Источник синхротронного излучения «Сибирский кольцевой источник фотонов» (СКИФ) – это уникальный исследовательский инструмент, который часто сравнивают с гигантским рентгеновским микроскопом. Благодаря предельно ярким и интенсивным пучкам синхротронного излучения (СИ) специалисты из различных областей науки смогут проникать в тайны изучаемых объектов на уровне молекул и атомов. За генерацию пучка и его качество в установке отвечают специальные магниты – вигглеры и ондуляторы. На каждой из семи первых пользовательских станций такие устройства будут создавать на пути электронного пучка магнитное поле специальной конфигурации, заставляющее пучок двигаться по извилистой траектории и излучать при этом синхротронное излучение с параметрами, необходимыми конкретным пользователям. В Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) изготовили вигглер для станции «Быстропротекающие процессы». Здесь специалисты будут изучать in situ явления, время протекания которых составляет миллионные доли секунды, например, распространение ударных волн при взрыве, образование микротрещин в материале при лазерном нагреве и воздействие плазмы на вещество. На данный момент вигглер прошел все испытания и готов к установке на накопительное кольцо синхротрона СКИФ. Монтаж устройства планируется осенью 2026 г. после получения стабильной циркуляции пучка электронов в накопителе.
Источники синхротронного излучения, как и коллайдеры, относятся к ускорителям заряженных частиц. Но только в отличие от коллайдеров, где частицы летят навстречу друг другу и сталкиваются, в синхротронах электроны движутся по круговой орбите со скоростью, близкой к скорости света, в течение многих часов. Когда траектория пучка электронов поворачивается под действием магнитного поля, часть энергии электромагнитного поля, сопровождающего электронный пучок, «отрывается» от него и преобразуется в электромагнитное излучение – это и называется синхротронным излучением.
Заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН доктор технических наук Виталий Шкаруба«По сути в синхротронном источнике происходит преобразование энергии электронного пучка в энергию излучения рентгеновского диапазона – синхротронное излучение, – прокомментировал заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН доктор технических наук Виталий Шкаруба. – Чем сильнее мы повернём траекторию пучка при помощи сильного магнитного поля, тем больше энергии потеряет электронный пучок и тем мощнее будет излучение».
По круговой орбите электронному пучку помогают лететь поворотные магниты, но уровень их магнитного поля ограничивается свойствами железного ярма, а значит ограничен и 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. В ИЯФ СО РАН были разработаны сверхпроводящие “вставные” магниты – вигглеры и ондуляторы. В этих устройствах создаётся сильное периодичное магнитное поле специальной конфигурации, попадая в которое, пучок многократно поворачивается то в одну, то в другую сторону – летит змейкой. Таким образом мы увеличиваем угол поворота пучка и получаем на выходе мощное СИ. Такие магнитные устройства размещаются на прямолинейных промежутках ускорителя. Ещё особенностью изготавливаемых нами вигглеров и ондуляторов является то, что каждый из них создаётся с теми параметрами, которые необходимы на конкретной пользовательской станции, для конкретных исследований».
В ЦКП «СКИФ» запланировано создание 30 пользовательских станций. В первой очереди их семь: «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». Все технологически сложное оборудование ускорительно-накопительного комплекса для ЦКП «СКИФ», в том числе вигглеры и ондуляторы для пользовательских станций, создавались в ИЯФ СО РАН.
По словам директора ИЯФ СО РАН академика РАН Павла Логачева, вигглер – пример уникального устройства.
Директор ИЯФ СО РАН академик РАН Павел Логачев«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. Для того чтобы создать такое устройство – вигглер – нужно было разработать технологию сверхпроводящих магнитов. Сверхпроводящие свойства у магнитов появляются при низких температурах, около трех Кельвин (примерно – 270 градусов Цельсия). Чтобы поддерживать настолько низкую температуру магнита весом более 100 килограмм, нужно иметь 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 СКИФ было создано несколько уникальных устройств, одно из которых – сверхпроводящий вигглер. Наука – это игра в долгую. Если вы не планируете на 50 лет вперед, у вас никогда не будет результатов мирового уровня. Нужно помнить об этом, руководя наукой и создавая для нее условия», – прокомментировал Павел Логачев.
Вигглер для станции «Быстропротекающие процессы» позволит пользователям станции работать в диапазоне энергий от 15 до 100 кэВ. Этот вигглер прошел финальные испытания в собственном «сухом» криостате, в котором он и будет работать непосредственно на кольце ускорителя, и полностью готов к работе. «Cухой» криостат – еще одна прорывная разработка ИЯФ СО РАН, которая позволяет экономить миллионы рублей в год на дозаправке криостатов жидким гелием.
«Чтобы ниобий-титановый сплав, из которого мы создаём обмотки вигглера, перешёл в сверхпроводящее состояние, магнит помещают в классический криостат с жидким гелием, где он охлаждается до криогенных температур», – объяснил Виталий Шкаруба. – На этом этапе проходит цикл предварительных исследований по измерению параметров магнитного поля. Во время работы непосредственно на синхротроне вигглер будет находиться и охлаждаться в “сухом” криостате. Это оригинальная конструкция, в которой магнит “подвешен” в вакууме, а охлаждение происходит благодаря специальным кулерам с разными температурными ступенями. Такие криостаты позволяют эффективно охлаждать сверхпроводники, но при этом не тратить жидкий гелий и работать без остановки в течение нескольких лет. Именно такие сухие криостаты и будут использоваться в ЦКП “СКИФ”».
На пользовательской станции «Быстропротекающие процессы» ЦКП «СКИФ» специалисты будут изучать явления, имеющие характерные временные масштабы микросекунды и наносекунды.
Ученый секретарь ЦКП «СКИФ» кандидат физико-математических наук Иван Рубцов«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 – все это физические задачи, которые мы будем изучать на станции “Быстропротекающие процессы”, – прокомментировал ученый секретарь ЦКП «СКИФ» кандидат физико-математических наук Иван Рубцов. – Синхротронное излучение как нельзя лучше подходит для подобных исследований. Раньше для изучения взрыва специалисты использовали контактные датчики, которые располагались внутри взрывчатого вещества, но эта возмущающая методика искажала результаты. Потом появились импульсные рентгеновские аппараты, минус которых заключался в том, что одно такое устройство может снять только один кадр за весь быстропротекающий процесс. Поэтому нужно было устанавливать несколько аппаратов для съемки взрыва с разных ракурсов, но и этого было недостаточно. Сегодня благодаря СИ мы получаем 100 кадров за 10 микросекунд. Технологически мы шагнули очень далеко».
По словам специалиста, получать кадр за одну вспышку им поможет вигглер производства ИЯФ СО РАН – благодаря этому устройству у специалистов будет мощный и яркий пучок СИ с большим количеством фотонов.
«Теоретически, использование поворотного магнита позволит получить необходимую временную структуру вспышек рентгеновского излучения, однако оно будет в более мягком энергетическом диапазоне и существенно меньшей интенсивности», – добавил Иван Рубцов.