Кристаллография, 2022, T. 67, № 5, стр. 726-734

ВВЕДЕНИЕ

Прогресс в области науки и технологий стран – мировых лидеров определяется уровнем и наличием установок класса “мегасайенс”, среди которых особая роль в развитии прикладных наук отведена источникам синхротронного излучения (СИ) и рентгеновским лазерам на свободных электронах (ЛСЭ). Специализация и решаемые на мегаустановках задачи определяют основные параметры и требования к техническим характеристикам каждого конкретного источника СИ или ЛСЭ. Например, энергия электронов кольцевых ускорителей может составлять от 0.4 до 8 ГэВ, длина орбиты – от нескольких десятков метров до нескольких километров [1], эмиттанс – от единиц нм рад до десятков пм рад (рис. 1).

Рис. 1.

Сравнение величин, нормированных натуральных горизонтальных эмиттансов ряда СИ [11] – чем ниже на диаграмме расположен источник, тем выше его яркость и степень поперечной когерентности.

В мире насчитывается несколько десятков источников СИ, которые можно разделить на четыре поколения. Первое поколение – ускорители заряженных частиц, созданные для изучения физики высоких энергий, оснащенные дополнительно выводными каналами для экспериментов с СИ (паразитическим для данного класса ускорителей) [2]. Второе поколение – специализированные ускорительные комплексы, созданные для генерации СИ из поворотных магнитов [3, 4]. Третье поколение – синхротроны со специальными генераторами СИ – ондуляторами и вигглерами, установленными в прямолинейных секциях кольцевого ускорителя [5–7]. Для третьего поколения характерны высокая спектральная яркость и непрерывная инжекция электронов. Наконец, четвертое поколение – ускорители с существенно оптимизированной магнитной структурой [8, 9], позволяющей приблизиться к дифракционному пределу размера источника фотонов. Каждое поколение отличается от предыдущего повышением яркости СИ более чем на порядок [10].

Характеристики рентгеновского излучения передовых современных источников СИ – яркость, когерентность и временнóе разрешение [12] – уже сегодня позволяют проводить эксперименты по исследованию структуры широчайшего спектра объектов на качественно новом уровне по сравнению с источниками предыдущих поколений. Так, для визуализации атомной структуры, традиционно требующей образцов достаточно больших размеров, возможности источников четвертого поколения – в первую очередь яркость и когерентность – позволяют перейти к 3D-визуализации атомной структуры неупорядоченных объектов практически любых размеров (микронных, субмикронных и нанометровых). Рентгеновские ЛСЭ открывают совершенно новую область временных масштабов и позволяют изучать динамику различных систем со сверхвысоким (фемтосекундным) разрешением по времени [13]. Понимание на атомном уровне таких процессов, как формирование структуры материалов [14–16], химические и биохимические реакции, белковая динамика в клетках и вирусах, открывает принципиально новые горизонты практически во всех областях науки: от химии и материаловедения до биологии, фармакологии и медицины. Полученные новые знания позволят разрабатывать перспективные методы диагностики и лечения болезней, создавать новейшие типы лекарств, развивать промышленные технологии, связанные, например, с катализом, химическим синтезом, переработкой полезных ископаемых, а также синтезировать материалы с уникальными свойствами для наноэлектроники, нейроморфных и природоподобных систем, аккумуляторов и новой энергетики (например, для хранения водорода), сверхтвердые и самовосстанавливающиеся покрытия.

В 2019 г. в Российской Федерации утверждена Федеральная научно-техническая программа развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры на 2019–2027 годы (Программа), в рамках которой предусмотрено создание национальной сети научных центров синхротронных исследований: источника синхротронного излучения четвертого поколения с лазером на свободных электронах – “СИЛА” в Московской области, источника четвертого поколения “СКИФ” в Новосибирской области, источника синхротронного излучения “КИСИ-Курчатов” в Москве (модернизация единственного действующего в Российской Федерации специализированного источника СИ до третьего поколения), источника синхротронного излучения “РИФ” в Дальневосточном регионе на о. Русский.

Создание сетевой мегасайенс-инфраструктуры синхротронных исследований станет логичным развитием и продолжением советских школ реализации крупных научных проектов, берущих свое начало из атомного проекта [17]. Так, многие базовые принципы – основы работы источников СИ – заложены советскими учеными в середине XX века: открытие СИ [18], принцип автофазировки [19], ондуляторное излучение [20], принцип самоусиления спонтанной эмиссии [21] и др.

Флагманский проект Программы – источник СИ четвертого поколения с лазером на свободных электронах “СИЛА” (источник “СИЛА”) – представляет собой многопользовательскую междисциплинарную установку класса “мегасайенс” для исследований по целому ряду направлений физики, химии, кристаллографии, материаловедения, биологии и медицины. В экспериментальном зале источника “СИЛА” будет размещено несколько десятков исследовательских станций и лабораторий.

Разработка источника СИ четвертого поколения проводится в НИЦ “Курчатовский институт” с 2011 г. совместно с ведущими научными центрами мира ESRF (Франция), DESY (Германия) и SPring-8 (Япония). Согласно разработанной концепции источник “СИЛА” будет обладать характеристиками, соответствующими крупнейшим синхротронам мира: периметр основного накопителя более 1100 м, энергия электронов – 6 ГэВ, широкий диапазон энергий СИ – от десятков электронвольт до сотен килоэлектронвольт, высокая яркость и пространственная когерентность. Уникальность и основная сложность проекта заключаются в объединении высокоэнергичного кольцевого источника СИ четвертого поколения и рентгеновского ЛСЭ в единый ускорительно-накопительный комплекс с общей исследовательской инфраструктурой [22, 23].

В настоящей работе представлено описание ускорительно-накопительного (синхротронного) комплекса источника “СИЛА”, включающего в себя линейный ускоритель и кольцевой накопитель.

УСКОРИТЕЛЬНО-НАКОПИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ИСТОЧНИКА “СИЛА”

Синхротронный комплекс источника “СИЛА” разработан для обеспечения генерации пучков СИ высокой яркости и когерентности в широком диапазоне энергий рентгеновской области электромагнитного спектра. Для ондуляторного излучения будут доступны энергии фотонов от 5 до 200 кэВ при яркости 10²¹–10²² ф с^–1 мм^–2 мрад^–1, для излучения из дипольного магнита-излучателя – от 0.1 до 150 кэВ при яркости до 3 × 10¹⁷ ф с^–1 мм^–2 мрад^–1 и до 500 кэВ в режиме вигглерного излучения при яркости 10¹⁸–10¹⁹ ф с^–1 мм^–2 мрад^–1. Проектная пиковая яркость излучения ЛСЭ – 10³³ ф с^–1 мм^–2 мрад^–1 при длительности импульса до 200 фс или менее (в режиме “self-seeding”) [24].

Основные параметры синхротронного комплекса источника “СИЛА” приведены в табл. 1.

Концепцией создания источника “СИЛА” предусмотрено использование линейного ускорителя электронов (ЛУЭ) на энергию 6 ГэВ, одновременно в качестве инжектора на полную энергию (top-up linac) для накопительного кольца синхротрона и драйвера для ЛСЭ.

Достоинствами данной конфигурации являются высокая (95% и более) эффективность инжекции в накопительное кольцо и возможность инжекции пучка с заметно меньшим эмиттансом по сравнению с бустерным кольцевым накопителем. Использование одного общего ускорителя для накопительного кольца и рентгеновского лазера обеспечивает существенное сокращение стоимости и сроков выполнения проекта, позволит интегрировать два современных источника фотонов с различными временными и яркостными характеристиками. Как известно, ЛСЭ обеспечивают рекордные параметры по пиковой яркости при сверхкороткой длительности рентгеновского импульса, в то время как для СИ характерна высокая средняя по времени яркость. Близкими аналогами применяемого подхода являются источник MAX-IV (3 ГэВ), проект модернизации синхротрона SPring-8 II (6 ГэВ), а также лептонный коллайдер Super-KEKB.

Конфигурация установки представлена на рис. 2. Сгусток электронов формируется в форинжекторе, включающем в себя электронную пушку и секции, состоящие из нерегулярных ускоряющих ячеек. На выходе из форинжектора электроны с энергией ~10 МэВ попадают в основную (регулярную) часть линейного ускорителя, где ускоряются до максимальной энергии – 6 ГэВ. Далее электронный сгусток инжектируется в накопительное кольцо или (в промежутках между инжекциями в кольцевой накопитель) подается на одну из групп ондуляторов ЛСЭ. Требования к сгустку электронов для накопительного кольца и ондуляторов рентгеновского лазера существенно различаются, в связи с чем применяются два различных типа источников электронов (электронных пушек) для инжекции в накопительное кольцо и в ондуляторы ЛСЭ.

Рис. 2.

Схема конфигурации с последовательным использованием ЛУЭ в качестве инжектора в накопительное кольцо синхротрона и драйвера для ЛСЭ.

В состав форинжектора для накопительного кольца входят трехэлектродная термоэмиссионная пушка, клистронный предгруппирователь и адиабатический группирователь, включающий в себя несколько нерегулярных ускоряющих ячеек с нарастающей фазовой скоростью волны и амплитудой ускоряющего поля для продольной группировки пучка.

Второй форинжектор (для ЛСЭ) представляет собой классическую 3.5-ячеечную фотопушку с ускоряющей структурой на стоячей волне. Энергия на выходе должна составить ~10 МэВ [25–27]. Рассматриваются различные варианты фотокатода – металлический, полупроводниковый, алмазоподобный.

Ускоряющая структура регулярной части ЛУЭ состоит из 110 секций (длина каждой секции – 2.1 м), работающих на стоячей волне. Питание регулярных секций будет осуществляться независимо для каждой секции с одной задающей системой. Темп ускорения ограничен (400–420 кВ/см) максимальной мощностью клистронов российского производства, не превышающей 25 МВт, что обеспечивает прирост энергии ~50 МэВ на одну регулярную ускоряющую секцию. Предложенная структура обеспечивает эффективную инжекцию – позволяет минимизировать энергетический разброс пучка на выходе ЛУЭ и получить приемлемую величину поперечного эмиттанса, не превышающую нескольких нм рад [28]. Результаты разработок электродинамических макетов ускоряющих структур и численного моделирования динамики пучка представлены в [29].

Магнитные структуры типа “гибридный ахромат” с несколькими поворотными магнитами (HMBA – Hybrid Multi Bend Achromat) в настоящее время относятся к наиболее эффективным и современным решениям, которые применяются при проектировании накопительных колец и синхротронов [9]. Магнитная HBMA-структура позволяет минимизировать эмиттанс циркулирующих электронных пучков и тем самым улучшить “пользовательские” характеристики источника СИ, например яркость и пространственную когерентность. При разработке магнитооптической схемы источника “СИЛА” за основу была взята структура типа H7BA (Hybrid 7 Bend Achromat), предложенная и реализованная для источника СИ ESRF-EBS (Гренобль, Франция) [30], где гибридность достигнута применением диполей с градиентом индукции магнитного поля вдоль орбиты синхротрона и диполей с совмещенной квадрупольной функцией. Такое решение позволило получить пучки электронов в синхротроне ESRF-EBS с горизонтальным эмиттансом 132 пм рад. Расчеты показали, что, используя в качестве базовой магнитной структуры, аналогичной H7BA, ESRF-EBS ввиду отсутствия ограничения на величину периметра накопителя “СИЛА”, можно, уменьшив угол поворота пучка на одном регулярном суперпериоде за счет увеличения числа суперпериодов, добиться снижения равновесного значения горизонтального эмиттанса пучка ε_х до величины 70 пм рад [31]. Так как горизонтальный эмиттанс ε_х пропорционален энергии циркулирующих электронов во второй степени и обратно пропорционален числу суперпериодов в третьей степени, значение эмиттанса 70 пм рад при заданной энергии электронов в накопителе 6 ГэВ достигается при числе суперпериодов, равном 40, и периметре накопителя, близком к 1.1 км.

Главное отличие регулярного суперпериода накопителя “СИЛА” от классического H7BA состоит в изменении его центральной части, а именно, в замене одного протяженного центрального дипольного магнита с квадрупольной функцией на два более коротких, между которыми дополнительно размещается короткий дипольный магнит-излучатель с полем 0.86 Тл, позволяющий получить пучок СИ с расходимостью 1 мрад. Такая модификация магнитной структуры позволяет удвоить число каналов вывода фотонов по отношению к классической H7BA. Рассчитанные оптические функции и магнитная структура регулярного суперпериода представлены на рис. 3 и 4. Оптические функции настроены таким образом, чтобы иметь необходимые значения эмиттанса в местах установки вставных устройств и обеспечивать большое значение динамической апертуры всего накопителя. Из 40 прямолинейных промежутков накопительного кольца источника “СИЛА” длиной ~5.3 м 34 предназначены для установки вставных устройств. Оставшиеся шесть прямолинейных промежутков являются “техническими”: два – для инжекции электронов из линейного ускорителя электронов, три – для размещения ВЧ-резонаторов и один – для размещения диагностического оборудования.

Рис. 3.

Структура регулярного суперпериода источника “СИЛА”, разработанная на основе структуры типа H7BA [31], и его центральная часть с коротким поворотным магнитом в увеличенном масштабе (врезка). Дипольные магниты – DL, квадрупольные магниты – Q, диполь-квадрупольные магниты – DQ, секступольные магниты – S, октупольные магниты – O.

Рис. 4.

Схематический вид периода магнитной структуры основного накопителя установки “СИЛА” (а) и эскизные чертежи отдельных магнитов: диполь-квадрупольного (б), квадрупольного (в), секступольного (г), октупольного (д).

НАУЧНЫЕ ЗАДАЧИ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАНЦИИ НАКОПИТЕЛЬНОГО КОЛЬЦА

В соответствии с разработанной конфигурацией ускорительно-накопительного комплекса “СИЛА” и проведенными расчетами установка будет обладать малым размером источника (порядка σ_xσ_y ~ 6 × 20 мкм), высокой яркостью, высокой степенью когерентности и широким спектром – в диапазоне от умеренного до жесткого и сверхжесткого рентгеновского излучения. На рис. 5 представлены расчетные спектры излучения источника “СИЛА” для различных типов ондуляторов.

Рис. 5.

Яркость излучения, генерируемого вставными устройствами (ондуляторами), параметры которых приведены в табл. 2, и поворотным магнитом-излучателем (ПМ) источника “СИЛА”.

Создание “парка” синхротронных станций предполагается провести в два этапа. Основная задача создания станций первой очереди – широко представить и реализовать уникальные эксперименты, требующие высокой яркости и пространственной когерентности, малых пространственных размеров синхротронного пучка, а также экстремальной фокусировки: когерентная визуализация и дифракция [32], рентгеновская голография [33], серийная кристаллография [34], экстремальные условия [35], фотон-корреляционная спектроскопия [36], нанодифракция [37], фотонная, электронная и ионная спектроскопия [38], поляризационные измерения. Такие эксперименты необходимы для исследования малых и слабоупорядоченных систем, квантовых объектов, изучения тонкой динамики структуры и свойств материалов и устройств в режиме in-operandо [39]. Особое внимание будет уделено разработке систем доставки нано- и микроскопических образцов: в виде жидкой струи, аэрозоля в газовой фазе или в нанокаплях гелия.

Также на первом этапе необходимо обеспечить решение текущих задач российского научного сообщества пользователей СИ, основанных на применении традиционных методов структурной диагностики, – рентгеновской спектроскопии, дифракции и рассеяния. К важным направлениям относятся, например, исследования в области структурной кристаллографии, рентгеновской диагностики поверхности, томографии и визуализации, рентгеновской оптики и рентгеноакустики [40–45].

Во вторую очередь будут создаваться лабораторные комплексы на базе экспериментальных станций, требующих особых условий для образцов, – для исследования опасных патогенов, радиоактивных и химически активных материалов и веществ. Для данных классов образцов предлагается использовать отдельные корпусы на выносных длинных каналах вывода излучения. Также на этом этапе будут создаваться технологические линии, спроектированные совместно с индустриальными партнерами, – специализированные станции, медицинские кабинеты для диагностики и лечения пациентов и многопрофильные станции, создаваемые в рамках работы международных консорциумов.

С учетом сформулированных требований разработан предварительный перечень экспериментальных станций первой очереди для источника “СИЛА” (табл. 3). Данный минимальный набор станций, с одной стороны, удовлетворяет основным потребностям российского сообщества пользователей, а с другой – дает возможность использования уникальных свойств излучения, генерируемого источником четвертого поколения. Каждая экспериментальная станция требует для своего размещения нескольких выделенных помещений – специализированных отсеков (“хатчей”, от английского hutch), окруженных биозащитой, в которых располагаются оптические элементы канала, системы прецизионного позиционирования образца в пучке, измерительная аппаратура.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В Российской Федерации создается не имеющий мировых аналогов источник СИ четвертого поколения с рентгеновским лазером на свободных электронах “СИЛА”, который, несомненно, станет центром концентрации российского и мирового научного потенциала, эффективным инструментом развития критически важных научных направлений – основой создания прорывных технологий.

Обсуждаемые в работе технические решения по созданию ускорительно-накопительного комплекса и конфигурация магнитооптической системы разработаны с целью достижения рекордных для источников СИ с энергией 6 ГэВ параметров по яркости и энергетическому диапазону. Использование линейного ускорителя, работающего на полной энергии, позволит объединить в единой конфигурации, т.е. в единой научной инфраструктуре, ЛСЭ и многопользовательский источник СИ, что значительно расширит их исследовательские возможности.

Экспериментальный “парк” источника “СИЛА” будет включать в себя десятки научных станций мультидисциплинарного назначения: исследовательские, метрологические и медицинские станции, научные лаборатории, станции ЛСЭ, линии контроля технологических операций. За счет уникальных характеристик генерируемого излучения и большого числа экспериментальных станций источник “СИЛА” должен обеспечить исследовательские потребности научных и научно-производственных организаций всей России на десятки лет вперед. Для образовательных организаций откроются новые возможности по обучению, стажировке и подготовке специалистов широкого круга современных научных и инженерных специальностей. Также вузы получат возможность создавать и эксплуатировать выделенные для их нужд станции.

Участие Российской Федерации в международных проектах “мегасайенс”, реализуемых за рубежом, таких как XFEL (Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах, г. Гамбург, Германия) и ESRF (Европейский центр синхротронных исследований, г. Гренобль, Франция), позволило приобрести уникальные компетенции и опыт, сформировать необходимый научно-технический и кадровый задел, получить доступ к определенным технологиям и техническим решениям, которые также послужили основой для разработки настоящего проекта.

Авторы выражают благодарность С.М. Полозову, В.С. Дюбкову, М.А. Лалаяну и другим сотрудникам каф. электрофизических установок НИЯУ МИФИ, выполняющим большую работу по технической реализации проекта – расчеты линейного ускорителя, расчет динамических параметров магнитной структуры и магнитостатические расчеты, расчет ВЧ-систем. Партнерство с НИЯУ МИФИ при реализации проекта “СИЛА” – важный элемент успеха всего проекта.