Изготовлен высокочастотный резонатор, отвечающий за ускорение электронов в бустере СКИФ
Недавно из экспериментального производства Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) вышел первый высокочастотный резонатор для бустера ЦКП «СКИФ». ИЯФ СО РАН является единственным исполнителем по изготовлению и запуску технологически сложного оборудования для СКИФа. 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 пм рад (пикометров радиан).
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. Купить готовое подобное устройство 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.
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 ЦКП «СКИФ» будет составлять 200 МэВ, то многократно проходя через резонаторы, она увеличится до 3000 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 Ротов. – В резонаторе пучок попадает в сильное электрическое поле, которое и ускоряет частицы. Напряжение на ускоряющем зазоре резонатора 400кВ. 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.
Всего для бустера ЦКП «СКИФ» потребуется три резонатора. Первый полностью собран и сейчас проходит различные этапы испытаний, которые планируется закончить к концу 2023 г. 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 светит рентгеном, 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 все 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».
Завершение строительно-монтажных и пусконаладочных работ по всем объектам ЦКП «СКИФ» намечено на декабрь 2024 года.
На фото: высокочастотный резонатор, отвечающий за ускорение электронов в бустере СКИФ. Фото Т. Морозовой / пресс-центр ИЯФ СО РАН