Физики из Института ядерной физики СО РАН объявили о успешном испытании технологии производства линейных ускорителей электронов и позитронов во время пресс-конференции 30 мая. Прототип клистрона, такого ускорителя, достиг проектной мощности в 50 мегаватт, а изготовление первых серийных образцов уже началось.
Линейные ускорители электронов и позитронов являются основой множества научных установок, таких как коллайдеры, синхротроны, источники комптоновского и терагерцевого излучения. В этих установках частицы разгоняются до скоростей, близких к скорости света.
Для этого необходимо огромное импульсное СВЧ излучение, около 50 мегаватт — как если бы одновременно включили 50 тысяч современных электроплит. Главная часть линейного ускорителя — клистрон, именно он обеспечивает необходимую СВЧ мощность. Это высокочастотный усилитель, создающий ускоряющее поле, без которого невозможно реализовать ни один крупный ускорительный проект. В частности, клистрон — один из главных узлов линейного ускорителя ЦКП «Сибирский кольцевой источник фотонов». СКИФ), обеспечивающий необходимую СВЧ-мощность.
Производство мощных клистронов ранее осуществлялось только в Японии, США и Франции. Когда несколько лет назад в России начали строить синхротрон СКИФ (ЦКП «СКИФ») в наукограде Кольцово, большую часть оборудования для него должен был изготовить и запустить Институт ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН по заказу Института катализа имени Г. К. Борескова СО РАН.
Изначально ИЯФ СО РАН планировал приобрести четыре клистрона у японской компании Canon, но партнеры расторгли контракт. Успешно удалось купить только одно устройство. В связи с этим специалисты ИЯФ СО РАН разработали собственную технологию производства клистронов. На сегодня на прототипе клистрона, созданного в ИЯФ СО РАН, достигнута проектная СВЧ-мощность 50 мегаватт. Клистрон стал последним элементом полного цикла производства линейных ускорителей электронов и позитронов высокой энергии в России.
Линейный ускоритель является ключевым элементом комплекса СКИФ, где формируется пучок электронов. Его направляют сначала в бустер-синхротрон, а затем в накопитель — источник синхротронного излучения. В линейном ускорителе также задаются параметры пучка частиц, которые будут отправлены в бустер. Цель – получить энергию частиц 200 мегаэлектронвольт (МэВ), 55 сгустков электронов с периодом 5,6 наносекунды и зарядом в каждом сгустке 0,3 нанокулона. Длина каждого сгустка должна составлять несколько миллиметров.
Электроны в линейном ускорителе быстро разгоняются до скорости, близкой к скорости света, их траектория регулируется магнитной системой. Образованные в линейном ускорителе пучки с частотой 2856 герц поступают в бустер-синхротрон и ускоряются до рабочей энергии 3000 мегаэлектронвольт, после чего направляются в накопительное кольцо СКИФ длиной почти полкилометра. Там накапливается необходимое для исследований количество частиц, движущихся по круговой орбите, сформированной магнитами, и излучающих синхротронное излучение.
Центр предоставляет пользователям — биологам, химикам, геологам, материаловедам и ученым других областей — доступ к данному излучению. С его помощью определяют элементный состав вещества, изучают свойства новых материалов, исследуют быстропротекающие процессы, расшифровывают структуру белков и многое другое.
Для достижения рабочей энергии электронов в линейном ускорителе СКИФ до 200 мегаэлектронвольт требуются мощные высокочастотные усилители — клистроны с выходной СВЧ-мощностью более 50 мегаватт, генерирующие ускоряющее поле. Клистрон преобразует мощность непрерывного пучка в сверхвысокочастотную, то есть из постоянного тока делает ток с частотой колебаний около трех гигагерц. Это устройство – преобразователь энергии электронов в энергию СВЧ-колебаний. Небольшая СВЧ-мощность, 500 ватт, подаваемая на вход клистрона, усиливается на выходе в 100 тысяч раз.
«Более тридцати лет мы занимаемся этим направлением, — сказал директор ИЯФ СО РАН академик РАН Павел Логачев. — Всё началось с того, что Национальная ускорительная лаборатория SLAC (Стэнфордский университет) в знак благодарности за помощь в трудной ситуации подарила нам клистрон. Мы стали учиться с ним работать. Благодаря этим наработкам и новым разработкам, возникшей необходимости мы создали собственный клистрон. Это позволило стать самостоятельным игроком и не зависеть от кого-либо при создании линейных ускорителей, востребованных в физике высоких энергий, при создании источников синхротронного излучения и других приложениях, где требуется СВЧ-мощность более 50 мегаватт».
К середине 2024 года должна быть возможной сборка инжекционного, а затем основного накопительного комплекса СКИФ. Запуск установки еще до конца 2024 года планируется.
В России технология производства клистронов будет востребована при разработке Курчатовского специализированного источника синхротронного излучения «КИСИ-Курчатов», синхротрона «Русский источник фотонов» (планируемого на базе Дальневосточного федерального университета), синхротрона «СИЛА» проекта Института физики высоких энергий имени А. А. Логунова. Также клистроны необходимы при строительстве коллайдера Супер С-тау фабрики, источника комптоновского излучения в Сарове и источника нейтронов в Дубне.
«Клистрон — довольно сложное устройство, над созданием которого работали много лет, но поскольку ранее его можно было приобрести, серьезной мотивации не было. Санкции заставили как следует взяться за это дело, и получилось неплохо. Клистрон работает надежно, и экспериментальное производство приступило к изготовлению первых серийных приборов. Таким образом, 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.
На вопрос корреспондента Naked ScienceЕвгений Левичев пояснил: о возможном привлечении российских ускорителей как для отечественных, так и для зарубежных проектов уже ведутся переговоры, которые имеют все шансы завершиться сотрудничеством. Это связано с тем, что цена на российские клистроны будет, скорее всего, значительно ниже, чем у конкурентов при аналогичном качестве. Стоимость клистрона такой мощности может составлять около двадцати миллионов долларов.