В России появилась отечественная технология создания линейных ускорителей электронов и позитронов

: 31.05.2023

Линейные ускорители электронов и позитронов – это «сердце» самых разных научных установок: коллайдеров, синхротронов, источников комптоновского и терагерцевого излучения и других. В этих установках необходимо разогнать частицы почти до скорости света. Чтобы сделать это, требуется очень большая импульсная сверхвысокочастотная (СВЧ) мощность – около 50 МВт – это если бы одновременно включили 50000 современных электроплит. Важнейшая часть линейного ускорителя – клистрон, именно он обеспечивает необходимую СВЧ мощность. Это высокочастотный усилитель, который создает ускоряющее поле, и без него невозможно реализовать ни один крупный ускорительный проект. Мощные клистроны раньше производились лишь тремя организациями в мире – в Японии, США и Франции. Ситуация изменилась с началом создания в РФ синхротрона СКИФ (ЦКП «СКИФ»), оборудование для которого будет изготовлено и запущено Институтом ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН). Изначально предполагалась, что ИЯФ СО РАН закупит клистроны у японской компании Canon, однако партнеры разорвали контракт. Поэтому специалисты ИЯФ СО РАН были вынуждены разработать собственную технологию создания этих устройств. В настоящий момент на прототипе клистрона, созданного в ИЯФ СО РАН, достигнута проектная СВЧ мощность 50 МВт. Он работает надежно, и производство института приступило к изготовлению первых серийных приборов. Клистрон был единственным недостающим звеном в полном цикле производства линейных ускорителей электронов и позитронов высокой энергии в России, и сейчас РФ располагает полностью отечественной технологией. Стоимость линейного ускорителя СКИФ оценивается в 20 миллионов долларов, и такие ускорители широко востребованы в России и в мире.

beamE

Пучок электронов, который группируется в клистроне, и СВЧ мощность, которая выходит в волноводе

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 200 мегаэлектронвольт (МэВ), 55 сгустков электронов с периодом 5.6 наносекунд и с зарядом в каждом сгустке 0.3 нанокулон. 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 Гц 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, и излучают 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 3 гигагерц. Клистрон – это преобразователь энергии электронов в энергию СВЧ колебаний. Небольшая СВЧ мощность, 500 Ватт, которая подается на вход клистрона, на выходе усиливается в сто тысяч раз.

«Прорывные научные проекты во всем мире напрямую связаны с мегаустановками. 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.

«Мы занимаемся этим направлением более тридцати лет, – пояснил директор ИЯФ СО РАН академик РАН Павел Логачев. – Все началось с того, что Национальная ускорительная лаборатория SLAC подарила нам свой клистрон, и мы стали учиться с ним работать. Таким образом они отблагодарили нас за то, что мы выручили их в тяжелой ситуации, изготовив уникальное оборудование. Благодаря этим наработкам, а также новым, сейчас, когда возникла необходимость, мы создали собственный клистрон. Это позволило нам стать самостоятельным игроком и ни от кого не зависеть при создании линейных ускорителей, которые востребованы в физике высоких энергий, при создании источников синхротронного излучения и других приложений, где необходима СВЧ мощность более 50 мегаватт. В России технология может быть востребована при создании проектируемых источников синхротронного излучения КИСИ-Курчатов, РИФ, СИЛА, для электрон-позитронного коллайдера Супер С-тау фабрика, источника комптоновского излучения в Сарове, источника нейтронов в Дубне».

В мае 2023 года в ИЯФ СО РАН на созданном прототипе клистрона достигнута проектная СВЧ мощность 50 МВт и другие параметры, гарантирующие работу линейного ускорителя СКИФ.

«Клистроны с необходимыми нам параметрами производятся только в CPI (США), французской Thales и японской компанией Canon, у которой планировалось приобрести клистроны. Canon, следуя антироссийской политике санкционной блокады, отказал в поставке СВЧ-усилителей, разорвав подписанный контракт, и специалисты ИЯФ СО РАН были вынуждены в срочном порядке начать изготовление клистрона своими силами. Клистрон – довольно сложное устройство, мы работали над его созданием в фоновом режиме много лет, но поскольку раньше его можно было купить, и у нас не было строгой мотивации. Санкции заставили нас как следует взяться за это дело, и у нас получилось, и получилось неплохо. Клистрон работает надежно, и наше экспериментальное производство приступило к изготовлению первых серийных приборов. Таким образом, можно констатировать, что, совместно с ранее разработанными в ИЯФ СО РАН высоковольтными модуляторами, ускоряющими структурами, электронной пушкой, другим оборудованием, в Российской Федерации появилась полная отечественная технология создания линейных ускорителей электронов и позитронов, необходимых для источников синхротронного излучения, коллайдеров и других ускорительных проектов» – прокомментировал заместитель директора по научной работе ИЯФ СО РАН, директор ЦКП «СКИФ» член-корреспондент РАН Евгений Левичев.

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 ФИЦ «Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН». Единственный исполнитель по изготовлению и запуску технологически сложного оборудования для ЦКП «СКИФ» – Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН. В настоящее время десятки организаций РФ 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.