Российские ученые разработали собственную технологию создания линейных ускорителей электронов и позитронов. В Институте ядерной физики имени Г.И. Будкера (ИЯФ) СО РАН, который отвечает за разработку и изготовление оборудования для центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (СКИФ), изготовили и запустили клистрон. Этот мощный высокочастотный усилитель был единственным недостающим звеном производства линейных ускорителей электронов и позитронов высокой энергии в России. Теперь наша страна располагает полностью отечественной технологией.
Такие ускорители нужны для самых разных научных установок: коллайдеров, синхротронов и др. В них необходимо разогнать частицы почти до скорости света. Чтобы это сделать, понадобится очень большая импульсная сверхвысокочастотная (СВЧ) мощность – около 50 МВт – как если бы одновременно включили 50 тысяч современных электроплит. Клистрон как раз обеспечивает необходимую СВЧ мощность.
Без этого высокочастотного усилителя, который создает ускоряющее поле, невозможно реализовать ни один крупный ускорительный проект. Мощные клистроны раньше производили лишь в Японии, США и Франции. Ситуация изменилась с началом создания в России синхротрона СКИФ.
Сначала в институте хотели закупить клистроны у японской компании Canon, однако партнеры разорвали контракт. Поэтому специалисты были вынуждены разработать собственную технологию создания этих устройств. В настоящий момент на прототипе клистрона, созданного в ИЯФ СО РАН, удалось достичь проектной СВЧ мощности 50 МВт. По словам ученых, он работает надежно, и специалисты начали собирать первые серийные приборы. Стоимость линейного ускорителя СКИФ оценивается в 20 миллионов долларов, и такие ускорители широко востребованы в России и в мире.
Линейный ускоритель – одна из основных частей ускорительного комплекса СКИФ. Именно здесь создается 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 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.
Клистрон преобразовывает мощность непрерывного пучка в сверхвысокочастотную, то есть из непрерывного тока делает ток, который имеет частоту колебаний около 3 гигагерц. Небольшая СВЧ мощность, 500 Ватт, которая подается на вход клистрона, на выходе усиливается в сто тысяч раз.
«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».
«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» – отметил 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+. Установку сооружают в Новосибирской области в рамках национального проекта «Наука и университеты».
