Купить готовое подобное устройство невозможно, поэтому физики разработали и создали свой уникальный одномодовый ВЧ-резонатор.
Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН является единственным исполнителем по изготовлению и запуску технологически сложного оборудования для Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов». К каждому элементу источника синхротронного излучения поколения 4+ предъявляются высокие требования, от выполнения которых зависит достижение заявленных параметров всей установки — энергии 3 ГэВ и эмиттанса пучка 75 пикометров радиан. Недавно из экспериментального производства ИЯФ СО РАН вышел первый высокочастотный резонатор для бустера ЦКП СКИФ.
3D-модель высокочастотного резонатора, разработанного и созданного в ИЯФ СО РАН
Высокочастотная система отвечает за ускорение пучка, поэтому к ее техническим характеристикам и рабочим параметрам были особые требования. Например, в резонаторе не должны появляться колебания высоких частот (высшие моды), которые способны дестабилизировать или разрушить пучок. Приобрести подобный аппарат в готовом виде невозможно, поэтому физики разработали и создали свой уникальный одномодовый ВЧ-резонатор, который подавляет «плохие» моды, оставляя для пучка только одну рабочую частоту. 3D-моделирование параметров прошло успешно, на данный момент резонатор готов к испытаниям. Всего в бустере будет установлено три таких устройства — производство остальных двух уже запущено.
Основная задача бустера ЦКП СКИФ — ускорить пучок электронов до рабочей энергии, после чего он попадет в накопитель — источник синхротронного излучения. За ускорение пучка электронов в бустере отвечают высокочастотные системы, которые включают в себя резонаторы, генераторы и систему управления. Если энергия электронов при инжекции в бустер будет составлять 200 МэВ, то, многократно проходя через резонаторы, она увеличится до 3 000 МэВ.
«Резонатор — это вакуумный объем специальной формы, внутри которого генерируется электромагнитное поле высокой частоты, именно поэтому система называется высокочастотной, — рассказывает научный сотрудник ИЯФ СО РАН Евгений Александрович Ротов. — В резонаторе пучок попадает в сильное электрическое поле, которое и ускоряет частицы. Напряжение на ускоряющем зазоре резонатора 400 кВ. Такие устройства есть на любом ускорителе, но в зависимости от параметров установки меняются требования к ВЧ-системам. К нашим резонаторам особые требования, потому что параметры синхротрона СКИФ будут во многом уникальными».
Электромагнитное поле в резонаторе для бустера ЦКП СКИФ возбуждается на частоте 357 МГц — на этой частоте происходит ускорение пучка электронов. Но помимо полезной частоты в ВЧ-системе возбуждается и множество более высоких частот, высших мод. Взаимодействуя с пучком, они не ускоряют его, а раскачивают, приводя к снижению параметров. В самом худшем случае такие частоты могут разрушить пучок. Перед разработчиками стояла задача создать такой резонатор, в котором высшие моды были бы очень маленькими, а взаимодействие пучка с ними — минимальное.
«Резонаторы, в которых сильно подавлены все моды, кроме рабочей, называются одномодовыми, — поясняет Евгений Ротов. — ИЯФ СО РАН не в первый раз делает подобного рода ВЧ-системы, но в первый раз к их рабочим параметрам предъявляются такие жесткие требования. ЦКП СКИФ — машина поколения 4+, ее параметры уникальны, поэтому и точность проектирования и изготовления всех ее систем высокая. По сути, нам нужно было создать такие условия, чтобы в резонаторе возбуждалась основная рабочая частота 357 МГц, а остальных почти не было. Купить готовые резонаторы с такими параметрами оказалось невозможно, их просто не существует. Поэтому перед нами встала нетривиальная и сложная задача — разработать и создать их самостоятельно».
Для решения поставленной задачи специалисты поместили в резонатор шесть высокочастотных нагрузок из специального керамического материала, который поглощает высокочастотную мощность. При этом нагрузки никак не влияют на рабочую частоту.
Высокочастотный резонатор, отвечающий за ускорение электронов в бустере СКИФ
«Чтобы обеспечить такую избирательность в подавлении одних мод и сохранении других, мы разработали свою конструкцию резонатора, — добавляет Евгений Ротов. — У нашего резонатора есть “рога” — сдвоенные волноводы специальной формы, которые выполняют функцию фильтра. Рабочая частота в них “застревает”, а все высшие моды легко проходят сквозь них, после чего, попадая в нагрузки из поглощающей керамики, затухают. Таким образом мы решаем задачу подавления “плохих” мод и сохранения основной на частоте 357 МГц».
Всего для бустера ЦКП СКИФ потребуется три резонатора. Первый полностью собран и сейчас проходит различные этапы испытаний, которые планируется закончить к концу 2023 года. Так, например, уже пройдена вакуумная проверка — в устройстве получен требуемый вакуум. Для того чтобы проверить, эффективно ли резонатор подавляет высшие моды, в одном из зданий ИЯФ СО РАН построен специальный биозащищенный объем, в котором и будет проходить следующий этап испытаний.
«Когда резонатор работает на высоком напряжении, он излучает рентген, поэтому нам было необходимо помещение с биозащитой, — поясняет Евгений Ротов. — Небольшую защищенную комнату мы сделали в одном из корпусов института, совсем скоро поместим в нее резонатор и начнем получать те самые 400 кВ напряжения. Проверим, что все системы работают и соответствуют техническому заданию, в том числе и эффективность подавления высших мод. Возможно, будут вноситься какие-то коррективы, но, скорее всего, они будут минимальны, так как устройство проходило этап 3D-моделирования. Два других резонатора для бустера уже запущены в производство. Это сделано для того, чтобы всё было готово к запланированному сроку запуска ЦКП СКИФ, но при этом мы могли внести корректировки в конструкцию резонаторов, если это потребуется, после проверки первого образца».
Биозащищенная комната для испытаний ВЧ-резонатора
Заказчиком и застройщиком ЦКП СКИФ выступает ФИЦ «Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН». Проектирует объект Центральный проектно-технологический институт (АО «ЦПТИ», входит в топливную компанию Росатома «ТВЭЛ»). Генеральным подрядчиком выступает «Концерн Титан-2», также входящий в структуру Росатома. Единственный исполнитель по изготовлению и запуску технологически сложного оборудования для ЦКП СКИФ — Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН. Завершение строительно-монтажных и пусконаладочных работ по всем объектам ЦКП СКИФ намечено на декабрь 2024 года.
Пресс-служба ИЯФ СО РАН
Фото Татьяны Морозовой, иллюстрация предоставлена Евгением Ротовым
