Изготовлены импульсные магниты, отвечающие за вывод пучка

на орбиту в бустере-синхротроне СКИФ 

 

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.

                                                                                                                                                                       

«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».

Cт. н. с к.т.н. Д. Шведов и ст.н.с.  к.т.н. Олег Анчугов. Фото Т. Морозовой

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.

                                                                                                                                                                                         

«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”).

 Кикер инжекции.  Иллюстрация предоставлена Д. Шведовым.

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. 

 

Опубликовано: сайт ИЯФ СО РАН 09.01.2025

 

Начато серийное производство вакуумных камер

накопительного кольца синхротрона СКИФ

 

     Вакуумные камеры – критически важное оборудование, которое будет   установлено внутри каждого магнитного элемента накопительного   кольца   Центра коллективного пользования «СКИФ» (ЦКП «СКИФ»). От   точности производства этих конструкций зависят параметры и время   жизни пучка, а значит и работа всей ускорительной машины. Вакуумные   камеры должны быть супергерметичными, с глубоким разрежением   воздуха –  концентрация молекул в таких устройствах на 12 порядков   меньше, чем в обычной комнате. Опыт и производственные возможности   Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН)     позволяют разрабатывать и в большом объеме создавать такое   высокотехнологичное оборудование. В настоящее время на   экспериментальном производстве ИЯФ СО РАН изготавливается более   двухсот вакуумных камер для накопительного кольца ЦКП «СКИФ».

 

Внешне все современные источники синхротронного излучения (СИ), к которым также относится и ЦКП «СКИФ», представляют собой магнитно-оптическую структуру, внутри которой почти со скоростью света двигается пучок электронов. Чтобы получить СИ, необходимое пользователям, пучок электронов нужно постоянно поворачивать – именно в этот момент часть энергии электромагнитного поля, сопровождающего электронный пучок, «отрывается» от него и преобразуется в электромагнитное излучение, то есть в СИ.

 

«Магниты определяют параметры пучка электронов, его динамику и в целом яркость источника синхротронного излучения, – рассказал заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Александр Краснов. – За время жизни пучка отвечают вакуумные камеры, которые проходят сквозь все магниты. Это самое незаметное, но очень важное оборудование. Именно по замкнутой орбите множества соединенных друг с другом вакуумных камер и движется пучок электронов. От характеристик этих камер, а именно от герметичности, уровня разреженности, зависит бесперебойная циркуляция пучка электронов в синхротроне. Концентрация молекул в объеме камеры по всей орбите, а это 477 метров, должна быть на 12 порядков меньше, чем в воздухе, которым мы дышим. Поэтому основная сложность изготовления подобного рода устройств заключается в том, чтобы сделать их вакуумноплотными. Но есть и другие: например, чтобы основное количество энергии успешно поглотилось внутри камеры, она должна быть оснащена системой охлаждения, а специализированные вакуумные камеры для вывода СИ должны содержать внутри себя поглотители. Все эти тонкости усложняют производство».

Вакуумная система состоит из камеры пучка, откачных портов, к которым будут присоединяться сверхвысоковакуумные комбинированные насосы, и выводов к каналам синхротронного излучения. Оборудование создается из специальных сплавов алюминия, обладающих высокой прочностью и теплопроводностью. Например, если сделать вакуумную камеру из нержавеющей стали, то синхротронное излучение просто разрежет ее изнутри. Визуально вакуумная камера выглядит довольно просто, но в ее производстве очень много нюансов.

 

«Алюминиевый профиль, из которого сделана основная часть камеры, согнута на специальном прецизионном станке, а все швы, соединяющие различные элементы системы, выполнены методом электронно-дуговой сварки неплавящимся вольфрамовым электродом в инертной атмосфере – это тоже очень тонкий момент, так как сварной шов должен исключать любые микротечи, – добавил Александр Краснов. –  Получить сверхвысокий вакуум нам поможет в том числе и само синхротронное излучение. Когда все будет готово, и появится первый пучок, сначала очень слабый, СИ начнет очищать камеру. Сложные химические соединения, оставшиеся на поверхности от механообработки, различные примеси под воздействием синхротронного излучения будут разлагаться, превращаться в более простые и откачиваться насосами. Постепенно вся система будет очищаться, разрежение улучшаться, а время жизни пучка будет увеличиваться. Этот процесс займет около полугода, после чего по всем параметрам мы должны выйти на рабочий режим. На данный момент на экспериментальном производстве ИЯФ СО РАН создается более двухсот вакуумных камер разных типов. Они будут произведены, протестированы и размещены на накопительном кольце в установленные сроки».

 

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.  

 

Опубликовано: 15.08.2024

 

Реплика публикатора. Очередная новость о ходе создания мегаустановки "СКИФ" в наукограде Кольцово близ Новосибирска показывает, что здесь работают открыто и гласно. Потому и успешно...