Кристаллография, 2022, T. 67, № 5, стр. 735-741

ВВЕДЕНИЕ

Курчатовский специализированный источник синхротронного излучения (СИ) на базе накопителя электронов с энергией 2.5 ГэВ является источником поколения 2+ с горизонтальным эмиттансом 98 нм·рад. Периметр основного накопителя составляет 124.13 м. В настоящее время в составе комплекса работают 13 экспериментальных станций и еще четыре находятся в стадии строительства. Основным источником СИ являются поворотные магниты с полем 1.7 Тл с характеристической энергией фотонов 7.07 кэВ. Полный спектральный диапазон СИ простирается от 0.1 до 2000 Å. Для расширения экспериментальных возможностей комплекса в прямолинейные промежутки основного накопителя установлены три сверхпроводящих вигглера (один с максимальным полем 7.5 Тл и два с полем 3 Тл).

Компоновка действующего комплекса позволяет выводить пучок СИ равномерно по всему периметру основного накопителя. Имеются пучковые линии двух типов: для жесткого рентгеновского излучения из поворотных магнитов и вигглеров и для ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения из слабополевых вставных устройств. Работа для обеспечения эксперимента проводится при энергии электронов 2.5 ГэВ и токе 100–200 мА. Время жизни электронов в накопителе составляет 20–40 ч.

Действующая магнитная структура (или структура магнитной системы) основного накопителя – это модифицированная структура типа двойного ахроматического поворота (DBA – Double Bend Achromat) [1, 2]. Она состоит из шести суперпериодов, каждый из которых содержит по два промежутка длиной 3 м для постановки сильнополевых сверхпроводящих вигглеров и ускоряющих высокочастотных резонаторов (промежутков с нулевой дисперсией), слабополевых вигглеров, элементов системы инжекции (промежутков с ненулевой дисперсией) [3–5].

Улучшение потребительских качеств пучков – яркости и интенсивности СИ – требует модернизации всего ускорительного комплекса и перевода основного накопителя в разряд источников третьего поколения с эмиттансом электронного пучка менее 5 нм∙рад. Для этого необходимо помимо создания нового основного накопителя создать новый бустерный синхротрон (энергия 0.2–2.5 ГэВ, горизонтальный эмиттанс 44 нм рад, ток 10 мА, частота цикла 1 Гц) [6] и новый линейный ускоритель электронов (энергия 0.2 ГэВ, рабочая частота 2797 МГц, энергетический разброс электронов в пучке не более 1%) [13]. Кроме того, обязательным требованием к новому проекту является сохранение всех действующих в настоящее время осей каналов экспериментальных станций с высокой точностью установки координат и углов.

ПРОЕКТ МОДЕРНИЗАЦИИ КУРЧАТОВСКОГО ИСТОЧНИКА СИ

Современное развитие технологий в области создания магнитных, вакуумных, ВЧ-систем, компьютерного моделирования электромагнитных полей и динамики электронного пучка создали возможности для строительства источников СИ с использованием магнитных структур типа многократного ахроматического поворота (MBA – Multi Bend Achromat). При одних и тех же геометрических размерах накопителей благодаря более плотному расположению соседних элементов на кольце источника СИ, применению сложных и высокоточных магнитных элементов, малоапертурных вакуумных камер и вставных устройств, миниатюризации элементов диагностики, высокостабильным источникам питания появилась возможность достигать горизонтальных эмиттансов, почти на 2 порядка меньших, чем в структурах типа двойного ахроматического поворота. Первыми успешно реализованными проектами с магнитными структурами типа MBA являются проект MAX-IV [7] и проект модернизации ESRF – ESRF EBS [8]. Также заслуживают внимания проекты, находящиеся в различной стадии готовности – это проект SLS-2 [9] и самый амбициозный на сегодня – проект PETRA-IV [10], который использует идеи ESRF и наиболее близок к достижению дифракционно-ограниченного источника на длине волны 1 Å.

С учетом мирового опыта модернизации действующих источников СИ были сформулированы основные требования, предъявляемые к новой магнитной структуре Курчатовского источника СИ (КИСИ): сохранение всех экспериментальных станций; достижение эмиттанса электронного пучка менее 5 нм∙рад; сохранение спектрального диапазона излучения; сохранение количества, длин и координат осей прямолинейных промежутков с нулевой дисперсионной функцией; обеспечение возможности инжекции электронного пучка из бустерного синхротрона; достижение времени жизни электронного пучка не менее 10 ч; сохранение периметра основного накопителя; удовлетворение технологическим ограничениям со стороны всех систем. Бустерный синхротрон будет размещен в одном и том же тоннеле концентрически внутри кольца источника СИ, а новый линейный ускоритель (0.2 ГэВ) размещен в так называемом малом зале на месте действующего линейного ускорителя (0.08 ГэВ) (рис. 1).

Рис. 1.

Размещение ускорителей и транспортных каналов нового комплекса источника СИ в НИЦ “Курчатовский институт” на площадях имеющейся инфраструктуры.

НОВАЯ МАГНИТНАЯ СТРУКТУРА ИСТОЧНИКА СИ

КИСИ является одним из самых компактных в мире. Накопительное кольцо образовано шестью зеркально-симметричными суперпериодами. Для уменьшения эмиттанса в новой оптической структуре при сохранении геометрических размеров накопителя эффективно использовать сэндвич-магниты и магниты с антиповоротом [11, 12]. Согласно проведенным исследованиям оптимальным вариантом является магнитная структура суперпериода, состоящая из двух модифицированных ячеек типа 3BA, каждая ячейка 3BA содержит три поворотных магнита (поле 2 Тл), четыре дипольно-квадрупольных магнита (магниты с совмещенными функциями, знак поля совпадает со знаком поля в диполях, тип 1), четыре дипольно-квадрупольных магнита с антиповоротом (магниты с совмещенными функциями, знак поля противоположен знаку поля в диполях, тип 2), один дублет и один триплет квадрупольных линз. Типы используемых магнитных элементов в новой и действующей структурах на длине одного суперпериода и их расположение показаны для сравнения на рис. 2.

Рис. 2.

Действующая (вверху) и новая (внизу) магнитная структура КИСИ.

Для того чтобы максимально минимизировать эмиттанс, в новой структуре пришлось отойти от жесткого выполнения некоторых требований к ней, а именно от точного сохранения периметра накопителя и сохранения положений прямолинейных промежутков. Выполнение этих требований не позволяет получить эмиттанс электронного пучка менее 10 нм рад. Для увеличения расстояния между элементами была увеличена индукция поля в поворотных магнитах от 1.7 до 2.0 Тл.

Отказ от жесткого выполнения этих требований вполне возможен. В настоящее время экспериментальные станции, работающие с пучками СИ из сверхпроводящих вигглеров, находятся на стадии строительства или модернизации. На данном этапе можно обеспечить их параллельный перенос на необходимое расстояние, а имеющаяся высокочастотная система позволяет обеспечить работу основного накопителя при изменении периметра вплоть до ±100 мм. Увеличение индукции поля в поворотных магнитах естественным образом приведет к изменению спектральных характеристик излучения (оно станет более жестким), однако получаемые технологические упрощения конструкций магнитных элементов и расширение возможностей оптимизации и настройки магнитной структуры перевешивают. Характеристики действующей и новой структуры для сравнения приведены в табл. 1.

Использование в новой структуре магнитов с относительно большим антиповоротом позволяет, с одной стороны, существенно уменьшить эмиттанс электронного пучка, но, с другой стороны, приводит к существенному увеличению потерь электронами энергии на излучение и увеличению энергетического разброса. В отсутствие встраиваемых устройств имеющаяся ВЧ-система способна компенсировать потери энергии электронов в новой структуре в штатном режиме. Однако при включении всех вставных устройств (до девяти) работа ВЧ-системы с номинальным током 200 мА будет близка к пределу своих возможностей, и в этом случае может потребоваться переход на работу с меньшими токами электронного пучка. Оптические функции для новой структуры показаны на рис. 3.

Рис. 3.

Оптические функции на длине одного суперпериода.

В новой магнитной структуре в прямолинейных промежутках дисперсионная функция равна нулю. Поэтому промежутки могут быть использованы для постановки как слабополевых, так и сильнополевых вигглеров. Еще одна особенность структуры – близкие значения горизонтальной и вертикальной β-функций в прямолинейных промежутках. Это позволит при 100%-ной связи горизонтальных и вертикальных бетатронных колебаний обеспечить круглые пучки СИ, исходящих из встраиваемых устройств, и тем самым расширить экспериментальные возможности комплекса.

Достижение малых эмиттансов требует создания магнитооптических структур с более сильной фокусировкой, что приводит к увеличению натурального хроматизма и, как следствие, к увеличению сил секступольных линз, применяемых для его компенсации, к более сильному влиянию нелинейных компонент магнитного поля на движение электронов, и, как следствие, к появлению большого количества бетатронных резонансов и уменьшению размеров динамической апертуры.

Для компенсации натурального хроматизма, увеличения размера динамической апертуры и минимизации сдвига частот бетатронных колебаний в зависимости от амплитуд бетатронных колебаний и амплитуды отклонения импульса от равновесного значения было использовано шесть семейств хроматических линз и одно семейство гармонических линз (всего 84 секступольных линз). Силы всех секступольных линз были оптимизированы с целью минимизации влияния нелинейных эффектов на динамику электронного пучка. В отсутствие ошибок в размерах элементов магнитной структуры, возникающих при изготовлении, ошибок в величинах индукции магнитных полей в магнитных элементах и ошибок при их геодезическом позиционировании, размеры динамической апертуры, приведенные к центру промежутков с дублетами квадруполных линз, следующие: вертикальный размер – ±12 мм, а горизонтальный – ±16 мм, что достаточно для осуществления инжекции электронного пучка. На рис. 4 показана расчетная динамическая апертура в центре промежутков с дублетами квадрупольных линз без учета ошибок в значениях индукции полей магнитных элементов, изготовлении, геодезическом позиционировании.

Рис. 4.

Расчетная динамическая апертура без учета ошибок.

Смещение рабочей точки на диаграмме бетатронных частот в зависимости от амплитуды колебаний электронов внутри области поля ±11 мм по горизонтали и ±8 мм по вертикали не превышает ±0.015.

Результаты моделирования показывают, что при среднеквадратичной ошибке позиционирования магнитных элементов 50 мкм динамическая апертура уменьшается в среднем до ±10 мм, а искажения замкнутой орбиты достигают 5 мм в обеих плоскостях. Но уже при включении коррекции динамическая апертура восстанавливается практически до исходного размера в отсутствие ошибок, а искажения замкнутой орбиты не превышают размера электронного сгустка.

На рис. 5 приведена схема вывода каналов излучения из нового источника СИ. В соответствии с увеличением числа поворотных магнитов количество экспериментальных станций, работающих с пучками СИ и выведенных из поворотных магнитов, можно увеличить в 1.5 раза.

Рис. 5.

Вывод излучения из поворотных магнитов (углы 5°20$\prime $ и 17°) и вставных устройств (углы 0°) одного суперпериода нового источника СИ.

Новая магнитная структура обеспечивает существенное повышение качества фотонного пучка, излучаемого всеми установленными на кольце источниками. Главным образом это улучшение проявляется в увеличении яркости излучения в 30–50 раз. Для иллюстрации на рис. 6 приведены графики спектральных характеристик СИ, генерируемого существующими сверхпроводящими вигглерами в действующей и новой структурах.

Рис. 6.

Сравнение спектральной яркости СИ из различных устройств в новой (а) и действующей (б) структурах КИСИ при токе электронов 200 мА: 1, 2 –поворотные магниты; 3 – сверхпроводящий вигглер (3 Тл, 50 + 4 полюса); 4 – сверхпроводящий вигглер (7.5 Tл, 19 + 2 полюса). СШ – спектральная ширина.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Расчетная магнитооптическая структура нового источника СИ в Курчатовском институте обеспечит в ~30–50 раз меньший натуральный эмиттанс, что позволит добиться параметров пучков СИ (яркости и интенсивности) на уровне источников третьего поколения. Для успешной реализации проекта уделяют пристальное внимание разработке и оптимизации магнитных элементов источника СИ, которые должны быть выполнены и установлены на свои места с высокой точностью. В настоящее время продолжаются работы, связанные с электрическими, магнитными и механическими расчетами магнитовакуумной системы основного накопителя – источника СИ. Геометрия малоапертурной вакуумной камеры требует тщательной проработки с учетом малых апертур и излучения, генерируемого магнитами с антиповоротами. Особое значение имеет оптимальное размещение элементов вакуумной откачки и охлаждения вакуумной камеры (приемников СИ), локальной защиты элементов, находящихся внутри вакуумной камеры (диагностика), от излучения, расположение и сопряжение фронтендов (переходных частей от вакуумной камеры накопителя к каналу вывода СИ) с вакуумной камерой. Немаловажным является вопрос долговременной стабилизации температуры воздуха в туннеле основного накопителя с учетом периодически работающего бустерного синхротрона.

Электромагнитные расчеты и оптимизация геометрии всех магнитных элементов бустерного синхротрона закончены. Разработаны технические задания ко всем магнитным элементам, достаточные для начала работ по разработке конструкторской документации с учетом закладываемой технологии для производства магнитов бустерного синхротрона. Основные узлы ВЧ-систем для основного накопителя и бустерного синхротрона определены и находятся в стадии производства.

Спроектирована структура линейного ускорителя электронов с энергией 200 МэВ. Определены оптимальные параметры резонансной ускоряющей структуры с высоким импедансом и необходимая система СВЧ-питания. Для этого были проведены работы по оптимизации электронной пушки, ячеек ускоряющих секций ускорителя, предгруппирователей, элементов СВЧ-тракта и выполнено математическое моделирование динамики электронного пучка в ускорителе. Показано, что для достижения проектной энергии 200 МэВ ускоритель должен включать в себя четыре регулярные ускоряющие секции длиной ~2 м каждая с градиентом ускоряющего поля ~420 кВ/см, что обеспечит прирост энергии ~50 МэВ на секцию. Секция представляет собой бипериодическую ускоряющую структуру, работающую на стоячей волне и включающую 40 ускоряющих ячеек и 39 ячеек связи. Коэффициент токопрохождения от выхода электронной пушки до выхода четвертой регулярной секции 54% [13]. Энергетический спектр пучка после оптимизации составляет ±0.9% ширины на полувысоте, выходной поперечный эмиттанс ~0.15 мм мрад.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 19-29-12039).