В РФЯЦ-ВНИИТФ создадут уникальный импульсивный томограф

В РФЯЦ-ВНИИТФ совершенствуют технологии виртуальных испытаний компонентов ядерного арсенала страны. В прошлом году в Снежинске запустили комплекс импульсной рентгенографии на базе линейного индукционного ускорителя для исследования быстропротекающих процессов внутри оптически непрозрачных объектов. Скоро экспериментальную базу дополнит уникальный импульсный томограф.

Метод импульсной рентгенографии (МИР) — ​самый распространенный способ получить информацию о глубинной структуре вещества в экстремальном состоянии и о процессах внутри него. Для исследований этим методом нужен импульсный ускоритель электронов и система регистрации рентгеновских изображений, между ними и располагается исследуемый объект.

В прошлом году специалисты РФЯЦ-ВНИИТФ с коллегами из Института ядерной физики (ИЯФ) СО РАН создали и запустили рентгенографический комплекс на базе линейного индукционного ускорителя ЛИУ‑20 и детектирующей станции, основанной на матричном сцинтилляционном детекторе. «Комплекс обеспечивает исследование быстропротекающих процессов в оптически непрозрачных объектах в одноимпульсном одноракурсном режиме работы», — ​рассказывает начальник исследовательского отдела ВНИИТФ Олег Никитин.

Три момента времени и девять плоскостей

Теперь в снежинском ядерном центре хотят развить МИР — ​создать томограф. В ближайшее время на базе того же ускорителя ЛИУ-20 будет создан полномасштабный комплекс импульсной томографии (КИТ), не имеющий мировых аналогов. С его помощью можно будет изучать трехмерное течение быстропротекающих процессов в оптически непрозрачных объектах. «Импульсная рентгенография позволяет регистрировать теневые изображения исследуемого объекта в одной плоскости, а импульсная томография — ​в нескольких плоскостях, — ​объясняет Олег Никитин. — ​Таким образом, в первом случае можно получить одно плоское изображение трехмерного объекта, а во втором — ​несколько таких изображений. В нашем случае — ​до 11 изображений. Набор теневых изображений дает возможность с использованием суперкомпьютера восстановить трехмерную структуру динамического объекта».

Принцип работы томографа для технического применения, так же как и медицинского томографа, основан на формировании и ускорении электронного пучка с дальнейшей его фокусировкой на мишени и генерацией потока проникающего рентгеновского излучения. Излучение, проходя через исследуемый объект, формирует теневое изображение его внутренней структуры и быстропротекающих процессов, происходящих в нем. Комплекс ВНИИТФ позволит получать теневые изображения на три момента времени и в девяти плоскостях. «Поскольку наши изделия сильно отличаются от человеческого тела по плотности и особенно по скорости протекания процессов, томографическая установка для их исследований тоже сильно отличается от медицинской как по мощности, так и по размерам», — ​говорит Олег Никитин. Томограф для технического применения гораздо больше и мощнее медицинского.

Освоение квадруполя

Ввод в эксплуатацию КИТа запланирован на 2027 год. Ускоритель для него уже есть. Еще ученым надо создать трехимпульсную систему питания и девятиракурсную систему разводки и транспортировки электронных пучков. Система питания обеспечит формирование трех последовательных электронных пучков — ​одного длинного и двух коротких, а система разводки — ​деление длинного электронного пучка на девять сгустков и их транспортировку к мишеням. Также предстоит оснастить комплекс восемью детектирующими станциями, аналогичными той, которая используется сейчас в рентгенографическом комплексе. Часть оборудования комплекса изготавливает ВНИИТФ, часть делают в ИЯФ СО РАН.

В прошлом году на заводе № 1 ВНИИТФ изготовили квадруполь — ​важный элемент магнитной оптики системы транспортировки электронного пучка. Помогли коллеги из Всероссийского электротехнического института (московский филиал снежинского ядерного центра). Там для электромагнита, входящего в состав квадруполя, изготавливали катушки.

«Квадруполь обеспечивает создание магнитного поля квадрупольной конфигурации и используется для фокусировки заряженных частиц, — ​пояснил Олег Никитин. — ​В нашем комплексе для фокусировки электронных пучков в системе транспортировки будут использоваться квадрупольные дуплеты и триплеты, включающие, соответственно, по два и три квадруполя».

«Раньше мы такой техники не изготавливали, и квадруполь, по сути, явился отработкой новой для института технологии, — ​подчеркнул заместитель главного инженера, главный технолог завода № 1 Борис Сидоров. — ​Освоение новой технологии открывает перспективы участия РФЯЦ-ВНИИТФ в создании элементов магнитной оптики всероссийских и международных проектов ускорительных комплексов».

Не только ЯОК

Новый комплекс ВНИИТФ планируют использовать не только для испытания элементов ядерного арсенала, но и для решения целого ряда других прикладных и фундаментальных задач. На базе ускорителя ЛИУ‑20 можно создать лазер на свободных электронах и с его помощью проводить исследования по измерению структуры твердых веществ, инициированию структурных превращений, спектроскопии веществ в химии и биохимии и т. д. ЛИУ‑20 можно использовать и в качестве фотонейтронного источника в экспериментах на радиационную стойкость радиоэлектронной аппаратуры.

«В ближайшем будущем в рамках гранта Российского научного фонда планируется начать исследовательские работы по созданию мощного терагерцевого источника, основанного на использовании сильноточного пучка линейного индукционного ускорителя, — ​рассказал Олег Никитин. — ​Мы хотим оснастить комплекс станцией терагерцевого излучения, на которой можно будет проводить прикладные и фундаментальные исследования по биологии, медицине, химии, физике твердого тела, материаловедению, ТГц-локации и связи».