Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2020, № 7, стр. 3-7

ВВЕДЕНИЕ

Синхротронное излучение (СИ) широко используется для научных исследований и разработок. [1–3]. В настоящее время в мире действует более полусотни источников СИ. Из них около двадцати являются источниками СИ третьего поколения. Недавно в Швеции был запущен источник СИ 4-го поколения MAX-IV. Идет создание источника СИ 4-го поколения SIRIUS в Бразилии и ведутся работы по модернизации до 4-го поколения существующего источника СИ ESRF во Франции. Сейчас на многих других источниках СИ в мире готовятся проекты по модернизации. В России обсуждается проект строительства трех источников СИ 4-го поколения: один на 6 ГэВ в Протвино и два источника СИ на 3 ГэВ в Новосибирске и Владивостоке.

Для современного источника СИ требуeтся надежный инжекционный комплекс, снабжающий пучками электронов основное кольцо. В данной работе предлагается создать инжекционный комплекс на основе линейного ускорителя на 200 МэВ и бустерного синхротрона на полную энергию.

ТРЕБОВАНИЯ К ИНЖЕКЦИОННОЙ СИСТЕМЕ

Накопитель электронов будет снабжаться сгустками электронов из инжекционного комплекса, состоящего из линейного ускорителя (далее линак) на 200 МэВ и бустерного синхротрона (далее бустер), разгоняющий сгустки электронов с 200 МэВ до 3 ГэВ. Бустер предлагается создать на подобии бустера, который недавно был спроектирован и изготовлен ИЯФ для источника СИ NSLS-II в Брукхейвенской национальной лаборатории (США) [4]. Линак на 200 МэВ будет создан на основе разработок и технологий ИЯФ, примененных недавно при создании инжекционного комплекса ВЭПП-5, который включает в себя два линака (один на 300 МэВ, а другой на 500 МэВ).

Такой инжекционный комплекс полностью удовлетворит потребность накопительного кольца в сгустках электронов, а имеющиеся разработки и технологии позволят создать и запустить источник СИ СКИФ 4-го поколения в течение пяти лет.

Инжекционный комплекс состоит из:

а) линейного ускорителя на 200 МэВ;

б) транспортного канала из линейного ускорителя в бустер;

в) бустера на полную энергию;

г) транспортного канала из бустера в накопитель электронов.

Основные параметры инжекционного комплекса приведены в табл. 1.

ЛИНЕЙНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ

Линейный ускоритель предназначен для формирования последовательности сгустков электронов требуемой интенсивности и требуемой модуляции с энергией 200 МэВ. Требования на интенсивность и модуляцию зависят от того, в каких режимах и в каких модах будет работать накопитель электронов.

Пользователям источника СИ СКИФ для своих исследований могут потребоваться различные моды заполнения накопителя электронов сгустками. Основной модой на современных источниках СИ является заполнение всех возможных сепаратрис накопителя электронов. В случае СКИФ в основной моде в накопителе электронов будут вращаться 255 сгустков электронов через 5.6 нс. Однако, в зависимости от задач, стоящих перед исследователями, использующими СИ, могут потребоваться и другие моды [5].

Чтобы иметь возможность предоставить пользователям любую моду требуется, чтобы линак мог выдавать последовательность сгустков с заданным распределением заряда в каждом сгустке. Основные параметры проектируемого линака приведены в табл. 2.

Для выполнения требований, предъявляемых к линаку, предлагается создать линак по схеме, показанной на рис. 1.

Рис. 1.

Схема линейного ускорителя на 200 МэВ: 1 – СВЧ-пушка, 2 – группирователь третьей гармоники, 3 – соленоиды, 4 – предускоритель-группирователь, 5 – регулярная ускоряющая структура, 6 – клистрон 50 МВт, 7 – дублет квадрупольных линз.

Основные элементы и их краткие описания приводятся в табл. 3.

Источник электронов предполагается сконструировать на основе СВЧ-резонатора с сеточно-управляемым термокатодом. В этом случае возможно обеспечить модуляцию тока инжекции с частотой около 178.5 МГц, используя резонатор на данную частоту, так же как это было реализовано на лазере на свободных электронах в Новосибирске [6].

Предускоритель-группирователь, разработанный в ИЯФ СО РАН совместно с Институтом химической кинетики и горения СО РАН [7], в качестве одного из вариантов предлагается выполнить на основе ускоряющей структуры с параллельной связью с частотой 2856 МГц.

Основное ускорение до 200 МэВ будет происходить в ускоряющих структурах, созданых на основе диафрагмированного волновода. Такие ускоряющие структуры, работающие в режиме бегущей волны с постоянным импедансом, были давно разработаны в ИЯФ СО РАН и успешно используются на инжекционном комплексе ВЭПП-5 [8]. Предполагается использовать секции длиной 3 метра с модой колебания 2π/3 и клистроны в качестве источников СВЧ-мощности.

БУСТЕРНЫЙ СИНХРОТРОН

Бустерный синхротрон (далее бустер) предназначен для ускорения пучка электронов до проектной энергии накопителя электронов (3 ГэВ).

Бустер планируется создать, используя опыт, полученный в ИЯФ [9]. В 2010 г. в результате победы в открытом международном тендере ИЯФ СО РАН получил контракт на проектирование, изготовление и запуск под ключ бустерного синхротрона для источника СИ NSLS-II в Брукхейвенской национальной лаборатории (США). Контракт на создание бустера под ключ включал: магнито-вакуумную систему, циклические источники питания, участки впуска и выпуска вместе с импульсными источниками питания, всю диагностику и управление, интегрированное в управление всего источника СИ NSLS-II. Основные параметры бустера NSLS-II приведены в табл. 4.

Подобный бустер будет наилучшим образом отвечать требованиям проекта СКИФ и потребует минимальных корректировок на этапе проектирования. Это позволит приступить к его производству на раннем этапе, высвободив разработчиков и конструкторов для работы с другими частями комплекса СКИФ. Что позволит создать СКИФ в сжатые сроки (5 лет), в отличие от других источников СИ в мире, которые, как правило, изготавливаются за 7−10 лет. Изменения коснутся только ВЧ-резонаторов, которые должны работать на той же частоте, что и резонаторы накопителя электронов. ВЧ-система накопителя СКИФ предполагается создать для работы на частоте 357 МГц, в отличие от частоты 500 МГц, используемой на NSLS-II. Магнитная система, циклические и импульсные источники питания, диагностика, управление остаются полностью без изменений. Вакуумная система тоже останется без изменений, за исключением небольших удлинений на 7 см прямолинейных промежутков бустера. Это требуется, чтобы согласовать периметр бустера с кратностью длины волны, применяемого ВЧ. При ВЧ, равной 357 МГц, периметр бустера вместит 189 сепартрис ВЧ и составит 158.7 метра в отличие от бустера NSLS-II, имеющего периметр 158.4 м.

Частота работы бустера около 1 Гц. Но бустер был спроектирован с возможностью модернизации до 2 Гц (при необходимости).

В проектировании бустера NSLS-II принимали участие 30 конструкторов. K разработкe и созданию отдельных штучных узлов ускорителя было привлечено более 50 научных сотрудников и инженеров ИЯФ. Работа 30 конструкторов была интегрирована в единую модель (рис. 2). В создании ускорителя принимали участие российские и европейские субподрядчики, но большая часть ускорителя была выполнена на базе экспериментального производствa ИЯФ. В феврале 2014 г. бустер был успешно запущен, сдан заказчику и надежно работает по сей день [10].

Рис. 2.

3Д-модель инжекционного комплекса: 1 – бустерный синхротрон периметром 158 м, 2 – увеличенный участок выпуска пучка из бустера, 3 – один из 24 квадрупольных магнитов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для проектируемого источника СИ СКИФ предлагается использовать инжекционную систему, основанную на линейном ускорителе (200 МэВ) и бустерном синхротроне на полную энергию. Данное решение полностью обеспечит источник СИ пучками электронов нужного качества. А имеющийся в ИЯФ СО РАН опыт по участию в создании различных мировых источников СИ гарантируeт создание в сжатые сроки инжекционного комплекса.