Получены первые электроны в линейном ускорителе строящегося комплекса СКИФ
- 25.10.2022
Специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) в тестовом режиме запустили первую очередь линейного ускорителя (Линак-20) будущего источника синхротронного излучения «СКИФ», на базе которого создаётся Центр коллективного пользования (ЦКП «СКИФ»). Сейчас собрана инжекционная часть линейного ускорителя. Полностью он выйдет на проектные параметры в составе всего комплекса только в 2024 году, однако первый пучок электронов в нем уже был получен и ускорен. В результате испытаний было продемонстрировано, что основные системы ускорителя работают корректно, проведенные ранее расчеты верны, а, значит, пуск установки состоится согласно плану.
Линейный ускоритель – одна из основных частей ускорительного комплекса СКИФ. 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», – пояснил 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», – отметил Алексей Левичев.
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», – пояснил главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН Александр Батраков.
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.
Заказчиком и застройщиком ЦКП «СКИФ» выступает ФИЦ «Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН». Единственный исполнитель по изготовлению и запуску технологически сложного оборудования для ЦКП «СКИФ» – Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН. В настоящее время десятки организаций РФ привлечены в создание ЦКП «СКИФ». К ним относятся ООО «НПП Триада-ТВ» (Новосибирск), АО «БЭМЗ» (Бердск), ООО «Модульные системы торнадо» (Новосибирск), АО «Воткинский завод» (Воткинск), ФАУ «СибНИА им. С. А. Чаплыгина» (Новосибирск), ИГиЛ СО РАН (Новосибирск), АО «ВАКУУММАШ» (Казань), ООО «Катод» (Новосибирск), АО ВНИИНМ им. А. А. Бочвара (Москва).