Кольцо больших надежд: СКИФ разгонит российскую науку до скорости света

Технический пуск Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ) ожидается в этом году, сообщил в феврале на Форуме будущих технологий президент Владимир Путин. Эксперименты с фотонным пучком стартуют в 2027‑м, а исследования материалов уже начались.

Начинаем обратный отсчет

Источник синхротронного излучения с энергией 3 ГэВ сооружают в наукограде Кольцово под Новосибирском с августа 2021 года. Центр коллективного пользования (ЦКП) «СКИФ» создается в рамках нацпроекта «Наука и университеты». Установка класса мегасайенс позволит изучать материю на атомарном уровне с огромной точностью и скоростью. Можно будет заглянуть внутрь чего угодно — археологической находки, бактерии, лекарства, материала для крыла самолета и т. п.

ЦКП «СКИФ» состоит из ускорительного комплекса (линейный ускоритель, бустерный синхротрон, в котором разгоняют фотонный пучок, и накопительное кольцо диаметром 150 м), а также пользовательской инфраструктуры — экспериментальных станций и лабораторного комплекса.

Готовность центра превышает 97 %. «До завершения общестроительных работ считаные недели, — рассказывает «СР» главный научный сотрудник ЦКП «СКИФ» Ян Зубавичус. — В конце прошлого года в полном объеме заработал инжекционный комплекс — линейный ускоритель и бустерный синхротрон. В порядке эксперимента сделано несколько пробных выстрелов электронным пучком в направлении накопителя. Полагаю, эксплуатация большого накопительного кольца синхротрона начнется летом».

В России такой совершенной установки еще не было. Курчатовский источник синхротронного излучения, пущенный в конце 1990‑х, относится ко второму поколению и уступает СКИФу по яркости излучения примерно в 10 тыс. раз. Единственный конкурент в обозримом будущем — источник, строящийся в Протвине на базе Института физики высоких энергий им. Логунова Национального исследовательского центра «Курчатовский институт». Установка под названием «СИЛА» будет вдвое мощнее СКИФа по энергии электронов. Проект пока на начальном этапе, пуск запланирован на 2033 год.

Магнитный резонанс

К концу 2025 года на СКИФе смонтировали главные элементы электронного ускорителя — магнитные гирдеры, задающие орбиту и размер пучка. Гирдер — это подставка длиной 2,4–3,8 м и весом около 5 т, на которой закрепляют магниты. Сколько — зависит от задачи и места расположения гирдера. Всего на большом накопительном кольце 112 гирдеров с 1 тыс. разных магнитов. Поверхность гирдеров идеально плоская, их изготавливают в лабораториях, перепады плоскости не превышают 30 мкм.

Управляющие пучком магниты сделали в Институте ядерной физики (ИЯФ) им. Будкера Сибирского отделения РАН. Кроме того, там произвели три из четырех клистронов — высокочастотных электровакуумных приборов, которые генерируют мощное переменное электрическое поле, ускоряющее электроны в линейном ускорителе, линаке.

«Контракт на клистроны был заключен с японской фирмой, — рассказывает Ян Зубавичус. — Но мы успели получить только один. Контракт расторгли из-за санкционной политики. У ИЯФа были наработки по отдельным компонентам этого сложного технического устройства, и там в рекордно короткий срок собрали клистрон, не уступающий японскому».

Ян Зубавичус добавляет, что локализация производства основных компонентов СКИФа — уже не менее 90 %. Российские компании разработали и произвели порядка двух сотен единиц научного оборудования для ускорительно-накопительного комплекса и экспериментальных станций. Ресурс основных элементов — минимум пять лет.

Экспериментальная база

Монтаж экспериментальных станций (их будет семь на начальном этапе, а в перспективе — до 30) тоже близится к финишу.

«Полностью собраны экспериментальные станции 1–7, — говорит Ян Зубавичус. — Все оборудование смонтировано и готово к приему фотонного пучка. На первой станции эксперименты с пучком начнутся уже в этом году, поскольку она использует излучение из поворотного магнита. Еще шесть станций будут получать излучение из вигглеров и ондуляторов (см. словарь. — «СР»), которые устанавливаются на прямолинейных участках прохождения пучка. Монтаж вигглеров и ондуляторов запланирован на октябрь и ноябрь».

На экспериментальной станции опробовали пневматическую пушку для испытаний в экстремальных условиях новых конструкционных материалов для энергетики, авиации, космоса. Пушку изготовила петербургская компания «Дефорт» под руководством конструкторов ядерного центра в Снежинске по заказу Института гидродинамики им. Лаврентьева (ИГиЛ) Сибирского отделения РАН. Состоит это устройство из ствола и камер высокого и низкого давления, разделенных металлической мембраной. Компрессор нагнетает давление до 450 атмосфер. Ударник, попадая в образец на скорости 2 км/с, генерирует условия плоского нагружения. В этот момент высокоскоростной рентгеновский детектор снимает рентгеновское «кино» об ударно-волновом сжатии образца.

«Испытания прошли на 100 % успешно. Можно даже сказать, что мы провели первый эксперимент на СКИФе. Мы достигли проектной скорости, достаточной для реальных экспериментов. Осталось только принять пучок синхротронного излучения, и начнем получать результаты мирового уровня», — приводит пресс-служба ИГиЛа комментарий научного сотрудника института Алексея Студенникова.

Для экспериментов с пневматической пушкой в ИГиЛе также разработали сверхбыстрый импульсный рентгеновский затвор. Он защищает аппаратуру от тепловой и радиационной нагрузки.

Словарь

Вигглеры и ондуляторы — магнитные устройства, которые изменяют траекторию электронного пучка для генерации синхротронного излучения с нужными характеристиками. Вигглер заставляет пучок двигаться по извилистой траектории, создавая мощное широкое синхротронное излучение. Ондулятор направляет частицы по синусоидальной траектории, создавая высокомонохроматичный пучок света в рентгеновском диапазоне.

Эти устройства увеличивают интенсивность излучения на порядки больше, чем поворотные магниты, меняют спектрально-угловые и поляризационные характеристики излучения (монохроматичность, поляризация и др.). Опция создания магнитного поля около 10 Тл за счет сверхпроводимости дает возможность генерировать более жесткий спектр излучения фотонов — свыше 100 кэВ.