В ИЯФ СО РАН подготовили к установке ондулятор для станции ЦКП «СКИФ»

Ондулятор с рекордными параметрами для станции «Микрофокус» Центра коллективного пользования (ЦКП) «СКИФ» разработали, изготовили и испытали специалисты Института ядерной физики (ИЯФ) им. Г. И. Будкера СО РАН, 24 сентября сообщила пресс-служба ИЯФ СО РАН.

Ускорительный комплекс ЦКП «СКИФ» («Сибирский кольцевой источник фотонов») — специализированный источник синхротронного излучения (СИ), является российским проектом класса «мегасайенс» поколения 4+. Генерируемые в ЦКП «СКИФ» интенсивные пучки рентгеновского излучения будут использоваться пользователями для изучения различных объектов на атомарном уровне.

Специалисты ИЯФ СО РАН разрабатывают и производят всё высокотехнологичное и уникальное оборудование для ЦКП «СКИФ», включая вигглеры и ондуляторы — специальные магнитные устройства, которые, располагаясь на прямолинейных участках ускорителя, задают электронному пучку траекторию с большим количеством поворотов, что позволяет повысить яркость излучения.

Одной из пользовательских станций ЦКП «СКИФ», на которой будут решаться задачи геологии, геофизики и материаловедения, является «Микрофокус». В ондуляторе для «Микрофокуса» специалистам ИЯФ СО РАН удалось достигнуть уровня магнитного поля 1,35 Тесла при магнитном периоде 15,6 мм.

Такой уровень магнитного поля у этого устройства не только выше проектных параметров, установленных для данного синхротрона, но делает этот ондулятор единственным в мире. Установка его на ускорительное кольцо ЦКП «СКИФ» запланирована на конец 2026 года.

Яркость является главной характеристикой любого источника СИ. Для ее повышения учеными были разработаны вигглеры — специальные вставные сверхпроводящие устройства. В ИЯФ СО РАН в XX веке был разработан первый в мире многополюсный сверхпроводящий вигглер со знакопеременным полем, который обеспечивал наиболее высокую яркость излучения. Позже были созданы сверхпроводящие ондуляторы, представляющие подвид вигглера с принципиально иными спектральными свойствами излучения.

В вигглере яркость СИ увеличивается пропорционально числу магнитных полюсов, в ондуляторе — пропорционально квадрату числа магнитных полюсов. Специалисты ИЯФ СО РАН разработали и изготовили для первых станций ЦКП «СКИФ» пять сверхпроводящих вставных устройств — три вигглера и два ондулятора.

Младший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Федор Казанцев пояснил:

«Конструктивно вигглер и ондулятор идентичны и представляют собой последовательность небольших дипольных магнитов, которые отклоняют летящий через них пучок. Пучок летит змейкой и на каждом повороте излучает СИ. Отличие в следующем: интенсивность СИ, полученная из вигглера, прямо пропорциональна количеству магнитных периодов в нем. Но если добиться определенного соотношения периода структуры и амплитуды магнитного поля, то интенсивность излучения от каждого из полюсов будет складываться квадратичным образом и тогда такое устройство называется ондулятор».

Поскольку у вигглера и ондулятора спектры излучения отличаются, то в зависимости от используемых методик и изучаемых объектов разным пользовательским станциям нужны разные вставные устройства.

Для «Микрофокуса» в ИЯФ СО РАН изготовили 128-периодный сверхпроводящий ондулятор с очень коротким магнитным периодом — 15,6 мм. Периодом в ондуляторе называется расстояние между двумя соседними элементами периодической магнитной структуры, которая создает поперечное знакопеременное магнитное поле, обеспечивающее волнообразную траекторию электронов. Магнитный период определяет длину волны: чем он меньше, тем меньше длина волны, жестче спектр излучения.

Кроме того, в ходе испытаний в жидком гелии разработчиками был достигнут рекордный уровень магнитного поля — 1,35 Тесла.

«Такой экстремально высокий уровень поля 1,35 Тл для сверхпроводящего ондулятора с периодом 15,6 мм, магнитным зазором 7 мм и зазором для пучка 5 мм еще никто в мире не смог продемонстрировать, — отметил заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН доктор технических наук Виталий Шкаруба. — На лучших зарубежных ондуляторах со сходными геометрическими параметрами, созданными, такими конкурирующими с нами компаниями, как KIT (Германия), ESRF (Франция) и APS (США), уровень поля не превышает 1,1–1,2 Тл».

Ондулятор для «Микрофокуса» конструктивно представляет собой двухметровый алюминиевый каркас с 256 магнитными катушками, расположенными в определенном порядке. Как пояснил Федор Казанцев, при создании ондулятора с такими параметрами важен каждый элемент и каждый технологический этап. Для обеспечения одинаковости параметров всех 256 магнитных катушек необходимо было отбраковывать изготовляемые катушки, выбивающиеся из заданного допуска.

Специалистам ИЯФ СО РАН была поставлена задача измерения магнитного поля каждой из катушек до того, как они будут установлены в каркас. Решая ее, ими был разработан метод и устройство для такого измерения.

«Получив массив данных с магнитными полями катушек, мы пересортировываем их в определенном порядке, — рассказал Федор Казанцев. — Катушки выставляются таким образом, чтобы амплитуды соседних полюсов были наиболее близкими друг к другу». Выявленные катушки с сильно выбивающимися параметрами не используются.

Разработанный ондулятор позволит пользователям на станции «Микрофокус» ЦКП «СКИФ» использовать все возможности электронного пучка с экстремально малым эмиттансом — одним из параметров, определяющих уровень яркости СИ.

«На синхротроне СКИФ будут проводиться синхротронные исследования на переднем крае науки, они станут возможными в том числе благодаря нашим ондуляторам», — отметил Федор Казанцев.