Новосибирские учёные запустили первую очередь линейного ускорителя для СКИФа

Специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера получили первый пучок электронов и ускорили его.

В Академгородке в Институте ядерной физики учёные запустили первую очередь линейного ускорителя (Линак-20) будущего источника синхротронного излучения «СКИФ», на базе которого в настоящее время 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.

Первые электроны получены

В тестовом режиме научные сотрудники продемонстрировали работу основных систем ускорителя — одного 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, рассказывают учёные.

В нем необходимо получить энергию частиц 200 мегаэлектрон-вольт, 55 сгустков электронов с периодом 5.6 наносекунд и с зарядом в каждом сгустке 0.3 нК. Длина каждого сгустка должна быть около нескольких миллиметров.

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, пояснил директор ИЯФ СО РАН Павел Логачёв.

Как это работает?

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. Это излучение по специальным каналам подается пользователям центра: биологам, химикам, геологам, материаловедам и другим.

С помощью установки специалисты смогут, например, определить элементный состав вещества, изучить свойства новых материалов, исследовать быстропротекающие процессы, расшифровывать структуру белков и многое другое.

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, рассказал заведующий лабораторией Института ядерной физики Алексей Левичев. 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.

«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 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. В результате испытаний было продемонстрировано, что учёные могут полностью контролировать пучок электронов.

Помимо этого, специалисты Института изготовили и проверили систему термостабилизации, магнитную систему и систему диагностики. «Мы убедились, что возможностей магнитной системы достаточно, чтобы довести пучок до конца ускорителя, а система диагностики полностью работает, термостабилизация позволяет держать заданную температуру СВЧ пушки с точностью до 0.1 С⁰», — добавили испытатели.

«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, – пояснил главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН Александр Батраков. — 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».

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.