Первый сверхпроводящий магнит-«генератор» синхротронного излучения испытан и готов к установке в накопительное кольцо СКИФ

2026-06-23 12:08

_{Заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН д.т.н. Виталий Шкаруба рядом с вигглером станции 1-3 «Быстропротекающие процессы». Фото: Анна Плис}

Первый сверхпроводящий вигглер, предназначенный для генерации синхротронного излучения (СИ) для станции 1-3 «Быстропротекающие процессы» ЦКП «СКИФ»), прошел все испытания и готов к установке на накопительное кольцо. Монтаж устройства планируется осенью 2026 года после получения стабильной циркуляции пучка электронов в накопителе.

В ускорительно-накопительном комплексе ЦКП «СКИФ» пучок электронов рождается и приобретает первоначальную энергию в линейном ускорителе, после чего достигает проектной энергии в бустерном синхротроне и со скоростью, близкой к скорости света, попадает в накопитель. При пролёте через вигглеры и ондуляторы электронный пучок, при воздействии магнитных полей специальной конфигурации, излучает синхротронное излучение (СИ). На каналах вывода СИ расположены экспериментальные станции, где исследователи используют это излучение для проведения экспериментов. Шесть станций ЦКП «СКИФ» первой очереди будут использовать СИ, генерируемое вставными устройствами — вигглерами и ондуляторами, и одна станция будет работать на поворотном магните.

Вигглеры и ондуляторы — многополюсные магниты, благодаря которым рождается синхротронное излучение с уникальными характеристиками — высокими яркостью, интенсивностью, регулируемой энергией фотонов и т.д. Такой эффект достигается за счёт особой конфигурации знакопеременного магнитного поля, заставляющего электронный пучок, двигаясь по змееобразной траектории, терять часть своей энергии в виде излучения.

Для достижения высокого уровня магнитного поля в вигглере используются обмотки из сверхпроводника, который необходимо охладить до низких температур. Для охлаждения вигглеров и ондуляторов ЦКП «СКИФ» реализована разработанная в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) уникальная технология «сухого» криостата. Обычно сверхпроводящие устройства погружаются в ванну с дорогим жидким гелием, что требует постоянной «дозаправки». В «сухом» же криостате сверхпроводящий магнит подвешен в вакууме и охлаждается гелием, циркулирующим по внутренним каналам магнита. Запас гелия находится в небольшом сосуде, расположенном рядом с магнитом, который охлаждается тепловодами от холодильных машин. Все элементы криостата также охлаждаются холодильными машинами и остаточный приток тепла к магниту не превышает долей ватта. После выхода на режим вигглер может работать автономно без заправки гелием в течении нескольких лет.

Для того, чтобы устройство бесперебойно работало в накопительном кольце, до этого момента ему необходимо пройти многоэтапное тестирование.

Первым полный цикл «тренировки» прошел вигглер для станции 1-3 «Быстропротекающие процессы». Этот вигглер обеспечит генерацию максимально возможного количества фотонов на один электронный сгусток в широком спектральном диапазоне от 20 кэВ до 70 кэВ. При длине периода магнитного поля вигглера всего 27 мм и требуемом уровне магнитного поля 2,7 Тл был достигнут уровень поля с большим запасом, равный 3,15 Тл.

_{Заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН д.т.н. Виталий Шкаруба. Фото: Анна Плис}

«Данные параметры на сегодняшний день являются рекордными с точки зрения достижения максимального уровня поля при минимальной длине периода. Они приближаются к физическому и техническому пределу и никем в мире пока не были продемонстрированы», — рассказал заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН д.т.н. Виталий Шкаруба.

Тестирование магнита проходило в несколько этапов. На первом было необходимо проверить работоспособность всех сверхпроводящих обмоток вигглера и провести предварительные измерения магнитного поля. Для этого магнит погружали в испытательный криостат — сосуд глубиной 4 метра, наполненный жидким гелием.

На втором этапе магнит помещали уже в «сухой» криостат, в котором он и будет затем установлен на накопительное кольцо, и проводили тонкую настройку конфигурации магнитного поля. Поскольку вигглер — часть большой системы, он не должен влиять на работу других пользователей. Поэтому было необходимо провести настройку магнитного поля таким образом, чтобы после пролёта вигглера орбита электронного пучка на изменялась.

Третий этап испытаний подтвердил, что высокоэнергетичный пучок электронов, пролетая внутри вакуумной камеры вигглера, не нагреет холодный магнит и не выведет его обмотки из сверхпроводящего состояния. Для этого повышали температуру «холодной» вакуумной камеры вигглера, имитируя нагрев электронным пучком. Было показано, что такая дополнительная тепловая нагрузка не влияет на состояние и работоспособность магнита. Этот заключительный этап тестирования проходил уже на площадке ЦКП «СКИФ», для чего в корпусе стендов и испытаний был создан специальный испытательный стенд.

_{Иван Рубцов, координатор разработки и создания экспериментальной станции 1-3 «Быстропротекающие процессы» к.ф.-м. н. Фото: Анна Плис}

«На станции 1-3 мы исследуем сверхбыстрые процессы, время протекания которых составляет миллионные доли секунды. У нас нет возможности копить статистику и повторять эксперимент, нам нужно получить кадр за одну вспышку фотонов, и эта вспышка должна быть максимально яркой — с одного сгустка электронов нам нужно получить максимально возможное количество фотонов. Именно поэтому для нашей станции, специально для наших задач был создан вигглер с рекордными параметрами. Мы ждем, что осенью он будет установлен на кольцо, и мы начнем настройку оптического оборудования станции. Сейчас активно прорабатываются варианты первого эксперимента с Всероссийским научно-исследовательским институтом экспериментальной физики в Сарове, посвященного исследованию ударно-волнового воздействия на материалы», — рассказал координатор разработки и создания экспериментальной станции 1-3 «Быстропротекающие процессы» к.ф.-м. н. Иван Рубцов.

Сейчас ученые и инженеры приступают к финальным испытаниям следующего устройства генерации синхротронного излучения — вигглера для станции 1-5 «Диагностика в высокоэнергетическом рентгеновском диапазоне». Эту процедуру до конца года пройдут все устройства генерации синхротронного излучения ЦКП «СКИФ».