Изготовлены импульсные магниты, отвечающие за вывод пучка на орбиту в бустере-синхротроне СКИФ
- 09.01.2025
Задача бустера ускорительного комплекса ЦКП «Сибирский кольцевой источник фотонов» (ЦКП «СКИФ») – сформировать пучок электронов и, разогнав его до нужной энергии, инжектировать в накопительное кольцо. Циркулируя в нем по круговой орбите почти со скоростью света, электронный пучок генерирует синхротронное излучение (СИ) для пользователей. Основные составляющие ускорительного комплекса СКИФ – это линейный ускоритель, синхротрон-бустер и накопительное кольцо. Также в него входят каналы перепуска, по которым сгустки электронов «перелетают» из одного ускорителя в другой. Управляют впуском и выпуском электронов импульсные магниты, или «кикеры» – эти специальные устройства «бьют» по пучку очень коротким, но вместе с тем очень мощным импульсом электромагнитного поля, и вместе с другими элементами впускного (выпускного) промежутков выводят частицы на нужную орбиту. Специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) разработали и изготовили все пять импульсных магнитов для бустера-синхротрона СКИФ – частично они уже прошли проверку и сейчас находятся в Корпусе стендов и испытаний (КСИ) ЦКП «СКИФ».
Ускорительный комплекс ЦКП «СКИФ» – это многокомпонентная установка, все высокотехнологическое оборудование для которой разрабатывается и изготавливается специалистами ИЯФ СО РАН. Основные элементы ускорительного комплекса – это линейный ускоритель (линак), синхротрон-бустер и накопительное кольцо. В линаке электроны быстро набирают скорость, близкую к скорости света, и с частотой 1 Гц поступают в бустер-синхротрон. Здесь пучок ускоряется до 3 гигаэлектрон-вольт и перепускается в накопитель. В накопителе пучки электронов движутся по круговой орбите и испускают синхротронное излучение (СИ), поступающее пользователям центра: биологам, химикам, геологам, материаловедам и другим специалистам. С его помощью они определяют элементный состав вещества, изучают свойства новых материалов, исследуют быстропротекающие процессы, расшифровывают структуру белков и многое другое.
Cтарший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат технических наук Дмитрий Шведов и старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат технических наук Олег Анчугов. Фото Т. Морозовой.
«После того, как пучок электронов был сформирован и ускорен в линаке, им нужно как-то управлять и двигать дальше – для этого и нужны наши импульсные магниты, или, как их принято называть в ускорительной физике, кикеры, – прокомментировал старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат технических наук Дмитрий Шведов. – Задача кикеров, установленных в определенных местах ускорителя, в нужный момент оказать на пучок воздействие, ударить по нему и вывести на орбиту, задать нужную траекторию движения без потерь частиц».
Кикер представляет собой конструкцию из магнитной системы и керамической вакуумной камеры со специальным напылением. Магнитное поле внутри конструкции создается медными пластинами, на которые подается мощный импульс тока от генератора. Ускорители оснащаются кикерами инжекции и экстракции, в зависимости от того, нужно ли осуществить впуск пучка или его выпуск.
«Кикеры бустера СКИФ воздействуют на пучок импульсом магнитного поля, – пояснил Дмитрий Шведов. – Основные сложности на этапах разработки и производства кикеров связаны, во-первых, с созданием очень короткого и однородного импульса тока. Напомню, что наш импульс имеет длительность 650 наносекунд – это в полтора миллиона раз короче секунды. А амплитуда тока в это время достигает значения 4000 ампер (для сравнения – в бытовой розетке порядка 10 ампер). Во-вторых, сложность представляет процесс напыления металла на внутреннюю поверхность керамических вакуумных камер. Напыление позволяет магнитному полю достигать орбиты пучка, поэтому это очень важный момент».
Нанесение резистивных пленок внутри узкоапертурных керамических вакуумных камер освоено в лаборатории 1-4 ИЯФ СО РАН под руководством Александра Краснова. «До сих пор мы пользовались камерами с напылением, которые нам поставляла немецкая компания Friatec, услуги которой были достаточно дорогими, – рассказал заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Александр Краснов. – Кроме того напыление тонкопленочных покрытий в мало-апертурных протяженных камерах – одна из ключевых технологий, необходимых для создания современных сверхвысоковакуумных ускорительных установок, то есть это стратегически важная технология. Поэтому было принято решение разработать сложную процедуру напыления самим и проводить ее в ИЯФ. Это хороший пример импортозамещения».
На данный момент кикеры для синхротрона-бустера прошли все необходимые стендовые испытания и отправлены в КСИ ЦКП «СКИФ». Теперь специалисты работают над производством четырех кикеров для большого накопительного кольца СКИФ и двух кикеров для измерения орбиты (так называемых кикеров «удара»). Планируется, что они будут готовы в начале 2025 г.
Кикер инжекции в основное накопительное кольцо. Красным показана керамическая вакуумная камера (реально она кремового цвета). Вокруг ферритовый сердечник (черный). Иллюстрация предоставлена Д. Шведовым.
«Испытания кикеров проводятся на специальном стенде магнитных измерений, на котором при помощи специальных устройств мы смотрим распределение магнитного поля, – добавил старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат технических наук Олег Анчугов. – Сейчас мы работаем над импульсными магнитами для специализированного источника СИ поколения 4+ ЦКП “СКИФ”, но начинали развивать это направление в ИЯФ намного раньше – с первого специализированного источника СИ “Сибирь-2” (НИЦ “Курчатовский институт”). Также наши кикеры стоят на синхротронах MAX IV (Швеция) и NSLS (Брукхейвенская национальная лаборатория, США), на установке в университете Дюка (США). Последние кикеры, самые мощные (с током в импульсе 32 килоампер), мы разрабатывали для ускорительно комплекса NICA (Дубна)».
Центр коллективного пользования «СКИФ» – источник синхротронного излучения поколения 4+. Установка сооружается в Новосибирской области в рамках национального проекта «Наука и университеты» и во исполнение Указа президента России от 25 июля 2019 года. Реализация проекта находится на особом контроле полномочного представителя Президента Российской Федерации в Сибирском федеральном округе. Заказчиком и застройщиком ЦКП «СКИФ» выступает ФИЦ «Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН». Проектирует объект Центральный проектно-технологический институт (АО «ЦПТИ», входит в топливную компанию Росатома «ТВЭЛ»). Генеральным подрядчиком выступает «Концерн Титан-2», входящий в структуру Росатома. Единственный исполнитель по изготовлению и запуску технологически сложного оборудования для ЦКП «СКИФ» — Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН.