В Новосибирской области запустили первый сверхбыстрый электронный пучок СКИФа

Ученые запустили его 18 декабря и доказали, что он выдает те параметры, которые необходимы для работы Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов». Пучок из электронной пушки СКИФа пролетел сквозь всю структуру линейного ускорителя длиною 25 метров. Его параметры зафиксированы системой люминофорных датчиков, спектрометром и цилиндром Фарадея. Как сообщили ученые, все они соответствуют проектным. Пока линейный ускоритель был запущен на четверть проектной мощности. Завершение монтажа всех остальных элементов, наладка и первые исследования на станциях состоятся в 2025 году. Внутри «кольца» побывал корреспондент ЧС и посмотрел, как работают собранные всего за месяц его «внутренности».  

Возможности, которые открывает СКИФ перед наукой – на грани фантастики. Сложная установка придает такое ускорение электронам, что они разгоняются до скорости, близкой к скорости света. В своем движении электроны станут отдавать часть энергии в форме уникального излучения. А оно, в свою очередь, позволит рассмотреть на атомном уровне структуру нужных материй. Как пояснили ученые, действие СКИФа подобно работе сверхмощного, еще не существующего на земле микроскопа. При этом он сможет «просвечивать» объекты, видеть их насквозь. Другое сравнение, которое уже применяют сибирские исследователи, это сравнение с фонариком. Достаточно «включить» его и поднести под луч света объект для исследования, и тогда можно увидеть его в малейших деталях.

Линейный ускоритель, запуск которого продемонстрировали 18 декабря, – это стартовая ступень ускорительного комплекса ЦКП «СКИФ». Он состоит из источника электронов (электронной пушки), ускоряющих секций, системы группировки пучка, магнитов, которые нацеливают пучок, источников питания. Именно в линейном ускорителе и рождаются электроны. Затем они группируются в пучок, получают ускорение и энергию 200 миллионов электронвольт. Потом электронный пучок поступает в кольцевой бустерный синхротрон, где разгоняется до рабочей энергии 3 миллиарда электронвольт и отправляется в основной накопитель. Там электронный пучок проходит через магнитное поле поворотных магнитов или специализированных многополюсных устройств и генерирует синхротронное излучение. Оно выводится из накопителя через фронтенды и по каналам транспортировки рентгеновского пучка доставляется до экспериментальных станций для проведения научных исследований. Кстати, сам пучок движется внутри камеры, где поддерживается высокий вакуум.

«Мы регистрируем пучок с помощью системы диагностики. Там есть люминофор, который устанавливается на пути пучка, и когда он в него ударяется, то возникает свечение, которое мы регистрируем камерой. В местах, где у пучка побольше интенсивности отображается красным, где меньше – зеленым», — рассказывает научный сотрудник Института ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН Данила Никифоров.

Запуск линейного ускорителя ЦКП «СКИФ» – очень важный этап реализации проекта. «Во-первых, потому что это первая часть действующего оборудования на своем родном месте, в здании, где линейный ускоритель будет работать все время существования СКИФ. С другой стороны, это одна из самых сложных систем всего ускорительного комплекса СКИФ, поскольку требует самых дорогих и тонких технологий, которые встречаются в этой области науки и техники. Линейный ускоритель в значительной степени определяет качество пучка, а, соответственно, и качество самого источника синхротронного излучения СКИФ, то есть фактически определяет уровень его яркости. Синхротрон СКИФ относится к поколению 4+ с яркостью, которая на сегодня еще не достигнута даже на лучших мировых источниках синхротронного излучения», – рассказал директор Института ядерной физики СО РАН Павел Логачев.

Как прокомментировала заместитель губернатора Новосибирской области Ирина Мануйлова, практически каждый элемент «мегасайенс» установки – прорывной в своей области, в том числе линейный ускоритель. «Запуск линейного ускорителя с заданными характеристиками пучка – это большое достижение, которое стало возможным благодаря слаженным совместным действиям ученых, инженеров, строителей и органов госвласти», – отметила замминистра. Благодаря совместной работе с партнерами-строителями и с их субподрядчиками, которые отвечают за ключевое инженерное оборудование, удалось смонтировать сложное устройство в абсолютно рекордные сроки. «Никогда в мире линейные ускорители не собирались и не включались за такое короткое время. У нас ушло на это менее полутора месяцев, это беспрецедентно, обычно такие работы занимают 6–8 месяцев», – заострил внимание присутствующих в момент запуска первого электронного пучка СКИФ академик РАН Павел Логачев.

По его словам, линейный ускоритель является самой сложной частью ускорительного комплекса будущего синхротрона. А самое главное – запущенная установка полностью состоит из отечественных комплектующих. К примеру, высокочастотное электромагнитное поле, ускоряющее электроны, создается клистронными усилителями, каждый из которых выдает мощность 50 МВт на чистоте 2,8 Гигагерц. Как говорит Павел Логачев, раньше их от начала до конца могли собирать только три организации в мире – из США, Японии и Франции. Собственно, изначально и предполагалась, что клистроны будут закуплены за рубежом. После того, как зарубежные организации разорвали контракт, специалисты ИЯФ СО РАН в срочном порядке занялись созданием собственных клистронов, работа над которыми ранее велась в фоновом режиме.

Как пояснили ученые, клистрон преобразовывает полученную энергию в сверхвысокочастотную, то есть из непрерывного тока делает ток, который имеет частоту колебаний около 3 гигагерц. Разработка представляет собой усилитель энергии электронов в энергию СВЧ колебаний. Небольшая СВЧ мощность, которая подается на вход клистрона, на выходе усиливается до 5 порядков по мощности.

Благодаря этой разработке Россия получила полностью отечественную технологию производства линейных ускорителей электронов и позитронов высокой энергии. Кроме того, для клистрона специалисты ИЯФ СО РАН разработали источники питания – модуляторы. Одно такое устройство способно в импульсном режиме – вплоть до нескольких микросекунд – выдавать более 100 МВт, что составляет примерно четверть мощности Новосибирской ГЭС. При столь колоссальной мощности модулятор компактен – его размер сопоставим с платяным шкафом. При этом устройство настолько безопасно, что допустима работа в непосредственной близости от него. Созданный модулятор будет питать линейный ускоритель синхротрона СКИФ, а его следующие версии планируется использовать в питании собственных установок института. Ученые отметили, что в процессе отладки оборудования, и в аварийных ситуациях, и при первых включениях модулятора не был поврежден ни один силовой ключ.

Также в тоннеле здания инжектора ЦКП «СКИФ» собрано оборудование бустерного синхротрона. Все 44 специальные подставки (гирдера) с магнитно-вакуумными системами находятся в проектном положении. Ученые рассчитывают, что к весне 2025 года оборудование бустерного синхротрона будет соединено с инженерными системами. «Также будет установлена автоматизированная система радиационного контроля, без которой мы не можем работать по правилам техники безопасности. Это позволит нам начать работу с электронным пучком в этом сегменте ускорительного комплекса. После завершения строительных работ в здании накопителя там начнется монтаж оборудования. Сейчас мы собираем и тестируем его в корпусе стендов и испытаний», – рассказал директор ЦКП «СКИФ», заместитель директора по научной работе ИЯФ СО РАН член-корреспондент РАН Евгений Левичев.

Стоимость создания СКИФ – строительства комплекса зданий, а также разработки и изготовления оборудования – 47 миллиардов рублей. Однако, то, что благодаря Сибирскому кольцевому источнику фотонов получит отечественная наука, разумеется, стоит гораздо больше. С помощью новейшей установки класса мегасайенс ученым предстоит найти ответы на так называемые большие вызовы – исчерпание ресурсов, болезни, нехватка продовольствия, экология – за счет развития новых видов энергии, материалов, лекарств, качественных продуктов. Возможности СКИФа безграничны. Изучая, как действуют заданные вещества на таком уровне, можно будет создавать сверхэффективные лекарства и вакцины. Ученые смогут синтезировать новейшие образцы материи. О свойствах, которые она получит, пока можно лишь фантазировать.

Фотографии автора и пресс-службы ЦКП «СКИФ»