Российские ученые-физики из Института ядерной физики СО РАН сообщили на пресс-конференции 30 мая об успешном тестировании новой технологии изготовления мощных линейных ускорителей электронов и позитронов. Прототип такого ускорителя, клистрон, продемонстрировал достижение расчетной мощности в 50 мегаватт, и теперь началась работа над выпуском первых серийных моделей.
Линейные ускорители электронов и позитронов являются ключевым компонентом широкого спектра научных приборов, таких как коллайдеры, синхротроны, источники комптоновского и терагерцового излучения, и других. Они используются для разгона частиц почти до скорости света.
Для реализации этого процесса необходима значительная импульсная сверхвысокочастотная (СВЧ) мощность, приблизительно 50 мегаватт – это сопоставимо с одновременной работой 50 тысяч современных электроплит. Ключевым компонентом линейного ускорителя является клистрон, который обеспечивает требуемую СВЧ мощность. Это высокочастотный усилитель, генерирующий ускоряющее поле, и без него невозможна реализация ни одного крупного ускорительного проекта. В частности, клистрон – один из основных элементов линейного ускорителя ЦКП «Сибирский кольцевой источник фотонов» ( СКИФ), обеспечивающий необходимую СВЧ-мощность.
Ранее мощные клистроны выпускались лишь в трех государствах: Японии, США и Франции. При строительстве синхротрона СКИФ (ЦКП «СКИФ») в наукограде Кольцово несколько лет назад Институт ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) по заказу Института катализа имени Г. К. Борескова СО РАН должен был обеспечить изготовление и запуск большей части необходимого оборудования.
Изначально ИЯФ СО РАН планировал приобрести четыре клистрона у Canon, японской компании, однако контракт был расторгнут, и удалось приобрести лишь одно устройство. В связи с этим, специалисты ИЯФ СО РАН были вынуждены создать собственную технологию производства клистронов. На данный момент на прототипе клистрона, разработанном в ИЯФ СО РАН, достигнута проектная СВЧ-мощность в 50 мегаватт. Клистрон являлся единственным необходимым компонентом для завершения полного цикла производства линейных ускорителей электронов и позитронов высокой энергии в России.
Линейный ускоритель является ключевым элементом ускорительного комплекса СКИФ. В нём создаётся пучок электронов, который направляется в бустер-синхротрон, а затем в накопитель – источник синхротронного излучения. Параметры пучка, передаваемого в бустер, также определяются в линейном ускорителе. В процессе работы необходимо обеспечить энергию частиц в 200 МэВ, сформировать 55 сгустков электронов с периодом 5,6 наносекунд и с зарядом в каждом сгустке 0,3 нанокулона. Длина каждого сгустка составляет приблизительно несколько миллиметров.
Электроны в линейном ускорителе приобретают высокую скорость, приближающуюся к скорости света, при этом их траектория корректируется с помощью магнитной системы. Сформированные в линейном ускорителе пучки, имеющие частоту 2856 герц, направляются в бустер-синхротрон для ускорения до 3000 мегаэлектронвольт, а затем — в накопительное кольцо СКИФ, протяженность которого составляет почти полкилометра. В кольце происходит накопление частиц, требуемых для проведения исследований, которые движутся по круговой траектории, создаваемой магнитами, и генерируют синхротронное излучение.
Излучение предоставляется специалистам центра, включая биологов, химиков, геологов, материаловедов и ученых, работающих в различных областях. Благодаря ему они, в частности, устанавливают элементный состав веществ, исследуют характеристики инновационных материалов, изучают процессы, протекающие с высокой скоростью, расшифровывают структуру белков и выполняют другие задачи.
Для достижения рабочей энергии пучка электронов в линейном ускорителе СКИФ, составляющей 200 мегаэлектронвольт, требуется использование мощных высокочастотных усилителей – клистронов. Эти клистроны должны обладать выходной СВЧ-мощностью свыше 50 мегаватт и генерировать ускоряющее поле в структуре ускорителя. Клистрон осуществляет преобразование энергии непрерывного потока электронов в энергию сверхвысокочастотных колебаний, трансформируя непрерывный ток в колебания с частотой приблизительно 3 гигагерца. Таким образом, клистрон выполняет функцию преобразования энергии электронов в энергию СВЧ-колебаний. Входная мощность клистрона, составляющая всего 500 ватт, на выходе усиливается в 100 тысяч раз.
«Мы работаем в этой области уже более 30 лет, — подчеркнул директор ИЯФ СО РАН, академик РАН Павел Логачев. Началось все с того, что Национальная ускорительная лаборатория SLAC (Стэнфордский университет) выразила благодарность за оказанную помощь в сложной ситуации и подарила нам свой клистрон. Мы начали осваивать его в работе. Благодаря полученному опыту и новым разработкам, когда возникла потребность, мы создали собственный клистрон. Это дало возможность стать независимым игроком и не зависеть от других при создании линейных ускорителей, которые востребованы в физике высоких энергий, при создании источников синхротронного излучения и в других областях, где требуется СВЧ-мощность свыше 50 мегаватт».
«К 2024 года планируется завершить сборку инжекционного, а затем и основного накопительного комплекса СКИФ. Запуск установки ожидается до конца 2024 года, сообщил директор Института катализа имени Г. К. Борескова СО РАН академик Валерий Иванович Бухтияров.
В России технология производства клистронов найдет применение при создании других источников синхротронного излучения, включая специализированный источник «КИСИ-Курчатов» (Москва), синхротрон «РИФ», который планируется построить на базе Дальневосточного федерального университета, и синхротрон «СИЛА», проект которого реализуется на базе Института физики высоких энергий имени А. А. Логунова (Москва). Также клистроны потребуются при возведении коллайдера Супер С-тау фабрики, источника комптоновского излучения в Сарове и источника нейтронов в Дубне.
«Клистрон — достаточно сложное устройство, над которым мы длительное время работали в фоновом режиме. Отсутствие необходимости в его разработке ранее, поскольку он был доступен для приобретения, не стимулировало к серьезным действиям. Однако санкции подтолкнули нас к активной работе, и результат получился удовлетворительным. Клистрон функционирует стабильно, и наше экспериментальное производство начало выпуск первых серийных экземпляров. Таким образом, в Российской Федерации, совместно с ранее разработанными в ИЯФ СО РАН высоковольтными модуляторами, ускоряющими структурами, электронной пушкой и другим оборудованием, сформирована полная отечественная технология создания линейных ускорителей электронов и позитронов, востребованных 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.
На вопрос корреспондента Naked Science о том, будут ли мощные ускорители российского производства представлять интерес не только для отечественных проектов, но и за пределами страны, Евгений Левичев уточнил: такое сотрудничество уже обсуждается, и оно в высшей степени вероятно, поскольку цена на российские клистроны будет, скорее всего, существенно ниже, чем у конкурентов, — при сравнимом качестве. Стоимость клистрона такой мощности может составлять около 20 миллионов долларов.