Шов как у хирургов: супергерметичная сварка вакуумных камер повысит качество экспериментов FAIR
- 20.11.2019
Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) изготовит более сотни вакуумных камер для Европейского исследовательского центра ионов и антипротонов (FAIR, Германия). Отличительная особенность новосибирских вакуумных камер заключается в сварочном шве, соединяющем части детали. Благодаря технологии электронно-лучевой сварки, применяющейся в ИЯФ СО РАН, он получается супергерметичным и позволяет достигать внутри камеры глубокого разрежения воздуха – в триллионы раз меньшего, чем в обычной комнате. Такие параметры необходимы для эффективной транспортировки ионов и создания вакуумированной сети коммуникаций с диагностическим оборудованием в ускорительном комплексе FAIR.
Европейский исследовательский центр ионов и антипротонов – FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) – крупнейший ускорительный комплекс по исследованию современной ядерной и субъядерной физики, создаваемый в Германии на базе Центра по изучению тяжелых ионов имени Гельмгольца (GSI, Дармштадт).
«FAIR – это огромный европейский мегасайенс проект стоимостью порядка трех миллиардов евро. В денежном исчислении 20 % всего оборудования для проекта будет произведено в России, и в этом плане ИЯФ СО РАН вносит наибольший вклад, – рассказывает начальник отдела разработки накопительного кольца Collector Ring (CR) ускорительного комплекса FAIR Алексей Долинский. – В рамках реализации FAIR планируется построить шесть подпроектов и почти для каждого из них институт производит оборудование. В накопительное кольцо CR наши новосибирские коллеги вкладываются больше всего: производят практически все компоненты (магниты, источники питания, вакуумные системы, диагностические элементы, системы ввода-вывода пучка), а также несут ответственность за запуск всей установки».
Изображение модели вакуумной камеры. С. Глуховченко.
Одна из задач ИЯФ СО РАН – разработка и производство вакуумных камер для накопительного кольца CR, где будет происходить охлаждение пучков ионов и антипротонов, которые в дальнейшем будут использоваться для прецизионных экспериментов в рамках различных исследовательских программ FAIR. Также в CR планируется проводить измерения масс редкоземельных изотопов с очень высокой разрешающей способностью.
«Ускорительный комплекс FAIR состоит из нескольких больших установок, соединенных между собой сложными коммуникациями с диагностической аппаратурой, – рассказывает заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук Александр Краснов. – Все эти коммуникации, длинна которых составляет несколько километров, должны быть вакуумированы. Уровень разрежения определяет условия для транспортировки ионов из одних установок в другие и, в принципе, условия проведения прецизионных экспериментов по изучению свойств тяжелых ионов. Необходимый уровень вакуума создается благодаря нашим герметичным камерам».
Каждая вакуумная камера собирается из нескольких деталей, стыки которых должны быть полностью герметичны. Это важное, но не последнее требование к такого рода объектам. Камера не должна содержать микротрещин и микрополостей, потому что газ из них может выходить в течение нескольких лет. Поэтому качество сварочного шва можно сравнить с качеством шва хирурга. Достичь высокой вакуумной плотности швов позволяет технология электронно-лучевой сварки, которую успешно применяют и развивают в ИЯФ СО РАН.
Строительная площадка FAIR. Октябрь, 2019. Photo D. Fehrenz/GSI/FAIR.
«Из всего многообразия требований, которые предъявляются к вакуумным камерам, одно из самых важных – высокий вакуум, то есть чистота камеры внутри, – рассказывает заведующий сектором научного отдела ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук Александр Старостенко. – Электронно-лучевая сварка хороша тем, что материалы шва после сварки становятся более чистыми, без дополнительных примесей, в отличие, например, от сварки в защитном газе. За один подход мы провариваем всю длину вакуумной камеры (2 м) и всю толщину (8 мм). Шов получается очень красивый и качественный».
По словам Александра Краснова, внутри вакуумных устройств производства ИЯФ СО РАН можно будет создать разрежение на 12 порядков меньшее, чем плотность воздуха, которым мы дышим.
«Сама сварка происходит достаточно быстро – со скоростью 1 см/сек. Так что одну двухметровую камеру мы варим около трех минут. Несколько больше времени занимают подготовительные мероприятия – установка деталей в нужное положение и получение вакуума в рабочем объеме, а также, поскольку каждое изделие требует своего шва, тщательной проработки, тестовых экспериментов», – добавляет Александр Старостенко.