Распаковываем новый синхротрон: 10 инженерных решений прорывного ускорителя СКИФ

В 2018 году на месте, где сейчас возвышается комплекс СКИФа, было широкое поле: окраина рабочего поселка Кольцово, бывшая промзона. Тогда здесь решили построить лучший в мире синхротрон в своем классе — новейшего поколения 4+.

Обычно проекты такого масштаба создают усилиями многих стран. Например, ESRF в Гренобле — сейчас один из самых мощных синхротронов четвертого поколения — развивали организации более чем из двадцати государств, включая наш Институт ядерной физики имени Будкера (ИЯФ) СО РАН.

СКИФ тоже задумывался как международный проект. Однако ключевые этапы его развития пришлись на период после 2022 года, когда значительную часть научных и инженерных задач ИЯФ пришлось решать практически без доступа к зарубежным технологиям и поставщикам. Эти вызовы в институте преодолевали при поддержке Минобрнауки России и других российских организаций.

Чтобы понять масштаб задачи, придется углубиться в детали. Что вообще представляет собой СКИФ? Это комплекс из трех крупных установок — линейного ускорителя, бустерного синхротрона и накопительного кольца.

Он функционирует так: проходя через линейный ускоритель и бустерный синхротрон, электроны разгоняются почти до скорости света, а потом несутся по гигантскому кольцу и на каждом повороте излучают энергию, рождая рентгеновский свет экстремальной яркости.

Этим светом ученые могут просвечивать материю вплоть до отдельных атомов и химических связей, изучая, как ведут себя в разных условиях новые материалы, что происходит с молекулой лекарства в биосреде, каким образом формируются кристаллы, разрушаются металлы или работают сложные полупроводниковые структуры — основа современного чипа.

Но есть нюанс: чем плотнее удается сжать электронный пучок, тем ярче излучение и тем четче получаются изображения исследуемых объектов. Принцип примерно тот же, что и у обычного светового луча, который можно сфокусировать с помощью линзы.

Я работаю с ускорителями уже не первый десяток лет. Начинал еще студентом физтеха НЭТИ — пришел на практику в Институт ядерной физики, где и остался. Здесь я оказался в лаборатории, которая эксплуатировала ускорительный комплекс ВЭПП-4, и постепенно прошел путь от старшего лаборанта до руководителя научного подразделения.

На СКИФе я выполняю роль своего рода связующего звена между наукой и инженерией. С одной стороны, понимаю, какие требования ученые предъявляют к ускорителю, а с другой представляю, как воплотить эти требования в металле, электронике и сложных инженерных системах.

В этой статье мы проследуем маршрутом электронного пучка — от первого ускорения до рождения рентгеновского света — и посмотрим, какие инженерные решения обеспечивают его движение, ускорение и удержание на заданной траектории.

Первое, что «чувствует» электрон, вылетевший из пушки, — это сильное электрическое поле ускоряющей структуры линейного ускорителя. А источником питания для этого служит клистрон, высокочастотный усилитель большой мощности. Цифры тут говорят сами за себя: на вход клистрона поступает всего 500 ватт сигнала, а на выходе получается уже 50 мегаватт. Это усиление в сто тысяч раз. Вместе с этим меняется и характер тока: непрерывный поток преобразуется в высокочастотные колебания с частотой около 3 гигагерц.

В середине 1990-х американская Национальная ускорительная лаборатория SLAC передала нашему ИЯФ свой клистрон в знак благодарности за помощь в изготовлении другого уникального оборудования — передовых источников питания. На этом приборе мы учились работать с технологией, а спустя десятилетия смогли создать уже собственное устройство.

Не скажу, что это было легко! Самой сложной частью оказались даже не расчеты, а технология производства. Нашим разработчикам пришлось заново осваивать изготовление сложных керамических соединений, добиваться высокой точности деталей и по ходу проекта не раз перерабатывать конструкцию под реальные возможности производства.

Но в результате прибор удалось довести до проектной мощности в 50 мегаватт. Примерно столько потребляют одновременно десятки тысяч бытовых электроплит. Теперь три клистрона, разработанные в ИЯФ, успешно запущены и вышли на проектную мощность.

Сегодня эта разработка нужна не только СКИФу. Она будет использоваться и в других крупных научных проектах — источниках синхротронного излучения КИСИ-Курчатов, РИФ и СИЛА, на установках в Сарове и Дубне.

Итак, первое ускорение в 200 МэВ пучок электронов уже получил. Теперь ему нужно сообщить энергию 3 ГэВ, а для этого провести через бустерный синхротрон и далее длинный 220-метровый канал — до накопителя. При этом необходимо непрерывно контролировать траекторию и параметры пучка, для чего на маршруте предусмотрены три системы — магнитная, вакуумная и диагностики.

Идеальная гоночная трасса для беспрепятственного движения пучка — глубокий вакуум — создается в специальной камере.

Магниты двух типов: одни поворачивают электроны, другие фокусируют их, не давая пучку расплываться. На СКИФе они заметно отличаются от тех, что использовались на установках предыдущих поколений.

На ранних синхротронах поворотные магниты были большими, иногда длиной в несколько метров, и отклоняли пучок плавно — он входил в поворот как гоночный болид, выполняющий широкий вираж на скоростной трассе.

Другая проблема связана со стыками вакуумных камер. При соединении их между собой неизбежно возникают «неровности» в месте стыка. Каждый такой микроскопический дефект стенки пучок «ощущает»: электроны получают возмущение, возникают дополнительные колебания, которые мешают выйти на расчетные параметры.

Чтобы в такие «выбоины» на скоростной «трассе» не попадать, для СКИФа разработали новые фланцевые соединения. В них внутренняя поверхность вакуумной камеры остается гладкой по всему периметру, без выступов и перепадов.

Физическая догма: магниты держат пучок настолько ровно, насколько стабилен питающий их ток. А стабильным он должен быть до степени, которая в обычной технике почти не встречается.

Механизм сбоя прост. Поле, которое поворачивает и фокусирует электроны, создают электромагниты, и величина этого поля напрямую зависит от тока. Стоит ему чуть дрогнуть — дрогнет и поле, а за ним и сам пучок. Если это произойдет, то пятно, в которое сжат пучок, начнет размазываться, а значит и потеряется эмиттанс, ради которого всё затевалось.

Но как быть, если напряжение входящей на комплекс сети всегда слегка «плавает»? А еще на стабильность тока влияет температура и влажность окружающей среды. Значит, источник питания должен сам учитывать меняющиеся условия и обладать при этом минимальными тепловыделениями при большой мощности. Задача усложняется тем, что таких источников много, и каждый со своими особенностями, разной нагрузкой, разной мощностью, но работать они должны все слаженно и синхронно.

Например, для бустерного синхротрона, который ИЯФ в свое время построил для американцев, источники питания дипольных магнитов — одних из самых сложных и требовательных — были произведены датской фирмой Danfysik.

Для СКИФа мы их делали уже сами. Пришлось создать целую экосистему: десятки типов источников для разных магнитов и контроллеров. Но заставить пучок дрожать могут не только колебания тока. То же пятно размывается и от обычной вибрации, повседневной, бытовой. В паре километров от комплекса прошел поезд, где-то заработал двигатель — и дрожь по конструкции доходит до магнита. С этим борется отдельная инженерная система.

Абсолютной тишины на Земле не найти, нет ее и под Новосибирском. В нескольких километрах от научного комплекса находится железная дорога, и каждый проходящий по ней поезд заставляет грунт едва заметно колебаться. Амплитуда этих колебаний измеряется долями нанометра, но для современного ускорителя это критично.

Поэтому еще до начала строительства на площадке провели полный цикл измерений: изучили сейсмику, геологию и геодезию участка, чтобы на основе этих данных определить требования к фундаменту.

Получился он, прямо скажем, внушительным: под зданиями ускорительно-накопительного комплекса забили более 50 000 свай. Сам фундамент сделали многослойным, чтобы гасить вибрации. На нем стоят опоры, на опорах — магниты, и на каждом уровне этой конструкции требования к точности становятся всё жестче.

Ради этого для гирдеров перебрали несколько конструктивных схем и материалов и в итоге остановились на конструкции из двух силовых балок из алюминиевого сплава с регулируемыми опорами.

Любопытный факт: рассчитывали их не ускорительщики, а авиастроители — «прочнисты» из СибНИА, которые привыкли иметь дело с вибрациями самолетов.

Каждый готовый гирдер затем проходит испытания на отдельном стенде. Во время таких тестов специалисты проверяют его собственные частоты и ищут потенциально опасные резонансы. Так, для площадки СКИФа удалось выявить критические зоны около 10 и 20 герц — частоты, на которых рядом с ускорителем нельзя размещать шумное оборудование.

Но это было лишь полдела. Следующий этап после «укрощения» вибраций — геодезическая выставка элементов кольца. Здесь счет идет на микроны. На периметре длиной 476 метров магниты устанавливают с мизерной погрешностью: в поперечном направлении соседние элементы не должны расходиться более чем на 30 микрон.

Однако выставить кольцо мало, его нужно удержать в этом положении. И тут в проект опять вмешивается температура: стоит металлу нагреться всего на несколько градусов, как тепловое расширение даст смещения, значительно превышающие допустимые отклонения. Металл, попросту говоря, «дышит» от тепла, и на кольце длиной почти полкилометра это дыхание становится критичным.

Поэтому температуру тоже очень жестко контролируют, то есть охлаждают водой и воздухом, удерживая ее в заданных пределах по всему объему тоннеля. Это обязательная процедура. Только после выхода системы на стабильный режим выполняют окончательную выставку оборудования. В противном случае пучок просто не «залетит» в кольцо: магнитная оптика здесь настолько жесткая, что без такой точности заявленных 75 пикометров не получить.

Итак, на каждом повороте пучок излучает свет, а значит теряет часть своей энергии. Если эти потери не компенсировать, пучок с каждым оборотом будет терять энергию, и в конечном итоге «погибнет» на стенке вакуумной камеры. Поэтому на кольце работают ускоряющие резонаторы. Они создают высокочастотное электромагнитное поле, которое при каждом обороте возвращает электронам ровно столько энергии, сколько те успели потерять на излучение. Для пучка это похоже на серию идеально рассчитанных толчков.

Важная функция резонатора — сделать так, чтобы поле «работало» на строго заданной частоте и не провоцировало побочные колебания. Поэтому геометрию каждого резонатора приходится тщательно рассчитывать — настраивать его как музыкальный инструмент для большой премьеры.

Мы в ключевой точке процесса: пучок разогнан, выставлен на орбиту, удерживается магнитами и постоянно получает подпитку энергией. Теперь наступает главный этап — рождение света.

Происходит это во вставных устройствах — вигглерах и ондуляторах. Именно здесь появляется тот самый сверхъяркий рентгеновский луч, ради которого и строят современные синхротроны.

Устроены эти системы своеобразно. Внутри расположен длинный ряд магнитов с чередующимися полюсами, пролетая между которыми электронный пучок начинает отклоняться то в одну, то в другую сторону. И каждый такой изгиб заставляет электроны излучать свет.Но вигглер и ондулятор работают по-разному.

Виглер — это мощный прожектор: он дает много излучения в широком диапазоне энергий, поэтому подходит для самых разных экспериментов.

Ондулятор больше похож на лазерный указатель: излучение сконцентрировано в выделенном диапазоне энергии, необходимом для определенного эксперимента. Такие устройства сегодня считаются сердцем большинства современных источников синхротронного излучения. Меняя их параметры, инженеры могут буквально настраивать свойства будущего света.

В этом и состоит вся прикладная суть проекта — к комплексу пристрастраивают экспериментальные лаборатории для исследований в самых разных областях: от материаловедения до искусствоведения.

Для одной станции нужен узкий луч определенной энергии, для другой — широкий спектр излучения, для третьей — максимальная яркость. Всё это закладывается еще на этапе проектирования вставного устройства.

Для Института ядерной физики это особое направление. Такие системы здесь разрабатывают уже много лет, причем не только для российских установок. Поэтому на СКИФе источник света создавали на основе разработок ИЯФ.

На шестой остановке он уже создан, и дело, кажется, теперь за малым — передать его в распоряжение исследователей. Но прежде чем попасть к ученым, луч должен пройти через еще одну систему: мощность излучения настолько велика, что без специальных защитных устройств оно способно повредить оборудование на своем пути.

Фронтенд — это комплекс, который принимает излучение из накопительного кольца и передает его дальше по линии станции. Задач у него две, и обе критически важны.

Первая — перехватить, поглотить излучение, мешающее эксперименту, и обеспечить движение мощного потока света только по заданной траектории. Вторая — сохранить качество пучка, ведь здесь формируются его параметры, от которых напрямую зависят возможности будущих экспериментов. В каком-то смысле фронтенд работает одновременно как защитный барьер и как оптический инструмент, который готовит свет к встрече с исследователем.

Решения предыдущего поколения были рассчитаны на существенно меньшие мощности и для СКИФа уже не подходили, поэтому фронтенды пришлось проектировать фактически с нуля. За дело взялся новосибирский Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН.

Сейчас отечественные фронтенды изготовлены и установлены на всех семи экспериментальных станциях первой очереди.

Для измерения параметров пучка — его положения, продольного и поперечных размеров — применяют систему оптической диагностики. Такой метод позволяет получать информацию о пучке, никак не воздействуя на него.

Поэтому разработчикам пришлось уйти из привычного оптического диапазона в рентгеновский — область с совсем другой инженерией, где появляются свои способы фокусировки, свои оптические элементы и свои методы измерений, которые больше напоминают отдельную научную дисциплину.

Но чтобы не полагаться на один прибор, размер пучка измеряют сразу несколькими способами. Один из них — интерферометр. Он пропускает излучение через две близко расположенные щели и по возникающему рисунку светлых и темных полос определяет поперечный размер пучка. Другой — рентгеновская камера-обскура, которая «фотографирует» пучок. Принцип тот же, что у старинной камеры-обскуры, только вместо видимого света здесь используется рентгеновское излучение, а точность измерений достигает микронов.

Таким образом специалисты в любой момент знают не только положение пучка, но и его реальный размер, а значит, могут подтвердить, что установка действительно работает в тех параметрах, ради которых ее создавали.

Но и этого инженерам уже мало. Если в будущем эмиттанс удастся снизить еще сильнее, существующие методы окажутся на пределе возможностей. Поэтому в ИЯФ сейчас разрабатывают рентгеновский интерферометр на многослойных зеркалах — прибор, аналогов которому пока нет в мире. Но это тема для отдельного путешествия, а мы вернемся на наш маршрут.

Итак, пучок сгенерировали, разогнали, побудили его излучать свет и доставили на станции для исследований. Сотни электронных сгустков теперь непрерывно летят по кольцу почти со скоростью света, но этому гигантскому оркестру необходим дирижер: тысячи элементов ускорителя должны работать синхронно и реагировать на любые отклонения.

Добро пожаловать на главную остановку маршрута — управленческий хаб. Здесь все системы, с которыми мы познакомились на других остановках, нужно связать в единое целое и заставить функционировать синхронно.

Как это работает? В накопительном кольце пучок можно представить как состав из сотен электронных сгустков. При этом между соседними «вагонами» — всего несколько наносекунд, а за одну наносекунду свет успевает пройти около тридцати сантиметров. Значит, и система управления должна уметь поддерживать тот же ритм.

Управлять такой машиной из одного центра невозможно: в ускорителе работают тысячи магнитных элементов и почти столько же источников питания. Если бы центральная система пыталась напрямую контролировать каждый из них, она просто не успевала бы реагировать.

Поэтому архитектуру сделали распределенной. У каждого источника питания есть собственный контроллер — небольшой специализированный компьютер со своим процессором и программой. Он самостоятельно следит за работой устройства, удерживает заданные параметры и передает информацию в общую систему.

Все контроллеры объединены единой сетью и работают по общим правилам — почти так же, как музыканты, которые видят не только дирижера, но и ноты.

Каждый контроллер задает источнику питания нужный ток и непрерывно следит за его стабильностью. Большинство источников при этом удерживают ток с точностью до сотых долей процента, а некоторые — еще лучше.

Создать такую аппаратуру непросто, но одной из самых сложных задач в данном случае оказалась не электроника, а взаимодействие команд: контроллеры создавали одновременно разработчики аппаратуры и программисты. Чтобы система не превратилась в запутанный клубок взаимосвязей, между ними заранее разделили зоны ответственности: каждый работает через строго определенные интерфейсы и не вмешивается во внутреннее устройство соседних модулей. Этот принцип хорошо известен в программировании, но здесь его пришлось применять уже на уровне всей системы управления ускорителем.

Сегодня этот программно-аппаратный комплекс уже прошел первые испытания на отдельных участках СКИФа. Но окончательную проверку ему еще предстоит пройти после того, как весь комплекс заработает на полную мощность. Ждать осталось считаные месяцы.

На этом маршрут электронного пучка завершается. За это время он успел разогнаться почти до скорости света, пролететь через сотни магнитов, пройти сотни метров вакуумных каналов, породить рентгеновское излучение и превратиться в инструмент, который позволит исследователям совершать открытия в самых разных научных и прикладных сферах.

Но если оглянуться на этот маршрут еще раз, становится заметна любопытная деталь. Почти на каждой остановке нас встречали разные инженерные школы. Клистрон создавали эксперты по ускорителям из ИЯФ, гирдеры рассчитывали авиастроители из СибНИА, привыкшие работать с вибрациями самолетов. Фронтенды разрабатывали приборостроители из Конструкторско-технологического института научного приборостроения СО РАН, а высокочастотные усилители пришли из мира телевещания. Вакуумное оборудование, системы защиты и десятки других компонентов делали предприятия Новосибирска и других российских городов.

Таким образом СКИФ оказался точкой сборки не только в физическом смысле. Проект свел вместе людей, которые раньше работали в разных областях и зачастую никогда не занимались ускорительной техникой. Одним пришлось осваивать новые технологии, другим возвращать почти забытые производства, третьим — решать задачи, которых в их практике прежде не было вовсе.

В свое время обстоятельства его реализации резко изменились, что заставило российскую инженерию и науку проверить на прочность собственные компетенции. За всех инженеров и физиков не скажу, но по-моему, результат оказался интереснее, чем можно было ожидать.