Синхротронный источник

1. Конструкция

Ускорительно-накопительный комплекс (УНК) Курчатовского специализированного источника синхротронного излучения ("КИСИ-Курчатов") имеет в своем составе три ускорительные установки: линейный ускоритель электронов на энергию до 80 МэВ, малое накопительное кольцо (МНК) на энергию 450 МэВ и большое накопительное кольцо (БНК) на энергию до 2,5 ГэВ. Основным источником синхротронного излучения (СИ) является большое накопительное кольцо. Малый накопитель служит для промежуточного ускорения электронов от 80 до 450 МэВ и инжекции в БНК, также является источником СИ в области вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена. В состав УНК также входят каналы перепуска электронов между ускорителями, технологические и инженерные системы для обеспечения их работы.

Накопители генерируют яркие пучки электромагнитного излучения от инфракрасного до жесткого рентгеновского в диапазоне длин волн от 0,1 до 2000 Å. Для получения более интенсивных фотонных потоков в прямолинейных промежутках БНК устанавливаются специзлучатели, так называемые встраиваемые устройства (вигглеры, ондуляторы).

УНК НИЦ "Курчатовский институт" является единственным на постсоветском пространстве специализированным источником синхротронного излучения. Оборудование УНК изготовлено в Институте Ядерной Физики СО РАН им. Г.И. Будкера (г. Новосибирск).

2. Линейный ускоритель

В состав линейного ускорителя (ЛУ) электронов входят: электронная пушка, канал инжекции пучка с системой фокусировки и коррекции положения пучка электронов, ускоряющая структура, источник ВЧ мощности, волноводный тракт и канал транспортировки ускоренного пучка из ЛУ к малому накопителю.

В качестве инжектора для ЛУ используется диодная пушка с энергией электронов 40 кэВ и током ~4 А в импульсе длительностью ~18 нс. В настоящее время энергетический акцептанс малого накопителя составляет 1%, в то время как разброс энергии электронов на выходе ЛУ при средней энергии 78–80 МэВ около 7%. Из пушки электронный пучок поступает на вход линейного ускорителя. Между пушкой и входом в ускоряющую структуру находятся магнитные корректоры и две фокусирующие линзы. Магнитный корректор служит для регулировки положения центра пучка относительно оси ЛУ. Фокусирующие линзы устанавливают диаметр сходящегося электронного пучка (~5–6 мм) в центре первого ускоряющего зазора. Ускоряющая структура ЛУ имеет 112 ускоряющих зазоров.

После ускорения до 80 МэВ пучок электронов состоит примерно из 50 микросгустков, сформированных ускоряющим ВЧ полем линейного ускорителя, следующих друг за другом с частотой 2,8 ГГц. Для транспортировки электронов от линейного ускорителя к малому накопителю используется электронно-оптический канал ЭОК-1. Индикация выпущенного из ЛУ пучка проводится на двух сетчатых пробниках и цилиндре Фарадея, размещенных в ЭОК-1, по которым измеряется ток (заряд) и положение пучка. Инжекция пучка осуществляется с частотой 1 Гц.

Параметры пучка электронов на выходе из линейного ускорителя

3. Малый накопитель

Этот накопитель исторически является первым источником СИ в Курчатовском институте. В этом качестве он проработал с 1983 по 1990 год. В 1993 году он был перемещен в здание 348 и используется сейчас в качестве бустерного накопителя, обеспечивающего инжекцию в большой накопитель на энергии 450 МэВ. Накопитель имеет 4 канала вывода СИ.

МН — накопитель с мягкой фокусировкой пучка электронов, которая осуществляется 4 поворотными 90-градусными магнитами. Для дополнительной фокусировки используются 2 квадрупольные линзы, для коррекции орбиты имеются 3 вертикальных и 4 горизонтальных корректора. Для впуска и выпуска электронов имеются 2 импульсных септум-магнита с максимальным полем до 3 Тл и отклоняющие пластины, на которые подаются высоковольтные импульсы длительностью 20 нс. Для ускорения электронов используется резонатор с максимальным напряжением 20 кВ и частотой 34,55 МГц.

Скорость набора тока при инжекции из ЛУ составляет 15–20 мА/сек. После набора заданного тока инжекция прекращается, происходит подъем энергии (согласованное увеличение поля в магнитах, изменение тока в линзах и корректорах, повышение ускоряющего напряжения на резонаторе) до 450 МэВ. Далее происходит выпуск электронов в электронно-оптический канал ЭОК-2, ведущий к большому накопителю, после чего снова устанавливается режим инжекции из ЛУ. Весь цикл инжекции в БНК занимает 30–40 секунд.

Основные параметры малого накопителя

4. Большой накопитель

В 1999 году состоялось официальное открытие Курчатовского специализированного источника синхротронного излучения, на котором присутствовал премьер-министр РФ В.В. Путин.

Магнитная структура накопителя оптимизирована с целью получения максимальной яркости СИ из поворотных магнитов и спецгенераторов излучения – вигглеров и ондуляторов. Структура состоит из 6 зеркально-симметричных суперпериодов, каждый из которых содержит ахроматический поворот – участок, в котором горизонтальная траектория пучка электронов не зависит от отклонения их энергии от расчетной. Эти участки предназначены для установки сильнополевых вигглеров. В структуре БН имеется 12 трёхметровых свободных промежутков. Три из них заняты устройствами впуска электронов, диагностической аппаратурой и ускоряющими резонаторами. В остальных могут быть размещены спецгенераторы СИ. Структура накопителя содержит 24 поворотных магнита, 72 квадрупольные линзы, 24 секступольные линзы для компенсации хроматизма, по 48 горизонтальных и вертикальных корректоров орбиты. Каждый из 24 поворотных магнитов имеет канал вывода СИ.

Впуск электронов в БН производится в течение одного оборота с предударом по ранее накопленному пучку электронов и осуществляется с помощью септум-магнита с полем 2 Тл и двух импульсных генераторов, нагрузкой которых являются пластины внутри вакуумной камеры. Всего на орбите могут находиться до 75 сгустков электронов, с минимальным интервалом между ними 5,5 нсек.

Вакуумная камера в магнитах и линзах изготовлена из алюминиевого сплава, блоки откачки и сильфоны – из нержавеющей стали. Откачку обеспечивают более 60 магниторазрядных насосов со встроенными титановыми испарителями. Рабочий вакуум в БН лучше,

10-9 Торр.

Для ускорения электронов и компенсации потерь их энергии на излучение на кольце БН имеются 3 ВЧ-резонатора, работающих на частоте 181 МГц с максимальным суммарным напряжением 1,8 МВ.

Накопитель оснащен 24 пикап-станциями для измерения замкнутой орбиты электронов, датчиками измерения тока электронов, собственных частот колебаний, распределения тока электронов по сгусткам. Имеется станция оптической диагностики для определения продольных и поперечных размеров сгустка электронов, получения ТВ-изображения пучка. Вся диагностическая информация доступна в главной пультовой комплекса.

Основные параметры большого накопителя

5. Встраиваемые устройства

На кольце БН имеется сверхпроводящий вигглер СПВ-1 с максимальным полем 7,5 Тл и периодом изменения поля 16,4 см. По просьбе пользователей СИ в настоящее время поле ограничено величиной 4 Тл. В 2019 году в ИЯФ СО РАН для УНК изготовлены ещё 2 сверхпроводящих вигглера СПВ-2 и СПВ-3 с максимальным полем 3 Тл и периодом изменения поля 4,8 см.

Основные параметры вигглеров УНК

Ученые Курчатовского комплекса синхротронно-нейтронных исследований приглашают в свою команду молодых специалистов
Именно здесь сегодня создается наука будущего! Приходи работать на мегаустановки мирового уровня в Курчатовский институт!
Отправляй резюме на e-mail: sila-synchrotron.hr@nrcki.ru

Программа "Картина мира с Михаилом Ковальчуком: Синхротронные исследования". ТК "Россия Культура", 2019

Увидеть всё: Что такое синхротрон. Совместный проект МИА "Россия сегодня" и НИЦ "Курчатовский институт"

Научно-популярный фильм "Синхротрон" из цикла "Мегаустановки". Телеканал "Наука", 2016

Горизонты атома. Специальный репортаж "Внутри синхротрона". Телеканал "Россия-24", 2016

Видеоматериалы студии НИЦ "Курчатовский институт":

Видеосюжет "Курчатовский специализированный источник синхротронного излучения "КИСИ-Курчатов""

Видеосюжет "Исследовательский реактор ИР-8"

Видеосюжеты о станциях Курчатовского комплекса синхротронно-нейтронных исследований