В ускорителях для движения заряженных частиц необходимы условия глубокого вакуума, сопоставимые с таковыми, существующими на половине пути от Земли к Луне. При ухудшении вакуумных условий электроны, сталкиваясь на высоких скоростях с атомами остаточного газа, будут рассеиваться и разрушаться на стенках вакуумной камеры, что приведет к сокращению времени жизни пучка и повышению радиационного фона вблизи ускорителя. Для поддержания заданных параметров установки в вакуумной камере синхротрона требуется, чтобы разряжение было на 12 порядков ниже, чем в обычной комнате. В накопительном кольце будет установлено 800 геттерных насосов, разработанных и произведенных специалистами Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) совместно с ООО «Оптикон» (г. Новосибирск) и заводом порошковой металлургии АО «Полема» (г. Тула). Создание геттерных насосов – это еще одна технология, разработанная российскими специалистами в рамках проекта ЦКП «СКИФ», что позволило заменить импортное оборудование. Данная технология может быть востребована и для реализации других научных проектов. В настоящее время физики ИЯФ СО РАН изучают возможность применения вакуумных насосов в плазменных установках. Данные работы находятся на стадии исследований, однако предварительные испытания прототипов геттерных насосов показали скорость откачки водорода 1300 л/с, а дейтерия – 700 л/с. Результаты опбуликованы в журнале «Известия РАН».
«За функционирование пучка отвечают вакуумные камеры, которые проходят через все магниты. По словам заведующего лабораторией ИЯФ СО РАН, кандидата физико-математических наук Александра Краснова, это оборудование, хоть и незаметное, играет ключевую роль. Пучок электронов движется по замкнутой орбите внутри последовательности соединенных вакуумных камер. Бесперебойная циркуляция пучка в синхротроне напрямую зависит от характеристик этих камер, в частности, от их герметичности и степени вакуума. Концентрация молекул газа по всей орбите, которая составляет 477 метров, должна быть на 12 порядков меньше, чем концентрация в обычном помещении. Поэтому основная трудность при создании подобных устройств заключается в обеспечении их вакуумной герметичности. Помимо этого, интенсивное синхротронное излучение вызывает испарение молекул газа, осевших на внутренней поверхности вакуумных камер. Эти потоки молекул создают значительную нагрузку на системы откачки, поэтому для их работы необходимо использовать высокоэффективные геттерные насосы и располагать их на достаточном расстоянии друг от друга вдоль кольцевой траектории пучка. При этом эти насосы должны быть компактными, поскольку все магнитные элементы расположены очень плотно, что существенно ограничивает доступ к вакуумным камерам».
Для синхротрона СКИФ совместно с ООО «Полема» были разработаны и изготовлены высокопроизводительные комбинированные насосы, способные создавать вакуум до 10 -11 Завод порошковой металлургии АО «Полема» изготавливал геттерные материалы для производства торров».
«Геттерные насосы классифицируются на сосредоточенные, которые размещаются в определенной точке вакуумной камеры, и распределенные – представляющие собой газопоглощающее вещество, нанесенное на внутренние поверхности камеры, – пояснил старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат технических наук Алексей Семенов. На накопительном кольце ЦКП “СКИФ” преимущественно будут использоваться сосредоточенные насосы, основанные на нераспыляемых геттерах. Они производятся из химически активных металлов, включая титан, цирконий, ванадий и их сплавы, и обычно имеют форму прессованных или спеченных порошков. Ведущим мировым производителем таких насосов является итальянская компания SAES Getters, их геттеры применяются, к примеру, в установках Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН, Швейцария). На стадии проектирования ЦКП “СКИФ” было определено, что приобретение зарубежных геттеров будет сопряжено со значительными затратами, поэтому разработка собственного направления в этой области была начата еще в 2020 году.».
Геттерные насосы отличаются высокой производительности на единицу объема. Помимо использования для создания сверхвысокого вакуума в синхротронах, геттеры могут быть применены в плазменных установках, где требуется удаление значительных потоков водорода и дейтерия. В этом направлении ведутся исследовательские работы, проводимые специалистами ИЯФ СО РАН.
«Работа плазменных установок имеет свою особенность: для поддержания плазмы требуется значительный поток газа, из которого лишь 10% расходуется на формирование ионов, а остальные 90% необходимо оперативно удалять. По словам Алексея Семенова, для этого чаще всего применяются крионасосы. Однако, итальянская компания SAES Getters, занимающаяся разработкой и испытанием геттерных насосов для установки термоядерного реактора “DEMO” (преемника Международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР), демонстрирует новый подход. В институте был изготовлен и испытан прототип вакуумного насоса на основе нераспыляемых геттеров. Полученные результаты показали скорость откачки водорода – 1300 л/с, а дейтерия – 700 л/с. Замена крионасосов на геттеры в существующих плазменных установках Института ядерных физики им. Г.И. Будкера не планируется, но использование геттеров представляется перспективным для проекта Газодинамической магнитной ловушки (ГДМЛ), который реализуется в институте».
ГДМЛ представляет собой ключевой магистральный проект в области физики плазмы, реализуемый в ИЯФ СО РАН. Предполагается, что в ходе реализации ГДМЛ будет показана возможность создания компактного термоядерного реактора, использующего магнитные ловушки открытого типа, и отличающегося экономической и экологической выгодой.
«В открытых ловушках, к которым относится установка ГДМЛ, водородная плазма покидает центральную секцию через магнитные пробки, расширяется вдоль силовых линий магнитного поля и достигает плазмоприемников. При столкновении ионы плазмы нейтрализуются, – об этом рассказал старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук Сергей Полосаткин. Повторная ионизация газа (водорода), образующегося в результате этого процесса, может приводить к накоплению холодной плазмы вблизи плазмоприемников, что негативно сказывается на эффективности работы установки. Поэтому образовавшийся газ необходимо удалять с помощью системы откачки. В отличие от исследовательских установок, используемых сегодня в ИЯФ, в ГДМЛ предполагается работа в режиме очень длительных (до 100 секунд) импульсов, и система откачки должна эффективно захватывать значительный поток водорода на протяжении всего этого времени. Использование нераспыляемых геттеров в системе откачки представляется весьма перспективной технологией, а характеристики разработанных геттерных насосов позволяют надеяться на возможность масштабирования этой технологии для использования в ГДМЛ. Поскольку геттерные насосы, разработанные для проекта СКИФ, изначально создавались для работы в существенно ином режиме – в сверхвысоком вакууме при небольших потоках газа, требуются дополнительные исследования для оценки стойкости геттеров при многократных циклах заполнения водородом и последующей регенерации».
Центр коллективного пользования «СКИФ» является источником синхротронного излучения четвертого поколения+. Установка возводится в Новосибирской области в рамках национального проекта «Наука и университеты» и в соответствии с Указом Президента Российской Федерации от 25 июля 2019 года. Реализация проекта находится на особом контроле полномочного представителя Президента Российской Федерации в Сибирском федеральном округе. ФИЦ «Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН» выступает заказчиком и застройщиком ЦКП «СКИФ». Проектирование объекта осуществляет Центральный проектно-технологический институт (АО «ЦПТИ», входящий в топливную компанию Росатома «ТВЭЛ»). «Концерн Титан-2», входящий в структуру Росатома, является генеральным подрядчиком. Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН выполняет изготовление и запуск технологически сложного оборудования для ЦКП «СКИФ.