Сибирь / Точка зрения 6 апреля 2023 г. 12:36

Увеличили энергию электронов

Interfax-Russia.ru - Новосибирские физики увеличили энергию электронов в линейном ускорителе для синхротрона СКИФ в 30 раз.

Увеличили энергию электронов
Фотография с официального сайта Института ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН. Фото Т. Морозовой

Специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук (ИЯФ СО РАН, Новосибирск) испытали линейный ускоритель (линак) для Центра коллективного пользования (ЦКП) "Сибирский кольцевой источник фотонов" (СКИФ) с повышенной энергией электронного пучка.

"После "тренировки" первой очереди ускорителя специалистам удалось ускорить пучок электронов до энергии 30 МэВ. Проектные параметры линака в составе всего комплекса - 200 МэВ, на них он выйдет в 2024 году, но уже сейчас можно говорить о том, что они будут достигнуты", - сообщила пресс-служба ИЯФ.

В октябре 2022 года при первоначальном запуске линейного ускорителя пучок имел энергию 1 млн электрон-вольт (1МэВ). Тогда же ИЯФ впервые изготовил СВЧ-пушку для линейного ускорителя.

"Первая очередь линейного ускорителя смонтирована и запущена. Линак полностью работоспособен, все его элементы в рабочем состоянии. На выходе из первой очереди ускорителя мы продемонстрировали энергию пучка около 30 МэВ при входной СВЧ мощности около 20 МВт, что полностью соответствует нашим расчетам", - сообщил заведующий лабораторией ИЯФ Алексей Левичев.

Полностью собранный линейный ускоритель имеет проектную мощность 200 млн электрон-вольт. Этот пучок поступает сначала в накопительное кольцо, где разгоняется до 3 млрд электрон-вольт, а потом - в основное ускорительное кольцо.

"Дальше планируются рутинные измерения параметров пучка, его стабильности, характеристик, связанных с угловым и энергетическим разбросом", - добавил Левичев.

По данным ИЯК СО РАН, линейный ускоритель (линак) - одна из основных частей ускорительного комплекса СКИФ. Именно в линаке формируется пучок электронов, который поступает сначала в бустер-синхротрон для дальнейшего ускорения, а потом в накопитель-источник синхротронного излучения. В линейном ускорителе необходимо получить энергию частиц 200 мегаэлектрон-вольт (МэВ), 55 сгустков электронов с периодом 5.6 наносекунд (нс), с зарядом в каждом сгустке 0.3 нанокулон (нКл). Длина каждого сгустка около нескольких миллиметров.

В линаке электроны быстро набирают скорость, близкую к скорости света, а их траекторию корректирует магнитная система. Уже сформированные в линейном ускорителе сгустки электронов 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, которую формируют поворотные магниты, и испускают синхротронное излучение, поступающее пользователям центра: биологам, химикам, геологам, материаловедам и другим специалистам.

В рамках проекта СКИФ с ИЯФ заключено два госконтракта. Первый из них - на 3 млрд 620 млн рублей - предусматривает создание линейного ускорителя и бустерного синхротрона - инжекционного комплекса. В соответствии со вторым госконтрактом (на изготовление, сборку, поставку и пусконаладочные работы технологически сложного оборудования ускорительного комплекса ЦКП "СКИФ" на 8,93 млрд рублей) специалисты научного института изготовят накопительное кольцо и устройства для генерации синхротронного излучения и его вывода к пользовательским станциям. Все оборудование должно быть готово к 31 декабря 2023 года.

Синхротрон СКИФ начали строить в окрестностях наукограда Кольцово в Новосибирской области 25 августа 2021 года. Объект создается по указу президента РФ Владимира Путина для развития современной отечественной сети источников синхротронного излучения нового поколения. По уточненному плану строительства ЦКП "СКИФ", в декабре 2024 года планируется запустить синхротрон и станции первой очереди, в начале 2025 года - приступить к их опытной эксплуатации.

В состав Центра коллективного пользования "СКИФ" по первоначальному проекту войдут 30 экспериментальных станций, 14 из которых будут использовать излучение вставных устройств (размещаемых в прямолинейных участках основного кольца длиной 4-6 метров), а 16 будут размещаться на пучках из поворотных магнитов.

С их помощью будут расшифровывать структуры биополимеров, механизмы функционирования живых организмов, изучать передачу наследственной информации, механизмы действия лекарств. Также на базе экспериментальных станций планируется создавать новые материалы и исследовать быстротекущие процессы.

СКИФ станет первым в мире источником синхротронного излучения поколения 4+ с энергией 3 ГэВ.

Изначально стоимость строительства ЦКП "СКИФ" оценивалась в 37,1 млрд рублей, однако позднее из-за роста цен на строительные и другие материалы она возросла до 47,3 млрд рублей.

К настоящему времени заключены контракты на изготовление четырех из шести экспериментальных станций ЦКП первой очереди. При этом специалисты решили скорректировать структуру двух станций, заменив импортное оборудование отечественным.

Также для синхротрона СКИФ специалисты Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева (ИГМ) СО РАН изготовили специальные алмазные окна. Их используют для рентгеновской оптики в так называемых фронтендах - устройствах вывода синхротронного излучения из кольца накопителя на экспериментальные станции.

"Они должны быть оснащены специальными окнами, способными пропускать пучок синхротронного излучения, обеспечивать глубокий вакуум и выдерживать экстремальную тепловую нагрузку. С такими задачами способен справиться только алмаз, но и к нему в данном случае предъявляются особые требования", - сообщило издание СО РАН "Наука в Сибири".

Алмазные окна должны быть квадратами 7х7 мм при толщине 0,4 мм. С учетом ориентации элемента, монокристалл алмаза должен иметь массу около 3,5 карат. Для выращивания такого кристалла необходимо создать давление около 65 тыс. атмосфер и температуру 1450 градусов Цельсия, а также градиент температур, который обеспечит заданную скорость роста и, соответственно, необходимое качество алмаза. В ростовом процессе эти параметры необходимо поддерживать в течение 130 часов.

Чтобы обеспечить мониторинг пучка синхронного излучения, алмазное окно должно люминесцировать в видимом диапазоне длин волн, что достигается примесью азота.

"Испытания опытных образцов алмазных окон на действующем пучке синхротронного излучения в ИЯФ СО РАН показали соответствие данному требованию", - говорится в сообщении.

Кристаллы изготовили с помощью разработанных в ИГМ беспрессовых аппаратов "разрезная сфера", способных создавать и поддерживать высокие давления, необходимые для выращивания монокристаллов алмаза.

Обозреватель Наталья Пономарева