Центр коллективного пользования «СКИФ» («Сибирский кольцевой источник фотонов») – специализированный источник синхротронного излучения (СИ) поколения 4+, российский проект класса «мегасайенс». Ускоритель, генерирующий интенсивные пучки рентгеновского излучения, позволит изучать объекты на атомарном уровне, что даст возможность ученым проводить исследования на передовом крае науки. Всё высокотехнологичное и уникальное оборудование для ускорительного комплекса ЦКП «СКИФ» разрабатывалось и производилось Институтом ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН), в том числе вигглеры и ондуляторы. Эти специальные магнитные устройства располагаются на прямолинейных участках ускорителя и задают электронному пучку траекторию с большим количеством поворотов, тем самым повышая яркость излучения. Для пользовательской станции «Микрофокус» ЦКП «СКИФ», предназначенной для решения задач геологии, геофизики и материаловедения, в ИЯФ СО РАН разработали, изготовили и испытали ондулятор с рекордными параметрами. Специалистам удалось достигнуть уровня магнитного поля 1.35 Тесла при магнитном периоде 15.6 мм. Полученный уровень магнитного поля в устройстве превышает не только его проектные параметры для данного синхротрона, но и в целом делает его единственным подобным в мире. Планируется, что ондулятор будет установлен на ускорительное кольцо ЦКП «СКИФ» в конце 2026 г.
Главная характеристика любого источника синхротронного излучения – его яркость. Для ее повышения в свое время физики разработали специальные вставные сверхпроводящие устройства – вигглеры. Наиболее эффективным является использование многополюсных сверхпроводящих вставных устройств со знакопеременным полем, яркость излучения из которых прямо пропорциональна числу магнитных полюсов. Именно в ИЯФ СО РАН в XX в. был разработан первый в мире многополюсный сверхпроводящий вигглер. Позже появились сверхпроводящие ондуляторы – подвид вигглера с принципиально иными спектральными свойствами излучения. В зависимости от типа устройства яркость СИ увеличивается либо пропорционально числу магнитных полюсов (вигглер), либо квадрату числа магнитных полюсов (ондулятор). Для первых станций ЦКП «СКИФ» ИЯФ СО РАН разработал и изготовил пять сверхпроводящих вставных устройств – три вигглера и два ондулятора.
«Конструктивно вигглер и ондулятор идентичны и представляют собой последовательность небольших дипольных магнитов, которые отклоняют летящий через них пучок, –прокомментировал младший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Федор Казанцев. – Пучок летит змейкой и на каждом повороте излучает СИ. Отличие в следующем: интенсивность СИ, полученная из вигглера, прямо пропорциональна количеству магнитных периодов в нем. Но если добиться определенного соотношения периода структуры и амплитуды магнитного поля, то интенсивность излучения от каждого из полюсов будет складываться квадратичным образом и тогда такое устройство называется ондулятор. Также спектр излучения от вигглера и ондулятора разный, поэтому разным пользовательским станциям нужны разные вставные устройства, в зависимости от используемых методик и изучаемых объектов».
Для станции «Микрофокус» был изготовлен 128-периодный сверхпроводящий ондулятор с очень коротким магнитным периодом – всего 15.6 мм. Период в ондуляторе – это расстояние между двумя соседними элементами периодической магнитной структуры, создающей поперечное знакопеременное магнитное поле, благодаря которому электроны и приобретают волнообразную траекторию. Чем меньше период, тем меньше длина волны, то есть жестче спектр излучения. Также в процессе испытаний в жидком гелии был достигнут рекордный уровень магнитного поля 1.35 Тесла. Объединить два эти параметра в одной установке было сложной технологической задачей. Этого удалось достичь благодаря высококлассной работе специалистов экспериментального производства (ЭП) ИЯФ СО РАН.
«Такой экстремально высокий уровень поля 1.35 Тл для сверхпроводящего ондулятора с периодом 15.6 мм, магнитным зазором 7 мм и зазором для пучка 5 мм ещё никто в мире не смог продемонстрировать, – добавил заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН доктор технических наук Виталий Шкаруба. – На лучших зарубежных ондуляторах со сходными геометрическими параметрами, созданными, такими конкурирующими с нами компаниями, как KIT(Германия), ESRF (Франция), и APS (США), уровень поля не превышает 1.1 – 1.2 Тл».
Данный ондулятор представляет собой двухметровый алюминиевый каркас, на котором в определенном порядке расположены 256 магнитных катушек.
«В работе по созданию ондулятора с такими параметрами важен каждый элемент и каждый технологический этап, – пояснил Федор Казанцев. – Например, геометрические ошибки поверхности каркаса составляют порядка 20 микрон, при общей длине изделия два метра. Производить такие детали отлично умеют наши коллеги на ЭП, это их часть работы. Наша задача – изготовить 256 одинаковых магнитных катушек. Катушка состоит из железного керна и сверхпроводящей обмотки из ниобий-титана. Длина сверхпроводника в одной катушке около 20 метров. Чтобы намотать одну катушку, нужно от полутора до трех часов. После этого катушка запекается в печи. Проблема здесь в том, что катушки все равно получаются чуть-чуть разные по характеристикам, и нужно было придумать, как отбраковать самые выбивающиеся, и как расставлять оставшиеся. Была поставлена задача измерения магнитного поля каждой из них до того, как они будут установлены в каркас».
Специалисты ИЯФ СО РАН разработали метод такого измерения и устройство.
«Получив массив данных с магнитными полями катушек, мы пересортировываем их в определенном порядке, – прокомментировал Федор Казанцев. – Катушки выставляются таким образом, чтобы амплитуды соседних полюсов были наиболее близкими друг к другу. В таком случае выполняется условие одинаковости амплитуд, которая нужна для корректной и эффективной работы ондулятора. Благодаря таким предварительным измерениям катушек мы упрощаем дальнейшую коррекцию магнитного поля ондулятора после сборки и включения, а также выявляем катушки с сильно выбивающимися параметрами (и не используем их, соответственно)».
Наличие такого ондулятора на станции «Микрофокус» ЦКП «СКИФ» позволит использовать все возможности электронного пучка с экстремально малым эмиттансом – одним из параметров, который определяет уровень яркости СИ. «На синхротроне СКИФ будут проводиться синхротронные исследования на переднем крае науки, они станут возможными в том числе благодаря нашим ондуляторам», – добавил Федор Казанцев.
редакция по материалам Института ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН
© фото предоставлено институтом. Ондулятор в криостате в защищенном зале ИЯФ СО РАН. Фото А. Сковородиной.
