«Батарейка» для синхротрона СКИФ мощностью в четверть ГЭС
Специалисты Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) сдали в эксплуатацию твердотельный модулятор индукционного типа микросекундного диапазона мощностью более 100 МВт. Это источник питания для клистрона – устройства, которое производит сверхвысокочастотную энергию для некоторых научных установок. Созданный модулятор способен в импульсном режиме – вплоть до нескольких микросекунд – выдавать более 100 МВт, что составляет примерно ¼ мощности новосибирской ГЭС.
При столь колоссальной мощности модулятор компактен – его размер сопоставим с платяным шкафом. При этом устройство настолько безопасно, что допустима работа в непосредственной близости от него. Созданный модулятор будет питать линейный ускоритель синхротрона СКИФ (ЦКП «СКИФ»), а его следующие версии планируется использовать в питании собственных установок института. Ученый совет ИЯФ СО РАН признал эту разработку лучшей в 2022 году.
Модуляторы с похожими характеристиками в 2000-х гг. пытались изготовить сотрудники двух ускорительных центров – SLAC (США) и KEK (Япония). Разработка SLAC (США) не была принята в эксплуатацию по причине низкого показателя надежности, а в разработке KEK (Япония) – не были достигнуты запланированные технические характеристики.
«У нашего модулятора есть два основных отличия, которые определили его надежность и компактность, – пояснил заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН Петр Бак. – В устройствах предыдущего поколения энергия накапливается в конденсаторах, после чего силовыми ключами подается на нагрузку… Это «жесткий» режим коммутации ключей, во время которого снижается их надежность. Мы же применили в качестве накопителей энергии формирующие линии. Второе отличие – это использование твердотельных ключей, то есть транзисторов, вместо газоразрядных тиратронов. Они работают надежней и стабильней. Попытки изготовления подобных модуляторов были в научных центрах Японии и США, но при создании этих образцов не удалось добиться надежной работы твердотельных ключей».
В настоящий момент основным «заказчиком» модулятора в ИЯФ СО РАН является команда института, которая работает над созданием линейного ускорителя для ЦКП «СКИФ». В линейном ускорителе формируется пучок электронов и ускоряется до 200 мегаэлектронвольт. Без современного и надежного модулятора (и клистрона, частью которого является модулятор) работа этой установки невозможна.
«Модулятор должен выдавать импульсную мощность больше 100 МВт, – пояснил заведующий сектором ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Алексей Левичев, – и обычно она запасается в конденсаторах в виде электрической энергии. Но высокое напряжение – это всегда опасно, неприятно и сопряжено со множеством проблем. Модулятор ИЯФ сделан на основе индукционного сумматора напряжения. Это значит, что на элементах каждого индуктора напряжение одинаковое и в N раз по числу индукторов ниже, чем выходное напряжение на вторичном витке, который надежно скрыт внутри индукторных секций. Такой принцип сильно упрощает работу с этим устройством. Например, прямо сейчас в процессе отладки оборудования шкаф модулятора открыт, вокруг него можно ходить, и это безопасно. С прошлым модулятором подобное было невозможно, потому что часть элементов модулятора находилась под напряжением 50 киловольт».
В линейном ускорителе инжектора СКИФ планируется использование трех модуляторов. В дальнейших планах ученых – переоснащение новыми клистронами ускорительной инфраструктуры ИЯФ СО РАН. Как отметил ведущий инженер института Сергей Вощин, производителей твердотельных модуляторов индукционного типа в мире не так много, и теперь мы тоже входим в это число. «Чтобы довести разработку до коммерческого уровня, нам необходимо усовершенствовать систему управления и автоматизацию», – добавил он.
Фото: Пресс-служба ИЯФ СО РАН