О успешном начале тестирования первой очереди новейшего российского линейного ускорителя комплекса СКИФ

В Новосибирске ученые Института ядерной физики имени Будкера Сибирского отделения Российской академии наук собрали инжекционную часть линейного ускорителя синхротронного излучения для СКИФ. На установке получен и ускорен первый пучок электронов, начата отработка основных режимов с постепенным выходом на проектные показатели в течение 2023-2024 годов. Изготовление нового российского оборудования опережает темпы самого строительства комплекса.

«Техносфера.Россия» уже рассказывала о масштабном российском высокотехнологичном исследовательском проекте – строительстве Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ) – см.наш материал https://tehnoomsk.ru/archives/5622. Несмотря на то, что работы в рамках СКИФ были начаты до усиления антироссийских «санкций» со стороны Запада, ожидаемые сроки ввода комплекса в эксплуатацию сдвинулись всего лишь на год. Новосибирские ученые рассчитывают, что полностью СКИФ заработает в 2025 году. При этом удалось добиться того, что 90% всего оборудования изготавливается в России.

Теперь о том, что за оборудование начало использоваться уже осенью 2022 года. Как сообщает пресс-служба Института ядерной физики имени Будкера, линейный ускоритель (линак) является одной из основных частей ускорительного комплекса. Именно здесь формируется пучок электронов, который поступает сначала в накопительное кольцо — бустер, а потом в синхротрон. Параметры отправляемого в бустер пучка частиц также формируются в линейном ускорителе. В нем необходимо получить энергию частиц 200 мегаэлектрон-вольт (МэВ), 55 сгустков электронов с периодом 5.6 нс и с зарядом в каждом сгустке 0.3 нК. Длина каждого сгустка должна быть около нескольких миллиметров.

В линаке электроны быстро набирают скорость, близкую к скорости света, а их траектория корректируется магнитной системой. Уже сформированные в линейном ускорителе пучки с частотой 1 Гц поступают в накопительное кольцо. Здесь происходит накопление необходимого для исследователей количества частиц, и отсюда они перепускаются в ускоритель-синхротрон. В синхротроне пучки электронов движутся по круговой орбите, которая формируется специальными поворотными магнитами, и излучают синхротронное излучение. Данное излучение по специальным каналам подается пользователям центра: биологам, химикам, геологам, материаловедам и другим. С его помощью они проводят свои работы, например, определяют элементный состав вещества, изучают свойства новых материалов, исследуют быстропротекающие процессы, расшифровывают структуру белков и многое другое.

В настоящий момент собрана первая очередь линейного ускорителя и на этой части отрабатываются основные режимы. Главная задача этого этапа – показать, что установка способна генерировать пучок частиц с необходимыми параметрами. Несмотря на то, что проектная энергия линака 200 МэВ, для исследования режимов и демонстрации его полной работоспособности достаточно достичь энергии 40-50 МэВ.

Один из самых сложных элементов линейного ускорителя – СВЧ-пушка, в которой рождаются электроны и происходит начальное формирование пучка. Уже на выходе он должен обладать энергией около 1 МэВ. Из СВЧ-пушки пучок попадает в канал группировки. Здесь происходит его продольное сжатие, которое необходимо для дальнейшего ускорения. На следующем отрезке линака пучок предускоряется до нескольких МэВ и окончательно группируется. Процесс формирования пучка в СВЧ-пушке и в канале группировки является ключевым и одним из самых сложных в линейном ускорителе. Для контроля параметров пучка здесь используется много диагностической аппаратуры, которая способна регистрировать поперечные и продольные характеристики пучка, его заряд и энергию. Полностью сгруппированный пучок пролетает в регулярных ускоряющих структурах около 26 метров. На настоящий момент большая часть элементов линейного ускорителя изготовлена.

«СВЧ-пушка – это сложное устройство, представляющее собой резонатор, работающий на частоте 180.5 МГц. Внутри этого резонатора расположен катодно-сеточный узел, который и является источником электронов. Особенность данного узла в том, что на расстоянии в несколько десятых долей миллиметра от катода располагается специальная сетка с характерным размером около 150 микрон, вырезанная лазером. Вследствие такой конструкции катодного узла пучок в СВЧ-пушке формируется не только под действием переменного ускоряющего поля с частотой 180.5 МГц, но и благодаря подаче специальных запирающего и модулирующего напряжений между катодом и сеткой. То есть мы имеем возможность управлять процессом эмиссии электронов с катода независимо от ускоряющего поля СВЧ пушки, что и должны были продемонстрировать на первом этапе экспериментов. На данный момент мы смогли показать, что СВЧ-пушка и катодно-сеточный узел работают, эмиссия электронов есть, и мы можем ей управлять. Также важным моментом является измеренная энергия пучка. Она полностью соответствует расчету и составляет 0.8 МэВ», – рассказал заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН Алексей Левичев.

Он также отметил, что был испытан режим работы ускорителя, при котором катод нагрет до рабочих температур, ускоряющее поле в резонатор подано, но катод заперт некоторым напряжением. «У нас очень жесткие требования – электроны должны ускоряться только в заданные моменты времени, а в промежутках их не должно быть совсем. При разогретом катоде частицы стремятся вылететь всегда, но при определенном напряжении между катодом и сеткой должны полностью «запираться» внутри данного промежутка. Нам необходимо было убедиться, хватит ли заранее заложенного напряжения, чтобы удерживать пучок в пушке в зазоре между катодом и сеткой. В результате испытаний мы продемонстрировали, что можем полностью контролировать пучок», – пояснил Алексей Левичев.

Также было исследовано влияние катодно–сеточного узла, находящегося в полости резонатора, на электрическую прочность последнего. «Мы показали, что катодно–сеточный узел не осложняет работу СВЧ-пушки. Сильного ухудшения вакуума нет, высоковольтных пробоев нет, система работает устойчиво».
Кроме того, были изготовлены и проверены система термостабилизации, магнитная система, система диагностики. В частности, специалисты убедились, что возможностей магнитной системы достаточно, чтобы довести пучок до конца ускорителя. Система диагностики полностью работает, а термостабилизация позволяет держать заданную температуру СВЧ пушки с точностью до 0.1 С0.

«Работа всего этого сложного физического оборудования невозможна без адекватного комплекса аппаратных и программных средств, образующих систему управления установкой. Параллельно с наладкой систем линака проводился запуск различной управляющей и измерительной электроники, а также тестирование первых, так называемых «инженерных», версий программного обеспечения. Итог работы специалистов по системе управления состоит в том, что сегодня физики-ускорительщики обеспечены необходимым набором «ручек» для управления линаком и получают корректную информацию о его функционировании», – отметил главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН Александр Батраков.

По информации Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН)