Начато испытание сверхпроводящего магнита для первого вигглера ЦКП «СКИФ»
Установка класса «мегасайенс» Центр коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (ЦКП «СКИФ») позволит специалистам из различных областей наук – химикам, биологам, геологам, материаловедам и др. – изучать структуры объектов с нанометровым разрешением. Разглядеть детали менее сотни нанометров станет возможным благодаря предельно ярким и интенсивным пучкам рентгеновского излучения или синхротронного излучения (СИ). За генерацию пучка и его качество в установке отвечают специальные сверхпроводящие магниты – вигглеры. Специалисты Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) создали и начали испытания первого вигглера для ЦКП «СКИФ».
Чтобы энергию пучка электронов, летящих в магнитном поле ускорительного кольца со скоростью, близкой к скорости света, превратить в синхротронное излучение, нужно заставить пучок двигаться по извилистой траектории. Для этого используются вигглеры – устройства, создающие на пути электронов магнитное поле специальной конфигурации.
«В магнитном поле такого вигглера траектория электронного пучка, летящего по орбите ускорителя, многократно поворачивается то в одну, то в другую сторону — рассказал заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН доктор технических наук Виталий Шкаруба. — На каждом таком повороте часть энергии пучка теряется в виде синхротронного излучения рентгеновского диапазона. И чем на больший угол поворачивается пучок, тем мощнее будет это излучение. Для создания магнитного поля нужной конфигурации мы используем электромагнитные полюса, который располагаются по всей длине вигглера. На каждом таком полюсе направление магнитного поля меняется на противоположное. Такой магнит по-русски называется «змейка» (так как электроны двигаются в нем зигзагообразно), а по-английски – вигглер (от англ. wiggle – покачиваться, болтаться). Вигглер как бы «снимает» часть энергии электронного пучка в виде синхротронного излучения, которое затем используется как инструмент для работы пользовательских станций. На первом этапе строительства в ЦКП «СКИФ» будет установлено пять таких станций на основе сверхпроводящих магнитов. Первый уже изготовлен и сегодня начинаются его испытания».
Особенностью вигглеров, создаваемых в ИЯФ СО РАН, является использование обмоток из сверхпроводящего провода, который может пропускать очень большие токи при охлаждении до низких температур. Это, по сравнению с использованием обычных «теплых» электромагнитов, позволяет получать существенно более высокие магнитные поля, а, следовательно, генерировать более интенсивное излучение.
«Сильное магнитное поле в вигглере создается за счет использования сверхпроводящего провода из ниобий-титанового сплава — добавил Виталий Шкаруба. — Чтобы этот сплав перешел в сверхпроводящее состояние его необходимо охладить до криогенных температур (около 4 К или – 269 °C). Для этого магнит помещается в специальный криостат. В криостате классической конструкции магнит погружается в вакуумированный сосуд с жидким гелием. Именно в такой вертикальный криостат, имеющий глубину 4 метра, мы опустим наш первый сверхпроводящий вигглер для ЦКП «СКИФ», зальем в него жидкий гелий и проведем цикл предварительных испытаний».
Однако для поддержания нужной для сверхпроводника температуры уже во время работы вигглера непосредственно на синхротроне «СКИФ», необходимо было бы тратить несколько миллионов рублей в год на дозаправку такого криостата гелием. Поэтому в ИЯФ СО РАН была разработана оригинальная конструкция «сухого» криостата, в котором магнит «подвешен» в вакууме, а охлаждение его происходит благодаря специальным холодильным машинам с разными температурными ступенями. Такие криостаты позволяют эффективно охлаждать сверхпроводники, но при этом не тратить гелий и работать без остановки в течение нескольких лет.
На фото: «Cухие» криостаты ИЯФ СО РАН. Фото С. Гурова.