В ИЯФ СО РАН завершили тесты сверхпроводящего магнита для станции СКИФа
Сверхпроводящий магнит — вигглер — для станции «Быстропротекающие процессы» «Сибирского кольцевого источника фотонов» (СКИФ) изготовили и полностью протестировали специалисты Института ядерной физики (ИЯФ) им. Г. И. Будкера СО РАН, 23 июня сообщает пресс-служба института.
Центр коллективного пользования «СКИФ» — источник синхротронного излучения поколения 4+ станет уникальным исследовательским инструментом. Подобно гигантскому рентгеновскому микроскопу, создаваемые им предельно яркие и интенсивные пучки синхротронного излучения (СИ) помогут ученым многих областей науки исследовать на пользовательских станциях изучаемые ими объекты на молекулярном и атомарном уровне.
Специальные магниты — вигглеры и ондуляторы, устанавливаемые на каждой из семи первых пользовательских станций, создадут на пути электронного пучка магнитное поле специальной конфигурации, которое заставит пучок двигаться по извилистой траектории, излучая СИ с необходимыми конкретным пользователям параметрами.
На станции «Быстропротекающие процессы» ученые будут исследовать явления длительностью в миллионные доли секунды, такие как распространение ударных волн при взрыве, образование микротрещин в материале при лазерном нагреве или воздействие плазмы на вещество.
В ИЯФ СО РАН уже провели все необходимые испытания изготовленного там вигглера, который сейчас полностью готов к установке на накопительное кольцо синхротрона СКИФ, запланированной на осень 2026 года, после получения там стабильной циркуляции пучка электронов.
В отличие от коллайдеров, в которых частицы летят навстречу друг другу и сталкиваются, в синхротронах электроны в течение многих часов движутся по круговой орбите со скоростью, близкой к скорости света.
При повороте траектории пучка электронов в синхротроне под действием магнитного поля происходит преобразование части энергии электромагнитного поля пучка в электромагнитное излучение, которое называют синхротронным.
Заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН, доктор технических наук Виталий Шкаруба пояснил:
«По сути, в синхротронном источнике происходит преобразование энергии электронного пучка в энергию излучения рентгеновского диапазона — синхротронное излучение. Чем сильнее мы повернем траекторию пучка при помощи сильного магнитного поля, тем больше энергии потеряет электронный пучок и тем мощнее будет излучение».
Электронный пучок по круговой орбите направляют поворотные магниты, но свойства железного ярма ограничивают уровень их магнитного поля и, соответственно, ограничивают уровень мощности синхротронного излучения.
«Максимальное магнитное поле для любого несверхпроводящего магнита всего лишь 2 тесла, — добавил Виталий Шкаруба. — Этот параметр ограничен свойством железа, из которого создаются магниты, это закон природы, против которого не пойдешь. Соответственно и угол, на который повернется электронный пучок, ограничен. Можно сделать все магниты в ускорителе сверхпроводящими, тогда магнитное поле будет высоким, но это очень дорого и сложно».
Чтобы удешевить разработку оборудования для СКИФа, в ИЯФ СО РАН разработали сверхпроводящие «вставные» магниты (вигглеры и ондуляторы). Эти устройства создают сильное периодичное магнитное поле специальной конфигурации, многократно поворачивающее пучок то в одну, то в другую сторону, заставляя его лететь змейкой. При этом увеличение угла поворота пучка позволяет получать на выходе мощное СИ.
Вигглеры и ондуляторы устанавливаются на прямолинейных участках ускорителя.
«Еще особенностью изготавливаемых нами вигглеров и ондуляторов является то, что каждый из них создается с теми параметрами, которые необходимы на конкретной пользовательской станции, для конкретных исследований», — уточнил ученый.
В ЦКП «СКИФ» будут смонтированы 30 пользовательских станций. Семь первоочередных — это «Микрофокус», «Структурная диагностика», «XAFS-спектроскопия и магнитный дихроизм», «Диагностика в высокоэнергетическом рентгеновском диапазоне», «Электронная структура», «Быстропротекающие процессы», «Базовые методы синхротронной диагностики для образовательной, исследовательской и инновационной деятельности студентов».
В ИЯФ СО РАН создавалось для ЦКП «СКИФ» всё технологически сложное оборудование ускорительно-накопительного комплекса, в том числе вигглеры и ондуляторы для пользовательских станций.
Директор ИЯФ СО РАН академик РАН Павел Логачев отметил, что созданный ими вигглер является уникальным устройством:
«Это те самые излучатели, которые формируют яркий рентгеновский луч с поперечным размером меньше миллиметра, но со средней мощностью 20 киловатт — любую стальную рельсу он разрежет, как масло».
Прежде чем создать такое устройство, как вигглер, ученым ИЯФ СО РАН пришлось разработать технологию сверхпроводящих магнитов. Так как сверхпроводящие свойства у магнитов проявляются лишь при низких температурах порядка трех кельвинов (примерно минус 270 °C), то для поддержки такой низкой температуры магнита весом более 100 кг нужно обеспечить очень маленький теплоприток.
«Тонкое знание физики, практически искусство, заключается в том, чтобы сделать такую теплоизоляцию на вигглере, которая будет ограничивать теплоприток на магнит двумя ваттами. На решение подобных технологических задач требуется не год и не два, обычно на это уходит 20–40 лет. В процессе создания СКИФа было создано несколько уникальных устройств, одно из которых — сверхпроводящий вигглер», — рассказал директор ИЯФ СО РАН.
Созданный для станции «Быстропротекающие процессы» вигглер обеспечит пользователям станции возможность работать в диапазоне энергий от 15 до 100 кэВ. Вигглер прошел финальные испытания в «сухом» криостате, в котором он будет работать на кольце ускорителя, и полностью готов к работе.
Оригинальную конструкцию криостата также разработали специалисты ИЯФ СО РАН. В нем магнит «подвешен» в вакууме, а эффективное охлаждение обеспечивают специальные кулеры с разными температурными ступенями. Криостат может работать без остановки в течение нескольких лет и при этом ему не нужен жидкий гелий.
Ученый секретарь ЦКП «СКИФ» кандидат физико-математических наук Иван Рубцов уточнил, какие физические задачи будут изучаться на станции «Быстропротекающие процессы»:
«Изучение взрыва, детонационных характеристик взрывчатых веществ, быстрого горения, исследование различных ударных волн и воздействия плазмы на материалы в условиях термоядерного реактора, исследование динамического формирования наноструктур, таких как наноалмазы. Синхротронное излучение как нельзя лучше подходит для подобных исследований».
Иван Рубцов отметил, что в настоящее время, используя СИ, можно получить 100 кадров процесса за 10 микросекунд. Это было невозможно с использованием других устройств для изучения взрыва.
«Теоретически, использование поворотного магнита позволит получить необходимую временную структуру вспышек рентгеновского излучения, однако оно будет в более мягком энергетическом диапазоне и существенно меньшей интенсивности», — уточнил ученый секретарь ЦКП «СКИФ».
Напомним, источник синхротронного излучения поколения 4+ Центр коллективного пользования «СКИФ» сооружается в Новосибирской области. Его уникальные характеристики позволят проводить передовые исследования в химии, физике, материаловедении, биологии, геологии и гуманитарных науках. Кроме того, СКИФ сможет помочь в решении актуальных задач инновационных и промышленных предприятий.
Отметим также, что Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН является единственным исполнителем изготовления и запуска технологически сложного оборудования для ЦКП «СКИФ».
