей, которые установлены за азотными панелями.

Рис. 8.2. Внешний вид и схема космического имитатора для испытания непилотируемых космических кораблей (Центр космических полетов им. Годдарда, NASA, Гринбелт, Мэриленд, США): 1 – механические форвакуумные насосы; 2 – масляные диффузионные насосы; 3 – внутренняя камера, охлаждаемая жидким азотом (80 К); 4 – криопанели, охлаждаемые газообразным гелием (20 К); 5 – лампы, имитирующие солнечное излучение; 6 – охлаждение имитатора солнечного излучения; 7 – платформа для установки космического корабля; 8 – воздушный

шлюз с двумя люками; 9 – исследуемый космический корабль

179

Один из самых больших имитаторов Mark 1 (Научно-иссле- довательский центр им. Арнольда, США) показан на рис. 8.3.

Рис. 8.3. Имитатор космического пространства больших размеров (Центр им. Арнольда, ВВС США)

Камеры для испытаний КЛА с участием человека по сути имеют ту же конструкцию и работают точно так же, как и камеры для испытаний без участия человека. Отличие состоит в том, что в камерах, где испытания проводятся с участием человека, предусмотрена быстрая разгерметизация на случай возникновения аварийной ситуации.

180