Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 2, стр. 176-180

ВВЕДЕНИЕ

Синхротронное излучение (СИ) – давно признанный инструмент аналитических методик исследования состава и структуры вещества. Методики рентгеноспектрального анализа, дифракционных исследований и XAFS-спектроскопии успешно применяются в ведущих мировых исследовательских центрах, в том числе в Центре коллективного пользования “Сибирский центр синхротронного и терагерцевого излучения” (ЦКП СЦСТИ). Перспективы развития ЦКП СЦСТИ и создания нового ЦКП “Сибирский кольцевой источник фотонов” (ЦКП “СКИФ”) обусловливают необходимость расширения программ подготовки специалистов для работы с синхротронным излучением на базе ИЯФ СО РАН при участии НГУ и НГТУ.

В настоящее время работы с синхротронным излучением выполняются на экспериментальных станциях накопителей ВЭПП-3 и ВЭПП-4М [1, 2]. Кроме этого на накопителях проводятся исследования по тематикам физики элементарных частиц (ФЭЧ) с детектором КЕДР. Совмещение режимов СИ и ФЭЧ на существующих станциях технически невозможно, и работы ведутся поочередно. Как следствие, выделение на экспериментальных станциях СИ времени для проведения учебных или отладочных работ очень ограничено. Это определяет актуальность создания специализированной станции, на которой можно будет в базовой конфигурации проводить работы по изучению основных методик исследований с применением СИ. Важной особенностью является использование в качестве источника СИ поворотного магнита N10F накопителе ВЭПП-4М. Данный магнит расположен первым в начале участка магнитов, используемых для генерации СИ на ВЭПП-4М. За этим магнитом установлена система электростатического разведения пучков, используемая при работе по ФЭЧ (на детекторе КЕДР) и делающая невозможным вывод СИ из накопителя на экспериментальные станции. На излучение магнита N10F система электростатического разведения не влияет, а, следовательно, в канале № 1 возможно проведение работ с СИ параллельно с экспериментами ФЭЧ, что значительно увеличивает экспериментальное время на создаваемой Технологической станции СИ.

НАЗНАЧЕНИЕ СТАНЦИИ

Технологическая станция СИ (далее ТССИ) предназначена для обучения пользователей и студентов (физический факультет НГУ, факультет естественных наук НГУ, физико-технический факультет НГТУ и др.) работе с основными элементами аппаратуры СИ, основам методик проведения исследований на пучках СИ, включая технику безопасности при проведении экспериментов, обслуживание экспериментального оборудования, подготовку образцов и проведение непосредственно экспериментов на пучках СИ. В дальнейшем студенты будут работать на специализированных станциях СИ. Кроме учебных работ, станция может быть использована для тестовых экспериментов при подготовке исследований на основных станциях, для отладки и тестирования отдельных узлов станций СИ.

ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ ТССИ

Многоцелевая станция с модульным оснащением дает возможность собирать различные экспериментальные схемы; устанавливать для тестирования новые элементы и узлы; вскрывать различные узлы для демонстрации.

Пучок СИ выводится из накопителя по вакуумному каналу через две стены биозащиты. Апертура канала обеспечивает вывод пучка размером 40 × 20 мм. Основные элементы канала и станции представлены на рис. 1 и 2.

Рис. 1.

Схема ТССИ: 1 – источник излучения (поворотный магнит N10F); 2 – штыревой приемник излучения; 3, 6 – стены биозащиты; 4, 7, 12, 14 – бериллиевые фольги; 5 – радиационный затвор; 8, 10 – блок щелей; 9 – монохроматор; 11 – люминофорный датчик; 13 – ХУ-сканер; 15 – поглотитель пучка, 16 – напуск гелия, 17 – форвакуумный пост.

Рис. 2.

Компоновка Технологической станции СИ (в разрезе).

Для разделения вакуума в канале установлены бериллиевые фольги. Между бериллиевыми фольгами в канале, а также в первой и второй экспериментальных камерах, создается вакуум до уровня 1–10 Па. Предусмотрена возможность напуска гелиевой атмосферы в экспериментальные камеры. Уплотнения на камере выполняются с возможностью многократного вскрытия для обслуживания и демонстрации. В третьей камере предполагается проведение экспериментов без вакуумирования. Все вскрываемые люки и фланцы будут оснащены концевиками для обеспечения радиационной безопасности путем блокировки радиационных затворов и исключения попадания работников под излучение.

В первой камере размещаются устройства формирования и мониторинга пучка СИ. Подвижные ножи из тантала, ограничивающие горизонтальный и вертикальный размеры пучка, установленные на дистанционно-управляемых прецизионных подвижках, предназначены для формирования вертикального и горизонтального размеров пучка (рис. 1, поз. 8 и 10). Блок щелей (рис. 1, поз. 8) будет использоваться для мониторирования входного пучка СИ. Вертикальные ножи, установленные на изоляторах и оснащенные выводом для регистрации фотоэмиссионного тока, возникающего при попадании СИ на нож, будут выполнять роль электродов фотоэмисиионного датчика положения пучка.. Разница в силе тока верхнего и нижнего ножей пропорциональна долям пучка на соответствующем ноже и может быть использована для юстировки ножей симметрично в пучке и последующего мониторирования изменения положения пучка СИ. Разрезной кристалл-“бабочка” Si (111) на моторизованном гониометре (рис. 1, поз. 9) обеспечивает монохроматизацию СИ в спектральном диапазоне 0.4 до 6.2 Å (от 31 до 2 кэВ), с разрешением ΔE/E ~ 2 ⋅ 10^–4. Установленный после монохроматора люминофорный датчик (вводимый в пучок под углом 45°) с видеокамерой (рис. 1, поз. 11) будет использоваться для контроля формируемого пучка СИ.

Вторая вакуумная камера представляет собой куб с ребром 550 мм из нержавеющей стали. Внутри размещаются две линейных подвижки XY (рис. 1, поз. 13) для позиционирования в пучке образца, а также другие необходимые вспомогательные элементы. В этой камере можно реализовать трафаретную рентгенолитографию, исследование люминофоров или рентгенофлуоресцентный анализ, используя один комплект подвижек с перестановкой в соответствующие позиции.

Основные элементы станции строятся с использованием прецизионных подвижек производства Newport с управлением от ЭВМ, что позволяет реализовать оперативную смену элементов и алгоритмов перемещения.

В настоящее время из фронтенда канала выведен пучок излучения в Бункер СИ ВЭПП-4М, ведутся работы по конструированию и сборке элементов станции (корпуса и внутреннего оснащения экспериментальных камер и вакуумного канала).

ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ

Источником излучения для строящейся станции является поворотный магнит N10F. В режиме работы накопителя ВЭПП-4М в качестве источника СИ для пользователей энергия электронов составляет 1.85 ГэВ для работы метрологического канала или 4.5 ГэВ для работы остальных пользователей. В режиме ФЭЧ энергия электронов выбирается в диапазоне от 1.85 до 4.5 ГэВ. На рис. 3 представлены для сравнения спектры мощности потоков СИ в медианной плоскости для типичных режимов работы: 1 – излучение, используемое на экспериментальных станциях на ВЭПП-3 при энергии электронов Е = 2 ГэВ, токе I = 100 мА; 2 – излучение используемое в канале № 3 ВЭПП-4М, E = 4.5 ГэВ, I = 10 мА; 3 – излучение в канале № 1 ВЭПП-4М на Технологической станции, E = = 4.5 ГэВ, I = 10 мА; 4 – излучение из 9-полюсного вигглера в канале № 8 ВЭПП-4М, E = 4.5 ГэВ, I = 10 мА; 5 – излучение в канале № 1 ВЭПП-4М на Технологической станции, E = 3.5 ГэВ, I = 10 мА. В табл. 1 приведены значения критической энергии и критической длины для различных режимов работы накопителя ВЭПП-4М. Из приведенных данных видно, что при энергии электронов в кольце ВЭПП-4М 4.5 ГэВ (типичный режим работы с СИ) излучение в 1-м канале слабее в несколько раз, с учетом разницы значений тока, чем на 0-м канале ВЭПП-3 при близком спектре, это позволяет реализовать основные технологии исследования вещества с применением СИ, используемые на накопителе ВЭПП-3.

Рис. 3.

Сравнение спектров мощности потоков СИ для типичных режимов работы.

ПРЕДПОЛАГАЕМЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И УЧЕБНЫЕ РАБОТЫ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ СИ

Модульная концепция построения многоцелевой станции дает возможность собирать различные экспериментальные схемы, устанавливать для тестирования новые элементы и узлы, вскрывать различные узлы для демонстрации и проводить эксперименты по физике ускорителей и изучению свойств СИ, а также изучать методики применения СИ в исследованиях вещества. Также станция может быть использована для тестирования нового экспериментального оборудования на СИ и выполнения некоторых вспомогательных экспериментов. Предполагается проведение экспериментов в наиболее простой конфигурации, заведомо не охватывающей всех возможностей рентгеновских дифракционных и спектральных методов с использованием СИ, но дающей возможность ознакомиться с основами тех или иных методик или протестировать новые устройства. На базе ТССИ студентами будут выполняться курсовые и дипломные работы по тематикам базовых исследований на синхротронном излучении, в ходе выполнения которых будут рассматриваться приемы формирования и контроля пучков СИ, принципы работы экспериментальных станций, основы организации проведения экспериментов с СИ и техники безопасности при работе с СИ. К выполнению дипломных работ будут привлекаться научные руководители из числа квалифицированных специалистов для постановки полномасштабной задачи. Хотя меньший поток излучения, по сравнению с ВЭПП-3, не позволит конкурировать с существующими станциями, но появляется возможность правоведения подготовительных работ, не используя дефицитное пучковое время на основных станциях. Реализуемые на Технологической станции методики базируются на опыте работ на исследовательских станция ЦКП СЦСТИ [3–6]. Ниже представлены тематики проведения учебно-исследовательских работ: