СКИФ получил «сердце» для своей первой станции

Ондулятор для станции «Микрофокус» ЦКП «СКИФ» испытан и готов к установке на ускорительное кольцо в конце 2026 года. Ускоритель, генерирующий интенсивные пучки рентгеновского излучения, позволит изучать объекты на атомарном уровне. Это даст возможность ученым проводить исследования на передовом крае науки.

Всё высокотехнологичное и уникальное оборудование для ускорительного комплекса ЦКП «СКИФ» разрабатывалось и производилось Институтом ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН.

Главная характеристика любого источника синхротронного излучения – его яркость. Для ее повышения в свое время физики разработали специальные вставные сверхпроводящие устройства – вигглеры. Наиболее эффективным является использование многополюсных сверхпроводящих вставных устройств со знакопеременным полем, яркость излучения из которых прямо пропорциональна числу магнитных полюсов. Именно в ИЯФ СО РАН в XX веке был разработан первый в мире многополюсный сверхпроводящий вигглер. Позже появились сверхпроводящие ондуляторы – подвид вигглера с принципиально иными спектральными свойствами излучения. В зависимости от типа устройства яркость СИ увеличивается либо пропорционально числу магнитных полюсов (вигглер), либо квадрату числа магнитных полюсов (ондулятор). Для первых станций ЦКП «СКИФ» ИЯФ СО РАН разработал и изготовил пять сверхпроводящих вставных устройств – три вигглера и два ондулятора.

«Конструктивно вигглер и ондулятор идентичны и представляют собой последовательность небольших дипольных магнитов, которые отклоняют летящий через них пучок, –прокомментировал младший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Федор Казанцев. – Пучок летит змейкой и на каждом повороте излучает СИ. Отличие в следующем: интенсивность СИ, полученная из вигглера, прямо пропорциональна количеству магнитных периодов в нем. Но если добиться определенного соотношения периода структуры и амплитуды магнитного поля, то интенсивность излучения от каждого из полюсов будет складываться квадратичным образом и тогда такое устройство называется ондулятор. Также спектр излучения от вигглера и ондулятора разный, поэтому разным пользовательским станциям нужны разные вставные устройства, в зависимости от используемых методик и изучаемых объектов».

Для станции «Микрофокус» был изготовлен 128-периодный сверхпроводящий ондулятор с очень коротким магнитным периодом – всего 15.6 миллиметра. Период в ондуляторе – это расстояние между двумя соседними элементами периодической магнитной структуры, создающей поперечное знакопеременное магнитное поле, благодаря которому электроны и приобретают волнообразную траекторию. Чем меньше период, тем меньше длина волны, то есть жестче спектр излучения. Также в процессе испытаний в жидком гелии был достигнут рекордный уровень магнитного поля 1.35 Тесла. Объединить два эти параметра в одной установке было сложной технологической задачей. Этого удалось достичь благодаря высококлассной работе специалистов экспериментального производства ИЯФ СО РАН.

Ондулятор представляет собой двухметровый алюминиевый каркас, на котором в определенном порядке расположены 256 магнитных катушек. «В работе по созданию ондулятора с такими параметрами важен каждый элемент и каждый технологический этап, – пояснил Федор Казанцев. – Например, геометрические ошибки поверхности каркаса составляют порядка 20 микрон, при общей длине изделия два метра. Производить такие детали отлично умеют наши коллеги на ЭП, это их часть работы. Наша задача – изготовить 256 одинаковых магнитных катушек. Катушка состоит из железного керна и сверхпроводящей обмотки из ниобий-титана. Длина сверхпроводника в одной катушке около 20 метров. Чтобы намотать одну катушку, нужно от полутора до трех часов. После этого катушка запекается в печи. Проблема здесь в том, что катушки все равно получаются чуть-чуть разные по характеристикам, и нужно было придумать, как отбраковать самые выбивающиеся, и как расставлять оставшиеся. Была поставлена задача измерения магнитного поля каждой из них до того, как они будут установлены в каркас».

Наличие такого ондулятора на станции «Микрофокус» ЦКП «СКИФ» позволит использовать все возможности электронного пучка с экстремально малым эмиттансом – одним из параметров, который определяет уровень яркости СИ.