Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 2, стр. 168-170

1. СИНХРОТРОННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В РОССИИ И МИРЕ

Проект ИССИ-4 направлен на создание в России сети источников синхротронного излучения с пилотной машиной в ННЦ СО РАН (Новосибирск), головной машиной в НИЦ “Курчатовский институт” (Протвино, МО), источником СИ в Дальневосточном Федеральном округе (Владивосток).

В настоящее время в мире работает около 50 источников СИ, на которых функционирует порядка 1000 экспериментальных станций. При этом только около 20 из этих источников можно отнести к 3-му поколению. Прогресс последних лет в технологиях создания источников СИ, включая разработку новых магнитных структур оптики пучка электронов, привел к пониманию возможности создания источников СИ 4-го поколения. Сейчас на различных стадиях реализации (от предпроектных работ до начала эксплуатации) находится около 20 проектов. Два из них уже находятся на стадии строительства: ESRF-EBS (Франция) и SIRIUS (Бразилия) и один проект MAX-IV (Швеция) вышел на стадию эксплуатации пользователями. Общая картина источников СИ представлена на рис. 1 в соотношении эмиттанс/периметр, определяющем степень совершенства магнитной структуры источников СИ.

Рис. 1.

Из доклада D. Einfeld от 02.02.2018 о текущем состоянии в мире различных проектов по созданию источников СИ 4-го поколения. Горизонтальная ось – периметр основного кольца в метрах в логарифмическом масштабе, вертикальная ось – нормализованный эмитанс в логарифмическом масштабе (параметр, определяющий достижимое разрешение на пользовательских станциях).

В России действуют две установки, которые можно отнести к предыдущим поколениям источников СИ. Это комплекс ВЭПП-3/ВЭПП-4М [1] в ИЯФ СО РАН (Новосибирск) и специализированный источник СИ – уникальная научная установка КИСИ в НИЦ “Курчатовский институт” (Москва). Реализация пилотного проекта ЦКП “СКИФ” позволит отработать ключевые решения (организационные, инженерно-инфраструктурные, ускорительные, пользовательские) и создать сеть современной исследовательской инфраструктуры на базе источников синхротронного излучения нового поколения с головной машиной в НИЦ “Курчатовский институт”. Это позволит на десятилетия обеспечить Российскую Федерацию высокопроизводительной современной инфраструктурой для решения актуальных задач материаловедения (включая технологии двойного назначения), биологии и медицины, создать условия для проведения исследований и разработок, соответствующие современным принципам организации научной и инновационной деятельности. Сеть источников СИ позволит сконцентрировать, закрепить и развить региональные интеллектуальные и инфраструктурные ресурсы для обеспечения выхода российских научных, образовательных организаций и производственных компаний на глобальные рынки знаний и технологий.

Необходимо отметить, что эта важнейшая задача уже решается – в сентябре 2017 г. Минобрнауки России в целях реализации федеральной целевой программы “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 гг.” через конкурс заключило три соглашения с ИЯФ СО РАН и НИЦ “Курчатовский институт” на проведение прикладных исследований до конца 2018 года совместно с Европейским центром синхротронного излучения (ESRF) по определению конфигурации и ключевых технических параметров основных систем источника синхротронного излучения 4-го поколения по одной из нижеперечисленных систем:

• магнитооптическая и вакуумная система,

• система диагностики и автоматического управления,

• встроенные источники излучения и ВЧ-система.

Кроме того, в целях продвижения проекта ИЯФ СО РАН подготовил предварительный вариант концептуального проекта источника СИ. Предложены первоначальные варианты отдельных систем, узлов, инфраструктуры. До конца 2018 г. предстоит, взвесив все за и против, согласовать единую концепцию источника СИ в Новосибирске, с учетом концепции создания головной машины в НИЦ “Курчатовский институт” и концепции развития науки в Сибири “Академгородок 2.0”.

2. УСТРОЙСТВА ГЕНЕРАЦИИ СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Для правильного выбора устройств генерации излучения (УГИ) основными характеристиками являются энергетический диапазон и плотность потока фотонов, а также характер спектрального диапазона (непрерывный либо дискретный) [2]. Причем в настоящее время существуют возможности реализовать сканирование по энергии с использованием УГИ с дискретным спектром излучений (ондуляторов), так что эта характеристика более не является критической. Поэтому анализ пользовательских потребностей проводился в первую очередь с целью определения двух вышеназванных характеристик и дополнительно непрерывности спектра. Были проведены исследования более сотни различных экспериментальных станций по всему миру, работающих на таких накопителях, как Центр коллективного пользования “Сибирский центр синхротронного и терагерцевого излучения” (Новосибирск, Россия), Сибирь-2 (Курчатовский институт, г. Москва) [3], ESRF (Франция), SPring-8 (Япония), PETRA III (Германия), NSRRC (Тайвань), DFELL (Duke Free Electron Laser Laboratory, Durham, NC, США), CAMD (Луизиана, США) [4], CLS (Канада) [5], ALBA (Испания) [6], KAERI (Ю. Корея) и другие.

Проведенный анализ, учитывающий современные мировые тенденции развития методов использования синхротронного излучения (например, более широкое использование ондуляторов, в том числе в методиках, где необходима перестройки энергетического диапазона излучения), является достаточным для группировки методов по признаку возможности реализации на одном генераторе излучения. На основе этой группировки создана следующая классификация УГИ [7]: многополюсные сверхпроводящие вигглеры с экстремально высоким уровнем поля (7–7.5 Тл) и длинным периодом (140–200 мм) (реализуемые методы: широкие пучки для медицинского применения и исследований массивных объектов технологического назначения и промышленных образцов); многополюсные сверхпроводящие вигглеры со средним уровнем поля (3.5–4.2 Тл) и небольшим периодом (48–60 мм) (для XAFS-спектроскопии и энергодисперсиооной дифрактометрии); многополюсные сверхпроводящие вигглеры с коротким периодом (30–34 мм) и низким уровнем поля (2–2.2 Тл); сверхпроводящие ондуляторы (для рентгеноструктурного анализа микрообъектов, поверхностно-чувствительные методы и др.); ондуляторы на постоянных магнитах с изменяемой поляризацией (APPLE-II type, циркулярный и линейный магнитный дихроизм); спиральные ондуляторы (циркулярный дихроизм и др.). Важно отметить, что для головной машины проекта ИССИ-4 выбрана энергия пучка 6 ГэВ, и была проведена работа по адаптации многих существующих решений к этой энергии.

3. “СКИФ”

Источник синхротронного излучения Центр коллективного пользования “СКИФ” (Сибирский кольцевой источник фотонов) планируется ввести в эксплуатацию в конце 2023-го года. Проект имеет ряд преимуществ по сравнению с зарубежными аналогами в Южной Корее, Австралии, Тайване, Китае и Японии:

• Минимальный эмиттанс при рабочей энергии электронов 3 ГэВ (использование вигглеров-затухателей и других ускорительных решений в перспективе может позволить уменьшить эмиттанс до значений порядка 70 пм ⋅ рад).

• Наличие сверхроводящих сильнополевых вставных устройств для генерации мощного излучения в жестком рентгеновском диапазоне.

• Наличие сверхпроводящих короткопериодных ондуляторов, генерирующих пространственно когерентное излучение в диапазоне энергий фотонов 40–80 кэВ.

• Создание уникальных современных мультидисциплинарных экспериментальных станций и сопутствующей научно-исследовательской инфраструктуры, которая выведет целые направления российских исследований на передовые позиции в мире.

• Создание уникальной экспериментальной станции исследования быстропротекающих процессов. Детальное понимание механики и химии взрывных и ударно-волновых процессов позволит решить ряд важных задач в области базовых и критических военных и промышленных технологий для создания перспективных видов вооружения, военной и специальной техники. Например, безопасность эксплуатации и эффективность работы устройств и технологий, использующих энергию взрыва, в том числе безопасность и гарантия работоспособности ядерных зарядов; противодействие терроризму; новые материалы с высокой удельной энергоемкостью для ракетной промышленности; синтез новых соединений в условиях взрыва; взрывной синтез наночастиц углерода с заданными свойствами.

На рис. 2 представлены спектральные характеристики УГИ, планируемых для использования на источнике “СКИФ”.

Рис. 2.

Спектральные характеристики вставных устройств – генераторов СИ источника “СКИФ”.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В статье представлена концепция устройств генерации излучения для национальных источников синхротронного излучения с предельно низким эмиттансом, определены основные технические требования к ним, проведено численное моделирование спектров. Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП “СЦСТИ” на базе ВЭПП-4М, поддержанного Минобрнауки России (уникальный идентификатор проекта RFMEFI62117X0012).