Создана отечественная технология создания линейных ускорителей электронов и позитронов

В России изготовили и запустили клистрон — мощный высокочастотный усилитель, который необходим для работы линейных ускорителей электронов и позитронов (коллайдеров, синхротронов, источников комптоновского и терагерцевого излучения и других). Его создали в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук (ИЯФ СО РАН), который отвечает за разработку и изготовление оборудования для центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (ЦКП СКИФ).

Клистрон был единственным недостающим звеном в полном цикле производства линейных ускорителей электронов и позитронов высокой энергии в России. Ранее подобные устройства производили только в Японии, США и Франции. В мае 2023 года в ИЯФ СО РАН на созданном прототипе клистрона достигнуты проектная СВЧ-мощность 50 МВт и другие параметры, гарантирующие работу линейного ускорителя СКИФ. Уже сейчас производство института приступило к изготовлению первых серийных приборов.

«Прорывные научные проекты во всем мире напрямую связаны с установками класса “мегасайенс”. Именно поэтому сегодня, в Десятилетие науки и технологий, разработка клистрона станет важным заделом при обеспечении технологической независимости нашей страны. Важно понимать, что потенциальных зарубежных заказчиков еще больше, поскольку производителей таких устройств в мире мало»,— прокомментировал глава Минобрнауки России Валерий Фальков.

Линейный ускоритель — одна из основных частей ускорительного комплекса СКИФ. Именно здесь формируется пучок электронов, который поступает сначала в бустер-синхротрон, а потом в накопитель — источник синхротронного излучения. Параметры отправляемого в бустер пучка частиц также формируются в линейном ускорителе. В нем необходимо получить энергию частиц в 200 мегаэлектронвольт (МэВ), 55 сгустков электронов с периодом 5,6 наносекунды и с зарядом в каждом сгустке 0,3 нК. Длина каждого сгустка должна быть около нескольких миллиметров.

В линейном ускорителе электроны быстро набирают скорость, близкую к скорости света, а их траектория корректируется магнитной системой. Уже сформированные в линейном ускорителе пучки с частотой 2856 мегагерц поступают в бустер-синхротрон и ускоряются до рабочей энергии 3000 МэВ, а затем — в накопительное кольцо СКИФ длиной почти полкилометра. Здесь происходит накопление необходимого для исследователей количества частиц, которые движутся по круговой орбите, формируемой магнитами, производя синхротронное излучение. Это излучение по специальным каналам подается пользователям центра: биологам, химикам, геологам, материаловедам и другим. С его помощью они проводят свои работы — например, определяют элементный состав вещества, изучают свойства новых материалов, исследуют быстропротекающие процессы, расшифровывают структуру белков и многое другое.

Для ускорения пучка электронов в линейном ускорителе СКИФ до 200 МэВ необходимы мощные высокочастотные усилители — клистроны с выходной СВЧ-мощностью более 50 мегаватт, создающие в структуре линейного ускорителя ускоряющее поле. Клистрон преобразовывает мощность непрерывного пучка в сверхвысокочастотную, то есть из непрерывного тока делает ток, который имеет частоту колебаний около трех гигагерц. Клистрон — это преобразователь энергии электронов в энергию СВЧ-колебаний. Небольшая СВЧ-мощность, 500 Ватт, которая подается на вход клистрона, на выходе усиливается в 100 тыс. раз.

Центр коллективного пользования 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 Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН. Институт также единственный исполнитель по изготовлению и запуску технологически сложного оборудования для ЦКП СКИФ.

В настоящее время десятки организаций России привлечены к созданию ЦКП СКИФ. К ним относятся ООО «НПП Триада-ТВ» (Новосибирск), АО БЭМЗ (Бердск), ООО «Модульные системы “Торнадо”» (Новосибирск), АО «Воткинский завод» (Воткинск), ФАУ «СибНИА им. С. А. Чаплыгина» (Новосибирск), КТИ-НП СО РАН (Новосибирск), ИГиЛ СО РАН (Новосибирск), АО ВАКУУММАШ (Казань), ООО «Катод» (Новосибирск), АО ВНИИНМ им. А. А. Бочвара (Москва) и многие другие.

Ян Зубавичус, заместитель директора ЦКП СКИФ по научной работе, д. ф.-м. н.:

— Что это за установка?

— Согласно нацпроекту «Наука и университеты», Российская Федерация должна стать одной из десяти ведущих стран мира по объему научных исследований и разработок. Справиться с этой задачей поможет передовая инфраструктура для научных исследований — уникальные научные установки класса «мегасайенс». Одна из таких установок — Сибирский кольцевой источник фотонов.

Центр коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» — первый объект современной отечественной сети источников синхротронного излучения, создаваемой в России в рамках национального проекта.

В мире насчитывается всего около 50 центров синхротронного излучения. В России сейчас работают Сибирский центр синхротронного и терагерцевого излучения с источником первого поколения СЦСТИ на базе ИЯФ СО РАН в Новосибирске и Курчатовский источник синхротронного излучения КИСИ-Курчатов в НИЦ «Курчатовский институт» в Москве (второе поколение), но в условиях глобального и динамичного развития исследований с помощью синхротронных методов этой инфраструктуры недостаточно.

На момент создания ЦКП СКИФ будет лучшим источником синхротронного излучения в классе накопителей среднего энергетического диапазона (3 ГэВ). Он будет обладать уникально низким эмиттансом (75 пм•рад).

ЦКП СКИФ представляет собой комплекс из 34 зданий и сооружений, а также инженерного и технологического оборудования, обеспечивающий выполнение научных исследований на пучках синхротронного излучения.

Заказчик и застройщик строительства — Институт катализа СО РАН.

Генеральный проектировщик — АО «Центральный проектно-технологический институт».

Генеральный подрядчик строительства — АО «Концерн “Титан-2”».

Генеральный конструктор и изготовитель оборудования — Институт ядерной физики СО РАН.

— Что исследуют с помощью установки ученые?

— Источники синхротронного излучения (СИ), в том числе ЦКП СКИФ, предназначены для изучения сверхмалых объектов — микронного и даже нанометрового размера. Они позволяют увидеть структуру объектов вплоть до расположения отдельных атомов, причем не только в статике, но и в ходе различных химических реакций и динамических процессов. Кроме того, в ЦКП СКИФ ученые будут изучать быстропротекающие процессы (возникновение трещин, детонация, взрыв).

Уникальные характеристики нового источника СИ СКИФ позволят проводить передовые исследования с яркими и интенсивными пучками рентгеновского излучения во множестве областей — химии, физике, материаловедении, биологии, геологии, гуманитарных науках. Причем задачи могут носить как фундаментальный, так и прикладной характер.

Например, с помощью исследований на СКИФ возможно будет создавать новые лекарственные препараты, работать над улучшением характеристик различных материалов, изучать древние артефакты без урона их целостности, оценивать месторождения драгоценных металлов, редких и рассеянных элементов и др.

Ученые из России и других стран будут проводить исследования в ЦКП СКИФ на основе системы отбора заявок. Ежегодно ЦКП СКИФ способен принять порядка тысячи научных групп.

Как и в других мировых центрах СИ, исследования в ЦКП СКИФ будут проводиться на экспериментальных станциях в режиме 24/7. В рамках первой очереди запланировано создание шести станций, всего возможно создание до 46 станций. Комплекс экспериментальных станций СКИФ спроектирован таким образом, чтобы станции взаимно дополняли и усиливали исследовательские возможности друг друга. На экспериментальных станциях будут реализованы все востребованные методы диагностики, включая методы рентгеновской спектроскопии, дифракции и рассеяния, визуализации (томографии, микроскопии). В ближайшем будущем появятся станции, работающие не только в рентгеновском, но также в ультрафиолетовом и инфракрасном спектральном диапазонах.

— Как работает комплекс?

— Электронная пушка формирует сгустки электронов, которые в линейном ускорителе (линаке) получают энергию 200 МэВ. По транспортному каналу линак—бустер сгустки поступают в кольцевой бустерный синхротрон (бустер), где далее разгоняются до рабочей энергии 3 ГэВ и по транспортному каналу бустер—накопитель поступают в основной накопитель. Здесь электронные сгустки, проходя через магнитное поле поворотных магнитов (магнитных диполей) или специализированных многополюсных устройств (вигглеров или ондуляторов), генерируют синхротронное излучение. Синхротронное излучение выводится из накопителя через фронтенды и по каналам транспортировки рентгеновского пучка доставляется до экспериментальных станций для проведения научных исследований.

— В чем уникальность этого комплекса?

— Источник синхротронного излучения можно сравнить с фонариком. Чтобы рассмотреть очень маленький удаленный предмет (например, белок вируса), большой фонарик с широким углом освещения подходит плохо, ведь до предмета доберется слишком мало света. Луч фонарика должен быть узконаправленным.

Произведение линейного размера источника СИ на угловую расходимость светового луча называется эмиттансом. Чем ниже эмиттанс источника СИ, тем большей плотности фотонного потока на исследуемом образце можно достичь. И тем более качественные «снимки» можно получить.

Именно рекордно низкий эмиттанс (75 пм•рад) позволяет классифицировать ЦКП СКИФ как источник синхротронного излучения поколения 4+. Ближайшими аналогами СКИФ являются международные центры синхротронного излучения MAX IV в Лунде (Швеция) и Sirius в Кампинасе (Бразилия).

— Как будет развиваться СКИФ в будущем?

— В перспективе СКИФ должен стать исследовательско-инновационным центром, основными направлениями деятельности которого станут:

• технологии и материалы для новых и возобновляемых источников энергии, включая солнечную и водородную энергетику;
• технологии эффективной транспортировки электроэнергии, в том числе на базе устройств и систем технической сверхпроводимости;
• структурно-направленный дизайн новых функциональных и конструкционных материалов с улучшенными эксплуатационными характеристиками;
• новые лекарственные препараты высокоизбирательного действия;
• технологии мониторинга, прогнозирования состояния и охраны окружающей среды;
• технологии извлечения ценных элементов из разбавленных руд и повторного использования промышленных отходов;
• специальные и оборонные технологии;
• новые ИТ-технологии и технологии работы с большими данными;
• новые образовательные технологии по подготовке научных и инженерных кадров высшей квалификации;
• пояс внедрения: трансфер передовых научных знаний в новые промышленные продукты и технологии.

Подготовлено при помощи Минобрнауки.