Десорбция газов — процесс освобождения адсорбированных на поверхности молекул газа обратно в объём вакуумной системы. В ускорителях это явление имеет критическое значение, так как остаточные газы могут вызывать рассеяние пучка, снижение прозрачности ускорителя для заряженных частиц и повреждение высоковакуумного оборудования.
Ключевые механизмы десорбции:
Термическая десорбция Возникает при повышении температуры поверхности. Колебательные состояния молекул на поверхности приобретают достаточную энергию, чтобы преодолеть потенциал адсорбции. Этот процесс описывается законом Аррениуса:
R(T) = R0 ⋅ e−Ed/kT
где R(T) — скорость десорбции при температуре T, Ed — энергия десорбции, k — постоянная Больцмана.
Фотонная десорбция В высокоэнергетических ускорителях (например, синхротронных источниках) газы десорбируются под воздействием синхротронного излучения. Плотность фотонов на стенках камеры может достигать 10¹⁷–10¹⁹ фотонов/с·см², что вызывает эжекцию адсорбированных молекул.
Ионная десорбция Ионы пучка или вторичные электроны сталкиваются с поверхностью, передавая энергию молекулам адсорбата и вызывая их высвобождение. Этот процесс часто приводит к возникновению газового пульса, особенно при первом прохождении интенсивного пучка через вакуумный канал.
Механическая и структурная десорбция Происходит при вибрации, ударе или пластической деформации материала, что нарушает адсорбционный слой. Особенно важно для металлических камер ускорителей, где кристаллическая решётка может локально разрыхляться.
Десорбированные молекулы создают локальное повышение давления, что напрямую влияет на сечение рассеяния пучка и интенсивность потерь частиц. Для количественной оценки используется коэффициент десорбции η, определяющий количество молекул, высвобождаемых с единицы поверхности на единицу времени и единицу потока:
$$ \eta = \frac{\Delta N}{F \cdot S} $$
где ΔN — число десорбированных молекул, F — поток фотонов или частиц, S — площадь поверхности.
Высокие значения η особенно критичны при работе с протонными и электронными пучками высокой интенсивности, так как они создают эффект самоподдерживающейся десорбции, когда высвобожденные молекулы ускоряют дальнейшее рассеяние.
Для поддержания высокого и ультравысокого вакуума применяются разнообразные насосные системы, способные компенсировать десорбцию:
Механические насосы Включают роторные и поршневые устройства. Используются на начальной стадии откачки, когда давление ещё относительно высокое (10⁻³–10⁻² мбар). Недостатком является ограничение на достижимое давление и высокая чувствительность к остаточным газам.
Турбомолекулярные насосы (ТМН) Основаны на переносе молекул за счёт вращающихся лопастей. Обеспечивают откачку до давления 10⁻⁸–10⁻⁹ мбар. Чувствительны к тяжелым газам, но эффективны для большинства легких компонентов атмосферы.
Криогенные насосы Используют низкие температуры для конденсации и адсорбции газов на холодных поверхностях. Особенно эффективны против водорода и гелия, которые плохо откачиваются механическими насосами.
Ионные и титаново-пористые адсорбционные насосы Обеспечивают ультравысокий вакуум (10⁻¹¹ мбар) за счет ионизации молекул и их закрепления на катодах или пористых материалах.
Эффективность вакуумной системы напрямую связана с балансом между скоростью десорбции Qd и скоростью откачки S:
$$ P = \frac{Q_d}{S} $$
где P — давление в системе.
Для минимизации давления и предотвращения накопления газов применяют пассивные методы подготовки камер:
В вакуумных системах ускорителей различают:
Контроль динамического давления необходим для предотвращения газовой индуцированной нестабильности пучка, особенно в электронных синхротронах и коллайдерах.
Эти меры позволяют достичь стабильного ультравысокого вакуума и обеспечить минимальные потери пучка, что критически важно для работы современных ускорительных комплексов.