Применение сверхвысоковакуумной техники

По существу, толчком для развития сверхвысоковакуумной техники послужили в первую очередь исследования на чистых поверхностях. Здесь можно упомянуть об исследованиях электронной эмиссии металлов и полупроводников, автоэлектронной эмиссии, а также поверхностей проводимости и тесно связанных с ней различных фотоэффектов у полупроводников. Свойства тонких полупроводниковых пленок могут также существенно отличаться от свойств компактных материалов. При этом у тонких пленок обнаружена очень высокая подвижность электронов. Интерес к электрическим свойствам тонких пленок постоянно возрастает в связи с попытками изготовить сложные электронные схемы путем напыления в вакууме. Поскольку в таких схемах наряду с пассивными элементами (сопротивлениями, конденсаторами и др.) применяются и полупроводниковые приборы, то из-за необходимости обеспечивать высокую степень чистоты таких активных элементов напыление производят в условиях очень высокого вакуума.

Другую область, в которой может использоваться техника сверхвысокого вакуума, представляют ускорители тяжелых элементарных частиц. При столкновении ускоренных частиц с неподвижной мишенью в лабораторной системе координат для эксперимента используется только часть накопленной энергии. Другая часть бесполезно теряется в виде энергии движения центра тяжести частиц. Так, в случае протонного синхротрона, ускоряющего протоны до энергии 25 Гэв, в лабораторной системе координат для ядерных экспериментов удается использовать только 7 Гэв. В области релятивистских скоростей энергия , полезно используемая в лабораторных экспериментах, растет только пропорционально квадратному корню из энергии ускоренных частиц. Поэтому для двукратного увеличения максимальной полезной энергии, выделяемой из мишени, было бы необходимо увеличить энергию протонов в четыре раза. И наоборот, для увеличения полезной энергии до 50 Гэв потребовался бы ускоритель с диаметром кольцевой камеры около 10 км. Иное положение возникает, когда, например, сталкиваются два пучка протонов с энергией 25 Гэв каждый. Потери на возбуждение колебаний решетки в этом случае отсутствуют, и вся энергия 50 Гэв будет полезно использована для эксперимента. Другими словами, если осуществить столкновение протонных пучков, полученных в двух подобных ускорителях, то в приведенном выше примере полезную энергию 7 Гэв можно было бы еще увеличить в 7 раз. 

Протонный синхротрон с накопительным кольцом.

1 - синхротрон; 2- накопительное кольцо; 3 - зона столкновения.

Керст и О'Нейл высказали идею, позволяющую обойтись без второго ускорителя. Их предложение заключается в следующем: можно ускорить пакет частиц и вывести его из ускорителя во вспомогательное накопительное кольцо; затем можно ускорить второй пакет частиц и после достижения им максимальной энергии осуществить столкновение с первым пакетом (указано на рисунке выше).

Принципиальное устройство накопительного кольца сравнительно просто, требуется лишь кольцевая камера с постоянным магнитом. Однако здесь возникают серьезные требования к вакууму в камере. В течение всего времени, пока первый пакет частиц находится в накопительном кольце, а второй пакет ускоряется, необходимо свести к минимуму число столкновений накопленных частиц с молекулами остаточного газа, так как в результате потерь энергии при столкновениях орбиты частиц будут уменьшаться, и в конце концов они будут "выходить из игры" при столкновениях с внутренними стенками накопительного кольца. Согласно оценке рабочей группы Шоха в накопительном кольце протонного синхротрона в ЦЕРН'е должен поддерживаться вакуум не хуже 1*10^-9 тор, чтобы по крайней мере сохранялось расновесие между числом столкновений  ускоренных частиц друг с другом и с молекулами остаточного газа. Учитывая размеры такого кольца, удовлетворить это требование не совсем просто.

В заключении упомянем еще об одной области применения сверхвысокого вакуума - экспериментах по имитации условий космического пространства. Для этой цели в лабораториях используют камеры, в которых летательные космические аппараты испытываются в условиях, максимально близким к условиям в космическом пространстве. На высоте 500 км давление в космосе составляет 1*10^-8 тор, а на высоте 1000 км - около 10^-11 тор. Кроме того, парциальный состав космической атмосферы отличается отличается от состава атмосферы у поверхности Земли. Поэтому для того, чтобы такие камеры действительно имитировали условия, максимально близкие к космическим, необходимо создать и соответствующий состав газовой среды, т.е. получить сверхвысокий вакуум вполне определенного парциального состава.