Ученые Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) разработали и изготовили для Технологического института Карлсруэ (Karlsruher Institut für Technologie, KIT, Германия) и ЦЕРН (European Organization for Nuclear Research, CERN, Швейцария) уникальный сверхпроводящий вигглер – устройство, предназначенное для генерации синхротронного излучения. Его уникальность – в использовании нового, более практичного способа охлаждения – без погружения магнита в жидкий гелий. Сейчас новосибирская разработка, стоимость которой составляет около 1 миллиона евро, установлена на ускорительном комплексе ANKA в Германии. Здесь с ее помощью будут проводиться эксперименты с биологическими объектами, а для исследователей из ЦЕРН вигглер станет испытательным полигоном по отработке технологий для разрабатываемого линейного коллайдера CLIC.

1wiggler

Сотрудники ИЯФ СО РАН производят финальную сборку вигглера после доставки в г. Карслруэ, Германия. Автор фото Аксель Бернхард 

Вигглер – устройство для генерации синхротронного излучения (СИ), то есть излучения, производимого электронами при движении в магнитном поле. Принцип работы вигглера основан на создании на пути частицы знакопеременного магнитного поля, которое формирует зигзагообразную траекторию движения электронов. Двигаясь «змейкой», электроны излучают СИ. Использование в вигглерах сверхпроводящих электромагнитов позволяет избежать потерь на нагрев обмоток электрическим током. Кроме того, за счет сверхпроводимости можно получать существенно более высокие магнитные поля, чем в обычных магнитных системах, а, следовательно, и более интенсивное СИ.

В качестве сверхпроводящего материала при создании вигглера используется ниобий – титановый сплав, который при охлаждении до криогенных температур – порядка нескольких градусов Кельвина, переходит в сверхпроводящее состояние. Поэтому обычно для получения и поддержания необходимой температуры сверхпроводящие магниты погружаются в сосуд с жидким гелием. Сотрудники ИЯФ СО РАН реализовали принципиально новую систему охлаждения.

2016 CLICWorkshop AxelBernhard копия

Установка вигглера на накопитель ANKA. Автор фото Аксель Бернхард 

«Представьте, – объясняет кандидат технических наук, старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Виталий Аркадьевич Шкаруба, – в помещении комнатная температура, а внутри установки она должна быть примерно на 300 градусов меньше, то есть 4 Кельвина (– 269 C). Для теплоизоляции магнита используется специальное устройство – криостат, в который обычно заливается жидкий гелий, чтобы поддерживать низкую температуру. Если внутри такого криостата что-то сломалось, приходится полностью разрезать герметичный сосуд, доставать магнит, а затем опять использовать сварку. Мы же сделали вигглер с криостатом нового типа, в котором магнит не погружен в жидкий гелий. Охлаждение производится специальными криорефрежираторами через систему тепловых контактов. В нашем случае нужно просто нажать кнопку, и через несколько дней магнит, охладившись до нужной температуры, сможет работать в этом режиме годами».  

Руководитель Лаборатории технологий сверхпроводящих ондуляторов Технологического института Карлсруэ Аксель Бернхард (Dr. Axel Bernhard) сообщил, что вигглер будет использоваться в качестве источника излучения для рентгеноскопического канала на источнике СИ ANKA. «Он обеспечит яркие жесткие рентгеновские лучи для микроскопа MiQA, который будет применяться в материаловедении и науках о жизни», – пояснил Аксель Бернхард.

Вигглеры могут использоваться не только как генераторы СИ для фундаментальных и прикладных исследований в химии, биологии, материаловедении. Их применяют в накопителях заряженных частиц для уменьшения размеров и повышения интенсивности сгустков. Новая разработка ИЯФ СО РАН станет прототипом вигглера для затухательных колец разрабатываемого в ЦЕРН линейного коллайдера CLIC. Прежде чем принять решение о строительстве нового масштабного ускорителя, который по своим размерам будет превосходить Большой адронный коллайдер, специалисты ЦЕРН отрабатывают необходимые критические технологии.

2016 CLICWorkshop AxelBernhard 2

Коллектив заказчиков и исполнителей. Автор фото Аксель Бернхард 

«Таких вигглеров, – комментирует кандидат физико-математических наук, заведующий научно-исследовательским сектором ИЯФ СО РАН Константин Владимирович Золотарев, – в проектируемом ускорительном комплексе должно быть около сотни. Прежде чем запускать пучки электронов и позитронов в сам линейный ускоритель, нужно сжать их, увеличив плотность. Подготовка таких пучков осуществляется в специальных затухательных кольцах. Каждое из них состоит из двух полуколец, между которыми находятся длинные прямолинейные промежутки с вигглерами. Проходя через них, отдельные частицы сгустка излучают, уменьшается их поперечный импульс и фазовый объем сгустка, и увеличивается плотность пучка. Делать вигглеры по обычной схеме в данном случае было бы очень ненадежно, а новая конструкция криостата обеспечивает возможность быстрого доступа к элементам магнитной системы, позволяет сократить время ремонтных работ и технического обслуживания. Кроме того, ЦЕРН планирует испытать в нашем криостате другие варианты магнитных систем».

Европейские ученые уже приступили к работе с вигглером. «Мы начали с базовых экспериментов по проверке работоспособности и надежности всей системы, – комментирует Аксель Бернхард, – в частности, криогенной. В затухательных кольцах CLIC будет напряженный режим работы для сверхпроводящих магнитов. В наших первых тестах вигглер оказался очень надежным. В настоящее время мы готовимся к экспериментам по изучению влияния вигглера на динамику пучков в накопителе ANKA. Рентгеновский микроскоп планируем ввести в эксплуатацию во второй половине 2016 года».