ISTUDOS DO SISTEMA DE VÃCUO PARA UM ACELERADOR LINEAR DE ELÉTRONS por
* Publicado na Revista Brasileira Api.Vac,Vol.2,N9 1(1982). RELATOfrlO DE PESQUISA IE Ar/RP-09/85 * ESTUDOS DO SISTEMA DE VACUO PARA UM ACELERADOR LINEAR DE ELÉTRONS por O.L.Gonçalez R. Silva Ctntro Tt'cnieo Atrottpoelol Inttltuto dt Ettudot Avonçodot Rodovto dot Tomólo», Km 5,5 12.200-Sòo Jott* dot Compot - SP Brotll
tev.braall.apl.vac, Vol. 2, M9 1, 1982 SSTCDOS 00 SISTEMA OB VftCOO PARA UM ACELERADOR LINEAR OB ELÉTRONS O.L.Goncalez e R.Silva instituto de Atividades Espadais, EAV-CTA 12200 - São José dos **»m» - SP o estudo de parâmetros de sistema de vã cuo na estrutura de um acelerador linear de elétrons alimentado por radio freqüência,de ve-se levar em conta a liberação periódica, induzida pela rádio freqüência, dos gases adsorvidos nas paredes. Para máquinas de alta potência torna-se recomendável uma estrutura contida numa camisa de vácuo. Acelerador de Partículas, Oessorpção 1. INTRODUÇÃO Um acelerador linear de elétrons (LINAC) é um aparato que faz com que elétrons sejam acelerados pelo campo elétri co de uma onda eletromagnética que se desloca ao longo de um guia de onda retilineo, Para que haja uma interação uniforme entre o campo acelerador e os elétrons é preciso que estejam em repouso relativamente â onda, isto é, que a sua velocida de seja igual â velocidade de fase da onda (LOEM NEAL, 1970). A redução da velocidade de fase da onda é conseguida a través de uma estrutura do tipo mostrado na figura l,que cor responde a um tubo cilindrico dentro do qual são colocados discos com um orifício circular no centro. Essa estrutura é normalmente construída em cobre OFHC. Os elétrons produzidos e agrupados num lnjetor são in troduzldos na estrutura aceleradora en pulsos cuja duração pode variar entre nano e alero segundos. Esses pulsos são constituídos de pequenos subgrupos que devem ser injetados ea perfeita.sincronia de fase com a onda de rádio freqüência.
1 L- HUMO* O» CWW WCSISTW» I I I I I lili ntttm 1 I I 1 I I 1 1 I I I I I I I I 1 Fioura 1. Guia de anda corrugado cor resoondente à estrutura a celeradora de um LINAC de elétrons. Parâmetros típicos de urna máquina dimensionada para fei xe de alta potencia são mostrados na tabela I, onde se pode constatar a existencia de intensos campos elétricos na estru tura aceleradora (15 MV/m). TABELA I PARÁMETROS DE VH ACELERADOR USADO CONO PONTE DE NEUTRONS Energia Modo Armazenado: Largura do Pulso Corrente de Pico Taxa de Repetição Modo Estacionario: Largura do Pulso Corrente de Pico Taxa de Repetição Modo de Operação Potencia média R.F. Largura pulso R.P. Gradiente de Campo Comprimento Total 119 de secções aceleradoras com 69 cavidades cada urna N9 de Klystrons (23 MM pico) 180 Mev 10 10 1000 1 0,5 500 2rr/3 290 2 A A Hz vs A Hz 15 MV/m 12 m 5 5 KH PS
2. O VACOO» B8TKUTUWA Para «vitar possíveis faiscaaentos, decorrente des s«intenso caapo elétrico, a pressão do gis residual (típica entes 60% de B, e 40% de CO)ea qualquer ponto da estrutura deve ser menor que 1x10"' torr (GONÇALBX ft SILVA, 1»81). Des se Bodo a velocidade local de boabeaaento deve ser suflclen te para reaover os gases provenientes de degaseificacão e va saaentos. Dois tipos de envelope de vácuo são usuais: a) TIPO I - a estrutura consiste no próprio envelope de vá cuo (figura 2). ENTMU 'I U I I. I I I I M III p \ l«2.40 in Figura 2. Vista de una estrutura aceleradora tipo I. b> Nesta'estrutura o ponto critico é a cavidade central on de a velocidade efetiva de bonbeamento é baixa. TIPO II - a estrutura é envolvida numa camisa de vácuo (figura 3) ti J L JUllilUll J L-I J t j m v(oj0 n<iura 2. Vista de una estrutura acoleradora aipoll, Ai, Mí^tf^
Para o tipo I a condutãncia oferecida aos gases pela caví dade central é calculada considerando-se que essa estrutura corresponde á associação em série das cavidades à esquerda e das cavidades á direita da n-êslma cavidade. A condutâucla pa ra a n-ésima cavidade é n-1 1-1 " -1 C com fl<n<m) (1) n E è. - c7 x i«n*l onde c, é a condutãncia de cada cavidade c m é o número total de cavidades em uma secção aceleradora. Assim, para a cavida de central:n«69, n-35 e c i >59 / B l/s (GONÇALEZ * SILVA, 1981) encontramos para C *3,5 t/s. Para o segundo tipo de estrutura (figura 3) pode-se en contrar una velocidade de bonbeaaento loe»-'* maior,una vez que, estando a estrutura aceleradora dentro de ura recipiente em vã cuo, as cavidades poderão ter orificios laterais. Esses orifí cios deverão porém ser convenientemente dimensionados e posi^ clonados de modo a não perturbar a onda de rádio freqüência. Para as dimensões de nossa cavidade podem ser usados oito orl ficios circulares de 0,5 cm de diâmetro, resultando uma condu táñela total por cavidade de 28,7 t/s. A escolha do tipo de estrutura a ser usada virá a ser de terminada, além de outras conveniências construtivas e de pro jeto, pelo nivel de vácuo que pode ser atingido..as fontes que introduzem gases no sistema consideradas sao: a) Degaiseficação natural das paredes b) Oegaiseficação induzida por choques de elétrons com as pa redes,- c) Permeabilidade e pressão de vapor das paredes d) Vazamentos de selos e válvulas. A degaselflcacáo natural das paredes, quando suficientemente polidas e limpas, após algumas horas de aquecimento (*100 C) em vácyo, pode ser estimada para fins de projeto na ordem de"'10" lt torr.i seg" l cm~. Isto certamente só é consegui do com um sistema de bombeamento limpo. A taxa de degalsefica çio natural por cavidade ê (GOHÇALtZ * SILVA, 1981) 0 1,75 x 10"* torr.f seg"* ' (2)
A presença de fortes campos elétricos nas cavidades pro vocaa emissão de elétrons de uma superfície os quais são ace lerados em direção a outra superficie aetâlica, onde se cho cas provocando degaseif icação por ESD (Dessorpcáo Estimulada por Elétrons). Para uaa corrente eletrônica avaliada an 32 nfc, uaa eficiência de ESD de 0,1 moléc/elétron e considerando-se que o elétron produz dessorpção tanto na sua salda quanto na sua chegada ã superficie, encontramos para a taxa de degaise ficação induzida por estes choques de elétrons (GONÇALEZ * SILVA): Q * 1,3 x 10"' torr,l/seg (3) Deve-se notar, porén, que este fluxo de gás emergente das paredes só ocorrerá durante a aplicação da rádio frequên cia na estrutura. As demais fontes de gás (c e d ) foram consideradas des prezlveis frente 0,6 02. 3. DEPENDENCIA TEMPORAL PA PRESSÃO A taxa de degaiseficação total 0(t) será a coma da taxa constante de degaiseficação natural das paredes Q l e da taxa periódica 0» (mesmo período da R.F.) e é mostrada na figura 4. Como Q(t) é uma função periódica pode ser expandida em sé rie de Fourier: (4) 0(t)«0,* Q sen n* (1-Fd) cos 2n«Ft ^ n-l onde Fea freqüência de pulsação da RF e d a largura de pul so. 0(i) Cn.d..AL L-. L 0 Isstttot*tf* Estuda Av««çs«tt 'ÜJ.J/ '. Mil Figura 4. Dependência temporal da taxa de degaselficação tj. tal da cavidade. A largura dos pulsos de RF é d i * 'a separação entre o» pulsos (inverso da freqüência) é D.
Por outro lado o comportamento temporal da pressão numa cavidade de condutáñela C e volume V pode ser descrito por Q(t)» V f Cp 15) cuja solução para p(t), usando-se a equação (4) é: f ^ U sen (nn(l-fd)j? CO8 ' 2nnFt > sen(2nnpt) ) j Ke~ t (6) onde f «C/V. 0 valor de K é dado pela seguinte condição inicial: no tempo t = 0, isto é, início da operação ea alto vácuo, a pres sao anterior ao primeiro pulso de BF é dado por: p(t.o) - *üp - ^ (7) resultando: M 1,f. 1 f» 1 Sen [«"i 1 -^»] >* f ltf ' fl *» _ «* I * - i * i~l I /O\ Valores numéricos para K calculados para ambos os tipos de estruturas- e nos modos de operação estacionario e armazena rio são apresentados na tabela 2. i t - VALORES TABELA 2 DA CONSTANTE K(EQUAC*O 8)EM TORR CONDÜTANCIA DA CAVIDADE (*/s) 3,5 28,7 MODO ESTACIONARIO (F-500 Hz) -3,7x10" 7-4,5x10'* MODO ARMAZENADO (F-1000 Hz) -7,4xlO~ 7-9,0x10"*
OtuGittAI Instituto d» Estudes Av«nç»é«t fa t/u Com os valores numéricos de f e X o último termo daequa cão (6) cai rapidamente a valores desprezíveis. Dessa forma a função p(t) oscila em torno de um valor assintótico máximo. Na figura 5 é mostrado um period desta oscilação, on de pode-se ver que a sua amplitude é muito pequena.assim a pressão média tem significado relevante na região assintóti ca (tipicamente T > 1 segundo). Da equação 6 obtém-se o va lor da pressão média P: p(t)dt< (9) Valores da pressão média calculados em função da condu tância da cavidade, para as duas freqüências de pulsação da R.F., são mostrados na figura 6....,.,.,,,......, mi........ 1. T 1. f., r f., l cr» icr» W w* 5.a) TtMPO (SECUNOO) C«S,5 l/t ; -. C*Zt,T U icr» IO"* I V u * *... r. ri» 11 mu ul»" w «". icr* S.b) TEMPO (SC0UNOO) Figura 5. Comportamento da pressão durante o 500? período de pulsação da R.F.i a) modo estacionario; b) modo armazenado. KT» -» l 4. CONCLUSÃO Considerando-se que Q,Fd >> 0, e que a pressão média não pode ultrapassar um valor máximo (para evitar faiscamentos ) a condutãncia mínima necessária deve obedecer a seguinte re
' tufan) Q Fd Essa relação estabelece que a condutincia minima nece sária pára cada cavidade e consequentemente o tipo de estru tura, fica definida por dois fatores: a) A degaseificacio induzida pela RF (fator Q), que por sua vez é proporcional a intensidade do campo elétrico (poten cia de RF) e também à eficiencia de ESD (ligada a limpeza das paredes). b) Pelo ciclo útil da RF (fator Fd). ' De fato pode-se verificar que aceleradores de alto ciclo útil (SACLAY e MIT) e de alto campo elétrico (CKELAe GEIJNE) atualmente em operação» são construidos em estruturas de vácuo tipo XX. 5. REFERENCIAS 1 - LOEW,G.A.and NEAL,R.B.:In Lapostolle(Ed.):LINEAR ACCEL ERATORS, N.Holland Pub. Co., (1970). 2 - GONCALEZ,O.L.e SILVA,R. - LEA/NT-020/81,IAE/CTA, São José dos Campos, SP(1981) o-» K 5 0.00 p.40 o.«o 0.80 L00 CONOUTÍNCIA (L/9) /raes»* Figura 6.. Pressão média «a una cavidade (Eg. 9) versus conlutâncla.