Центр коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (ЦКП «СКИФ») – это специализированный источник синхротронного излучения (СИ) поколения «4+». Он позволит биологам, химикам, археологам и др. вывести свои эксперименты на качественно новый уровень, так как с его помощью станет возможным изучать объекты на атомарном уровне.
Одними из основных источников излучения любого синхротрона являются вигглеры и ондуляторы. Это два типа магнитных систем, попадая в которые, пучок электронов начинает двигаться зигзагообразно, тем самым генерируя СИ и повышая его интенсивность. Пользовательские станции первой очереди будут оснащены четырьмя ондуляторами, двумя вигглерами и одним жестким поворотным магнитом. Специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) спроектировали, произвели, а теперь начали финальные измерения уникального электромагнитного ондулятора для поляризационных экспериментов на станции «Электронная структура». Осенью его установят в ЦКП «СКИФ».
Ондуляторы – это основные элементы в источниках синхротронного излучения. Данный тип магнитной системы создает знакопеременное периодическое магнитное поле, которое нужно для того, чтобы пролетающие в нем электроны приобретали волнообразную траекторию, в результате поперечного знакопеременного ускорения. При такой траектории движения электроны испускают синхротронное излучение в пределах ограниченного угла.
«Попадая в ондулятор, электроны начинают лететь по синусоидальной траектории и на каждом таком изгибе излучать, – прокомментировал заведующий сектором ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Константин Золотарев. – Особенность ондуляторов , в отличие от тех же вигглеров, в том, что отдельные фотоны, излученные с разных полюсов ондулятора, могут интерферировать между собой. Таким образом они усиливают друг друга, если совпадают по фазе, или гасят, в противном случае. Это позволяет получать существенное увеличение интенсивности СИ для определенных длинах волн».
В ЦКП «СКИФ» запланировано создание 30 пользовательских станций. В первой очереди их семь: «Микрофокус», «Структурная диагностика», «XFAS-спектроскопия и магнитный дихроизм», «Диагностика в высокоэнергетическом рентгеновском диапазоне», «Электронная структура», «Быстропротекающие процессы» и «Базовые методы синхротронной диагностики для образовательной, исследовательской и инновационной деятельности студентов». Для каждой станции физиками ИЯФ СО РАН разработаны свои оригинальные конструкции многополюсных устройств генерации. На станции «Электронная структура» специалисты будут использовать метод фотоэлектронной спектроскопии в двух направлениях исследований: изучение in situ каталитических реакций и изучение взаимодействия излучения с твердым телом, что тесно связано с областью полупроводниковой промышленности. Ондулятор для этой станции позволяет работать в четырех режимах с вертикальным и, что большая редкость, с горизонтальным магнитным полем и позволяет проводить поляризационные эксперименты, в которых изучаются динамика электронных спинов в атомных переходах.
Эллиптический ондулятор является самым длинным вставным устройством накопительного кольца СКИФ. Фото Т.Морозовой.
«Стандартный ондулятор – планарный, его полюса, располагающиеся сверху и снизу вакуумной камеры, создают вертикальное магнитное поле, которое, в свою очередь, заставляет электроны отклоняться в горизонтальной плоскости от своей равновесной орбиты то вправо, то влево, – добавил научный сотрудник ИЯФ СО РАН Денис Гуров. – Но в данной конструкции ондулятора есть еще боковые полюса, которые позволяют создавать также знакопеременное магнитное поле в горизонтальной плоскости. Оно, соответственно, вызывает движение электронов в вертикальной плоскости. Чтоб получить две различные ориентации поля, можно использовать постоянные магниты на сверхпроводниках, но здесь мы использовали обычные теплые электромагнитные катушки из меди с водяным охлаждением внутри. Полюса (46 вертикальных и 92 горизонтальных) – это такие штыри прямоугольного сечения, установленные на железном магнитопроводе. Вокруг на них устанавливаются катушки, присоединенные к источнику стабилизированного тока. Собственно, от того, какой ток подается на эти катушки, такая получается величина магнитного поля. Максимальные значения вертикального магнитного поля составляет 5 килоГаусс, а горизонтального – 1 килоГаусс. А дальше вопрос комбинации: можно включить только вертикальное поле – это планарный режим, или когда горизонтальное и вертикальное поле равной величины – циркулярный режим, а можно одновременно и то, и другое в различных пропорциях. Есть еще режим работы ондулятора, способный подавить при помощи катушек коррекции третью гармонику ондуляторого излучения».
Ондулятор для станции «Электронная структура» – это самое длинное вставное устройство, которое будет работать на накопительном кольце СКИФ. Его длина составляет почти 5 метров, а сделан он из специальной стали, в составе которой практически одно железо. Такой материал выбран специально –при циклическом изменении поля он сразу же возвращается к изначальным параметрам, что снижает ошибки при переключении между режимами ондулятора.
«Из-за больших размеров мы транспортируем ондулятор в накопительный тоннель до того, как основное кольцо будет замкнуто, поэтому к нам предъявляются дополнительные временные требования, – добавил Константин Золотарев. – Ориентировочно, мы должны будем завести его на СКИФ не позднее октября, а так как другие вставные устройства появятся на кольце позже, то, возможно, первое СИ из вставного устройства будет получено именно из этого ондулятора».
На данный момент специалисты приступили к магнитным измерениям ондулятора. После этого этапа устройство будет готово к транспортировке в накопительный тоннель ускорительного комплекса СКИФ.
«Мы должны проверить, как работает ондулятор во всех четырех режимах и во всех возможных амплитудах: от максимальных 5 килоГаусс до 1 и меньше. Еще одна важная задача – проверить, не изменяет ли ондулятор первый и второй интеграл, то есть не влияет ли устройство на оптику электронного пучка, на его смещение и угол отклонения», – пояснил Денис Гуров.
Центр коллективного пользования «СКИФ» – источник синхротронного излучения поколения 4+. Установка сооружается во исполнение Указа президента России от 25 июля 2019 года. Реализация проекта находится на особом контроле полномочного представителя Президента Российской Федерации в Сибирском федеральном округе. 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», 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.
