Испытан высокочастотный генератор с выходной мощностью 50 кВт для ЦКП «СКИФ»
Ускорительный комплекс СКИФ состоит из множества уникальных и высокотехнологичных систем и подсистем, но основных элементов три. Это линейный ускоритель, или линак, в котором формируется пучок электронов; бустер-синхротрон, ускоряющий пучок электронов до рабочей энергии; и накопитель – источник синхротронного излучения (СИ). За ускорение пучка электронов в бустере отвечают высокочастотные системы, которые включают в себя резонаторы, генераторы и систему управления. Специалисты Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) провели испытания генератора для ВЧ-системы, разработанного российским производителем специально для ЦКП «СКИФ».
За ускорение пучка электронов в бустере любого ускорительного комплекса отвечают высокочастотные системы, которые состоят из резонаторов, генераторов и системы управления. ЦКП «СКИФ» – это источник синхротронного излучения поколения 4+, поэтому характеристики его систем и подсистем во многом уникальны. Например, резонаторы бустера способны разогнать пучок электронов с 200 МэВ до 3000 МэВ. Для этого на резонаторы будет подаваться мощность 50 кВт от генераторов ВЧ-системы.
«Использование термина генератор не совсем корректно, ведь по определению электронный генератор преобразует энергию постоянного тока в энергию колебаний, но в нашем случае это не совсем так, – рассказывает научный сотрудник ИЯФ СО РАН Алексей Кондаков. – Чтобы качество пучка соответствовало заданным параметрам и оставалось неизменным, колебания во всех системах ускорительного комплекса ЦКП «СКИФ» должны быть синхронизированы. У комплекса есть мастер-генератор, или задающий генератор, сигнал которого определяет частоту работы всей машины. Из него система малосигнальной электроники формирует и раздает синхронизированные по времени сигналы с частотой, кратной частоте обращения пучка, на ВЧ-системы линака, бустера, накопительного кольца. Там она усиливается до требуемой мощности и поступает в ВЧ-резонаторы. В радиотехнике мощные высокочастотные усилители называют генераторами с внешним возбуждением, но в устоявшейся терминологии «лишние слова» потерялись и остался просто генератор».
На выходе одного генератора ВЧ-системы бустера специалисты получают мощность 50 кВт. Эта мощность и подается на резонатор. Генераторы для высокочастотной системы бустера СКИФ были изготовлены российской компанией, имеющей многолетний опыт разработки и производства оборудования для телевизионной промышленности. Для ЦКП «СКИФ» разработчик создал оригинальный вариант устройства в соответствии с техническим заданием.
«ТВ-передатчик – это стандартное оборудование, но работа на ускоряющий резонатор имеет свою специфику, поэтому производитель на основе своего опыта и нашего технического задания разработал специализированное устройство, серьезно изменив привычную для них конструкцию, – дополняет Алексей Кондаков. – Например, в передатчиках, работающих на согласованную антенну, не было потребности в таком специфическом устройстве, как циркулятор, но особенности работы в ускорителе потребовали включить его в схему нашего генератора. В классическом телевизионном передатчике для жидкостного охлаждения используется замкнутая система и антифриз, а все системы СКИФ охлаждаются централизованной системой деионизированной воды (дистиллятом). Поэтому нам надо было, чтобы система охлаждения генератора включалась в контур охлаждения всего комплекса».
На данный момент генератор прошел первый этап испытаний с эквивалентной нагрузкой – мощным водоохлаждаемым резистором, сопротивление которого соответствует тому, что испытает генератор, когда его подключат к резонатору. Второй этап испытаний будет проходить уже совместно с резонатором, который специалисты ИЯФ СО РАН разработали самостоятельно.
«Поступая из генератора в резонатор бустера, мощность распределяется между, так называемым «бесполезным» потребителем и «полезным», – объясняет Алексей Кондаков. – То есть уходит на нагрев стенок резонатора и пучок. Одна из задач второго этапа испытания в том, чтобы убедиться в правильности расчетов, что на нагрев стенок тратится расчетная часть мощности, а остальная пойдет на пользу, то есть в пучок. Взаимодействовать с пучком мы, конечно, сможем только, когда ЦКП «СКИФ» будет готов, но подтвердить расчет, сколько уходит на стенки, сможем уже сейчас».
Также, чтобы выйти на рабочее ускоряющее напряжение резонатора, специалистам нужно разрушить все микроскопические шероховатости на внутренней поверхности устройства.
«У резонатора, вышедшего из цеха, очень высокая чистота внутренней поверхности, но все равно на ней присутствуют микроострия, которые разрушаются в процессе тренировки, когда на устройство подается ВЧ-мощность от генератора, – поясняет Алексей Кондаков. – Еще одна задача этих испытаний в том, чтобы добиться разрушения их всех и, таким образом, достичь идеальной поверхности».
Центр коллективного пользования «СКИФ» – источник синхротронного излучения поколения 4+. Установка сооружается в Новосибирской области в рамках национального проекта «Наука и университеты» и во исполнение Указа президента России от 25 июля 2019 года. Реализация проекта находится на особом контроле полномочного представителя Президента Российской Федерации в Сибирском федеральном округе. 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», 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.
На фото: научный сотрудник ИЯФ СО РАН Алексей Кондаков.
Автор фото: Т. Морозова.
Источник: ИЯФ СО РАН