Электронное сердце СКИФа

По своим расчётным пользовательским характеристикам ускорительный комплекс, являющийся сердцем ЦКП «СКИФ», не имеет аналогов в мире. Создают его сегодня на экспериментальном производстве Института ядерной физики СО РАН в Новосибирске. Накануне Дня науки «ЧС» в деталях показали и рассказали, как это происходит.

На экспериментальном производстве Института ядерной физики имени Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН сейчас создают инжекционный комплекс для Сибирского кольцевого источника фотонов. Он состоит из линейного ускорителя, каналов транспортировки пучка электронов и бустерного синхротрона, в котором пучок будет ускоряться до номинальной рабочей энергии и выпускаться в основное кольцо. Это — ключевая задача реализации первой части проекта СКИФ в Новосибирске.  Чтобы получить синхротронное излучение в кольцевом источнике, пучок электронов необходимо доставить к месту его использования.

— Можно сказать, что с линейного ускорителя и начинается весь проект СКИФ, — рассказывает заведующий сектором Института ядерной физики СО РАН Алексей Левичев.  — В нём расположен источник электронов, пушка, где и будут получать электронный пучок. Затем — системы группировки и последующего регулярного ускорения пучка. Система группировки представлена одним медным резонатором и фокусирующей системой. Регулярный ускоритель состоит из ускоряющих структур, содержащих набор медных резонаторов, которые вытачивают с очень высокой точностью, стыкуют друг с другом. В итоге получается трёхметровая ускоряющая установка. От качества всех её отдельных резонаторов зависят в дальнейшем рабочие свойства всей этой структуры. Поэтому обрабатываются они алмазным резцом, который обеспечивает необходимую точность поверхности резонатора.

Слесарь Сергей Карин работает на экспериментальном производстве Института ядерной физики с 1974 года. Он рассказывает, что добиваться точности изготовления каждой детали, конечно же, не просто:

— Естественно, работаем на хороших современных станках, — говорит Сергей Карин. — Но после обработки резонаторов учёные вновь замеряют все параметры изделия, и мы вновь подгоняем их под необходимые характеристики. Чтобы было легче представить, насколько высокие требования, скажу, например, что даже температура в помещении влияет на точность изготовления деталей. Так что есть у станочников свои хитрости, чтобы добиваться высочайшей точности.

Влияние на частоту электронного пучка геометрических размеров каждого элемента ускорителя столь сильное, что даже при работе на самом высокоточном оборудовании их приходится потом подгонять, настраивать. И так — по нескольку раз. Пока не достигаются требуемые параметры.

Мы проходим в другой цех.

— Здесь сейчас изготавливают электронную пушку — то место, где как раз и рождается электронный пучок, — показывает Алексей Левичев. — Это такой сложный резонатор, который работает на частоте в районе 180 мегагерц. Корпус у него — биметаллический. В корпус из нержавеющей стали вставляется медная обечайка, и они намертво спаиваются друг с другом. Внутри помещаются фланцы, между которыми создаётся электрическое поле, получаемое от внешнего генератора.

Технология изготовления корпуса электронной пушки тоже очень сложная. Нержавеющая часть корпуса покрывается специальным припоем на основе серебра.  Внутренняя, медная часть — практически такого же размера, как и наружная. Медную часть охлаждают в жидком азоте, она сжимается, и её вставляют в корпус из нержавейки. Нагреваясь, медь разжимается и спаивается с нержавейкой.

— Катоды, которые будут применяться в нашем ускорителе, производятся, можно сказать, по уникальной технологии, — поясняет Алексей Левичев. — В мире изготовить такие катоды могут не многие. Но в России есть компания, которая отлично справляется с поставленной задачей. Катод работает при температуре выше тысячи градусов Цельсия.  А перед ним ведь ещё устанавливается микросетка, которая тоже должна выдерживать такие запредельные нагрузки. Не будет преувеличением сказать, что материалы и технологии при изготовлении таких деталей — на уровне ноу-хау.

В результате таких инновационных технологий установка получит электронный пучок с необходимыми свойствами: с заданными размером, энергическим разбросом, энергией, угловым разбросом внутри пучка. Чтобы пучок электронов двигался с заданными параметрами по ускорителю, его надо держать и в поперечных размерах. Для этого используются различные магниты. Их выпуск тоже наладили в Новосибирске на экспериментальном производстве Института ядерной физики.

Одни из самых сложных магнитов — дипольные. Они выполняют сразу несколько функций: формирование замкнутой орбиты, фокусировку пучка и некоторые другие. Причём, в большом диапазоне энергии пучка от 200 МэВ до 3000 МэВ. От качества работы этих магнитов зависит эффективность работы и основного накопительного кольца СКИФа, в том числе, достижение рекордных параметров этого источника фотонов последнего, четвертого поколения. Такие многофункциональные магниты позволяют сделать ускоритель компактнее и дешевле. С их помощью и получают оптимальные для инжекции параметры пучка. Полюс магнита изготавливается с точностью около 50 микрон относительно расчётной поверхности на всей длине.  Для сравнения: толщина человеческого волоса — около 80 микрон. Но еще около десяти лет назад здесь изготавливали похожие устройства для Брукхевенской национальной лаборатории в США. Опыт, технологии и набор приспособлений, конечно же, сохранили. Так что практически все основные элементы ускорительного комплекса изготовят на экспериментальном производстве ИЯФ СО РАН. Для линейного ускорителя все квадропольные магниты уже изготовлены. Они и будут фокусировать пучок электронов.

Оборудование, станки подбираются для здешнего производства в зависимости от поставленных задач. Пятиосевой станок с числовым программным управлением приобрели, например, для высокоточного изготовления различных медных деталей. Обрабатывается исходный материал на этом станке внутри прозрачной камеры. Все параметры задаются с компьютерного дисплея.

— Представьте, например, что просверливается 980 отверстий, каждое находится под своим уклоном, и все они сходятся в одной точке, — рассказывает о своей работе оператор станка с ЧПУ Дмитрий Дегтярёв. — Так что допуск погрешностей — сотые части градуса.

В Европе работает несколько недавно построенных подобных установок. Но технологии, методики, используемые в ИЯФ, — уникальны.

— Зарубежные установки используют другие источники электронов, другую систему группировки пучка, другую систему ускорения. Источников синхротронного излучения с такой СВЧ-пушкой, как у нас, нигде в мире просто нет, — говорит Алексей Левичев. — Особенность нашей установки в том, что мы можем управлять сгустками электронов: менять их частоту, количество частиц в одном сгустке и так далее. Это позволяет формировать синхротронное излучение в СКИФе под конкретные прикладные задачи пользователей.

Задач СКИФу предстоит решать множество. Синхротронное излучение предоставляет возможность, говоря простым языком, заглянуть внутрь исследуемого образца и увидеть его структуру в разном масштабе: от отдельных атомов до тканей или органов лабораторного животного. Более того, можно исследовать различные быстропротекающие процессы, как бы сделав про них фильм в замедленной съёмке, что невозможно с помощью других методов. Это может быть, например, взаимодействие вируса и лекарственного препарата, химические реакции на поверхности катализатора, распространение ударной волны при взрыве. Причём, источники четвёртого поколения позволяют снимать, а затем просматривать не просто «кино», а как бы голограмму исследуемого объекта в процессе его изменений.

Таким образом, к примеру, можно будет изучать белки и нуклеиновые кислоты, которые играют важную роль в процессах, протекающих в клетках организма человека, животного или растения. С помощью синхротронного излучения можно разрабатывать противовоспалительные, противовирусные, антибактериальные и другие виды лекарственных препаратов. Аналогичным образом можно будет исследовать аккумуляторы, полупроводники, катализаторы, топливные элементы, создавать материалы с улучшенными свойствами. Так что запуск синхротрона в Новосибирске не только расширит исследовательские возможности учёных, но и предоставит широкие возможности для улучшения продукции в самых различных отраслях реального сектора экономики.