Уникальный опыт в интересах сибирского синхротрона

ЦКП «Сибирский кольцевой источник фотонов» — установка класса мегасайнс, для которой необходимо создать целый спектр не только сложнейшего оборудования, но и технологий для его производства. Представители ряда организаций, участвующих в проекте, в ходе совещания, которое прошло в рамках X Международного форума технологического развития «Технопром», поделились своими наработками в этом направлении. 

Практически 95 % ускорительного оборудования для СКИФа делается в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, и у института есть для этого все возможности. «У нас налажена уникальная система горизонтальных связей между научными сотрудниками, конструкторами, технологами и рабочими, — отметил заместитель директора по производству ИЯФ СО РАН кандидат технических наук Андрей Георгиевич Стешов. — Мы изготавливаем установки и их детали не только для себя, но и для различных организаций по всей России и миру, включая крупные международные научные проекты. Кроме того, в прошлом ИЯФ принимал участие в создании оборудования для самых разных источников СИ. Наше производство и материальная база позволяют реализовать множество специализированных процессов, мы накопили уникальный опыт и теперь его используем».

(слева направо) Михаил Марченко, Александр Кривенко, Петр Завьялов, Алексей Левичев, Андрей Стешов (слева направо) Михаил Марченко, Александр Кривенко, Петр Завьялов, Алексей Левичев, Андрей Стешов

Один из видов приборов, необходимых для линейного ускорителя, — клистрон. Это электровакуумное устройство, где идет преобразование постоянного потока электронов в переменный под воздействием электрического СВЧ-поля. Для СКИФа нужны клистроны с импульсной мощностью 50 мегаватт и более. При проектировании источника СИ было запланировано, что их закупят в Японии, однако последующие события внесли свои коррективы, и поставка оказалась невозможной. Тогда было решено создать клистроны с необходимыми параметрами в ИЯФ СО РАН. 

«Технология, все элементы клистрона и высоковольтного модулятора, кроме катода, были разработаны и изготовлены в нашем институте (катод сделан на одном из российских предприятий)», — подчеркнул заведующий сектором ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Алексей Евгеньевич Левичев и добавил, что разработку сибирских специалистов при необходимости можно будет использовать в дальнейшем, в будущих крупных проектах. 

Еще один вклад ученых ИЯФ — это газовый однокоординатный и кремниевый однокоординатный детекторы с режимами интегрирования от каждого сгустка для станции «Динамические процессы»; однокоординатный детектор с режимом прямого счета фотонов и однокоординатный детектор с режимом интегрирования сигнала для станции «Плазма»; кремниевый микрополосковый детектор для станции «Динамические процессы» в отдельном здании. В дальнейших планах, как рассказал главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН доктор физико-математических наук Лев Исаевич Шехтман, — производство детекторов и их элементов для других станций СКИФа.

Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН разрабатывает и создает фронтенды для станций первой очереди ЦКП СКИФ. Часть оборудования, по словам помощника директора по научно-техническим проектам КТИ НП СО РАН кандидата технических наук Петра Сергеевича Завьялова, уже готова. «Одним из вызовов, который стоял перед нами, было достижение в изготавливаемых нами фронтендах сверхглубокого вакуума. При помощи и консультациях коллег из ИЯФа нам удалось это сделать, и полученных нами характеристик вакуума достаточно для задач СКИФа», — добавил ученый. 

Кроме того, КТИ НП является интегратором работ по станции первой очереди «Диагностика в высокоэнергетическом рентгеновском диапазоне». «Это будет отдельно стоящее здание, потому что там будут производиться эксперименты, в том числе и с биологическими объектами, — поделился Пётр Завьялов. – Исследования на станции (медико-биологические, палеонтологические, материаловедческие) требуют мощного пучка и объемных устройств. Большая часть этих устройств разрабатывается и производится в нашем институте. Нам приходится осваивать новые технологии, которыми мы раньше не владели, ведется модернизация и подготовка опытного производства КТИ НП, закуплено специальное оборудование, освоены сложные расчеты на мультифизических пакетах ПО».

О создании комплексного цифрового двойника ЦКП СКИФ говорил директор головной организации соответствующего консорциума Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН доктор физико-математических наук Михаил Александрович Марченко. ЦД разрабатывается консорциумом организаций, куда входят ИВМиМГ СО РАН (головная организация), КТИ НП СО РАН, ФИЦ «Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН» и непосредственно ЦКП СКИФ. М. А. Марченко акцентировал: «Часто под цифровым двойником понимают 3D-модель, однако это не так. ЦД – это комплекс компьютерных моделей, который описывает структуру, функциональность и поведение установки на основе данных, собираемых в процессе эксплуатации, а также является основой для принятия решений по управлению и гарантией устойчивой прецизионной работы». 

Участники консорциума изучили зарубежный и отечественный опыт уже имеющихся цифровых двойников крупных научных объектов и уже начали работы по созданию ЦД для отдельных элементов СКИФа. Так, совместно с КТИ НП уже проведен виртуальный эксперимент с моделью алмазного окна фронтенда одной из станций первой очереди. 

(слева направо) Алексей Гоголев, Иван Батаев, Анатолий Снигирев, Лев Шехтман, Илья Малышев (слева направо) Алексей Гоголев, Иван Батаев, Анатолий Снигирев, Лев Шехтман, Илья Малышев

В работе над СКИФом принимают участие не только академические институты, но и большая группа университетов, причем не только сибирских. 

Начальник управления перспективных исследований Томского политехнического университета, под эгидой которого происходит создание станции «Микрофокус», кандидат физико-математических наук Алексей Сергеевич Гоголев рассказал о том, что на текущий момент с учетом некоторых новых вводных по параметрам пучка ускорителя были пересчитаны и утверждены оптические схемы. «Размер пучка достигнет показателей до 100 нанометров хотя бы в одном направлении, а для большинства задач его можно будет варьировать от 100 нм и выше. Часть работ уже проведена», — сообщил А. Гоголев, в заключение обозначив ряд технических вопросов, которые требуют решения. 

Новосибирский государственный технический университет участвует в проекте СКИФ в самых разных ипостасях, одна из которых – разработка концептуального проекта научно-образовательной станции второй очереди «Материаловедческая междисциплинарная станция». Она направлена на исследования в областях материаловедения и современных машиностроительных технологий. «Мы планируем использовать ряд элементов, позволяющих сфокусировать сверхвысокоэнергетические пучки. Для этого в Балтийском федеральном университете им. Иммануила Канта разрабатываются специальные линзы. С их помощью можно будет достичь таких параметров, которые нам нужны», — отметил профессор НГТУ, доктор технических наук Иван Анатольевич Батаев. 

Директор МНИЦ «Когерентная рентгеновская оптика для установок класса мегасайнс» БФУ кандидат физико-математических наук Анатолий Александрович Снигирев дополнил, что, используя богатый опыт в разработке и изготовлении преломляющей оптики, которая позволяет гибко использовать расщепление пучка, для двух станций СКИФа в МНИЦ были произведены рентгеновские бериллиевые линзы, а для «Микрофокуса» еще и такие устройства, как вакуумный трансфокатор и вакуумный охлаждающий трансфокатор.

Ряд элементов зеркальной и многослойной оптики делается также в Институте физики микроструктур РАН. Старший научный сотрудник ИФМ кандидат физико-математических наук Илья Вячеславович Малышев перечислил задачи, которые решаются в рамках СКИФа: разработка двухзеркального монохроматора, скрещенной системы Киркпатрика — Баеза для 2D-нанофокусировки. Для этих задач отрабатывается и создается ряд специальных технологий.

Начальник отдела вакуумных технологий ООО «ЭПОС-инжиниринг» Александр Сергеевич Кривенко рассказал, что организацией были разработаны элементы вакуумного оборудования СКИФа: комплекс быстрозакрывающихся изолирующих затворов с датчиками.

Директор ЦКП СКИФ член-корреспондент РАН Евгений Борисович Левичев, завершая совещание, подчеркнул, что результатом гигантской совместной работы, кроме непосредственно появления уникального источника СИ, будет создание большого пула организаций, которые в будущем, при работе над другими крупными установками, смогут тиражировать полученный опыт, делать новое и выйти на следующий уровень в этой области. 

«Это мероприятие организовано нами для того, чтобы стимулировать дальнейшую и расширяющуюся кооперацию организаций под эгидой СКИФа», — добавил в конце заместитель директора ЦКП СКИФ по научной работе доктор физико-математических наук Ян Витаутасович Зубавичус.

«Наука в Сибири» 

Фото Юлии Поздняковой