Установка класса мегасайенс Центр
коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (ЦКП «СКИФ»)
позволит специалистам из различных областей наук – химикам, биологам, геологам,
материаловедам и др. – изучать структуры объектов с нанометровым разрешением.
Разглядеть детали менее сотни нанометров станет возможным благодаря предельно
ярким и интенсивным пучкам рентгеновского излучения или синхротронного
излучения (СИ). За генерацию пучка и его качество в установке отвечают
специальные сверхпроводящие магниты – вигглеры. Специалисты Института ядерной
физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) создали и начали испытания первого
вигглера для ЦКП «СКИФ».
Чтобы энергию пучка электронов, летящих в магнитном
поле ускорительного кольца со скоростью, близкой к скорости света, превратить в
синхротронное излучение, нужно заставить пучок двигаться по извилистой
траектории. Для этого используются вигглеры – устройства, создающие на пути
электронов магнитное поле специальной конфигурации.
«В магнитном поле такого вигглера траектория
электронного пучка, летящего по орбите ускорителя, многократно поворачивается
то в одну, то в другую сторону — рассказал заведующий лабораторией ИЯФ
СО РАН доктор технических наук Виталий Шкаруба. — На каждом таком
повороте часть энергии пучка теряется в виде синхротронного излучения
рентгеновского диапазона. И чем на больший угол поворачивается пучок, тем
мощнее будет это излучение. Для создания магнитного поля нужной конфигурации мы
используем электромагнитные полюса, который располагаются по всей длине
вигглера. На каждом таком полюсе направление магнитного поля меняется на
противоположное. Такой магнит по-русски называется “змейка” (так как электроны
двигаются в нем зигзагообразно), а по-английски – вигглер (от англ. wiggle –
покачиваться, болтаться). Вигглер как бы “снимает” часть энергии электронного
пучка в виде синхротронного излучения, которое затем используется как
инструмент для работы пользовательских станций. На первом этапе строительства в
ЦКП “СКИФ” будет установлено пять таких станций на основе сверхпроводящих
магнитов. Первый уже изготовлен и сегодня начинаются его испытания».
Первый вигглер для ЦКП «СКИФ» в процессе сборки, на
фото В.А. Шкаруба. Фото Т.Морозовой.
Сверхпроводящие генераторы излучения можно условно
поделить на два вида – вигглеры и ондуляторы. Конструктивно они схожи между
собой. Отличие состоит лишь в форме спектра генерируемого излучения. Спектр
излучения из вигглера непрерывный в широком диапазоне. Спектр ондулятора
состоит из набора гармоник, но с гораздо большей интенсивностью, чем у
вигглера. Это достигается за счёт интерференции излучения с каждого полюса, но
требует очень высокой точности изготовления таких устройств.
«Размер вигглера два метра, а точность его
изготовления по всей длине должна быть не хуже 20 микрон, — объяснил
Виталий Шкаруба. — Для сравнения толщина человеческого волоса
составляет около 50-60 микрон. Мы научились компенсировать неточности
изготовления, используя специальные токи коррекции. Весь магнит делится на
секции, на которые подаётся корректирующий ток. Вкупе со сложным математическим
алгоритмом, который мы сами разработали, такая коррекция позволяет даже не в самых
качественных катушках получить магнитное поле правильной геометрии».
Особенностью вигглеров, создаваемых в ИЯФ СО РАН,
является использование обмоток из сверхпроводящего провода, который может
пропускать очень большие токи при охлаждении до низких температур. Это, по
сравнению с использованием обычных «тёплых» электромагнитов, позволяет получать
существенно более высокие магнитные поля, а, следовательно, генерировать более
интенсивное излучение.
«Сильное магнитное поле в вигглере создаётся за
счёт использования сверхпроводящего провода из ниобий-титанового сплава —
добавил Виталий Шкаруба. — Чтобы этот сплав перешёл в сверхпроводящее
состояние его необходимо охладить до криогенных температур (около 4 К или – 269
°C). Для этого магнит помещается в специальный криостат. В криостате
классической конструкции магнит погружается в вакуумированный сосуд с жидким
гелием. Именно в такой вертикальный криостат, имеющий глубину 4 метра, мы
опустим наш первый сверхпроводящий вигглер для ЦКП “СКИФ”, зальём в него жидкий
гелий и проведём цикл предварительных испытаний. Мы измерим различные параметры
магнитного поля и сравним результаты с предварительными расчётами. В частности,
нужно будет убедиться, что магнит достигает необходимого уровня магнитного
поля, а также проверить его конфигурацию».
«Cухие»
криостаты ИЯФ СО РАН. Фото С. Гурова.
Однако для поддержания нужной для сверхпроводника
температуры уже во время работы вигглера непосредственно на синхротроне «СКИФ»,
необходимо было бы тратить несколько миллионов рублей в год на дозаправку
такого криостата гелием. Поэтому в ИЯФ СО РАН была разработана оригинальная
конструкция «сухого» криостата, в котором магнит «подвешен» в вакууме, а
охлаждение его происходит благодаря специальным холодильным машинам с разными
температурными ступенями (60 К, 20 К и 4 К). Такие криостаты позволяют
эффективно охлаждать сверхпроводники, но при этом не тратит гелий и работать
без остановки в течение нескольких лет.
ЦКП «СКИФ» — уникальный по своим характеристикам
источник синхротронного излучения поколения «4+» с энергией 3 ГэВ, который
создается в рамках национального проекта «Наука и университеты» и программы
«Академгородок 2.0» в наукограде Кольцово Новосибирской области как элемент
современной отечественной сети установок класса «мегасайенс». Он позволит
проводить исследования с предельно яркими и интенсивными пучками рентгеновского
излучения для различных дисциплин – химии, физики, материаловедения, биологии,
геологии и т. д. ЦКП «СКИФ» будет включать 30 экспериментальных станций, в год
исследования на них смогут проводить до 2 000 ученых.
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», также
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.