Центр коллективного пользования "Сибирский кольцевой источник фотонов" (ЦКП "СКИФ") — уникальная научная установка класса мегасайенс. Ее создание предусмотрено нацпроектом "Наука", и завершить эту работу планируется до 2023 года. Источник синхротронного излучения в Новосибирске позволит на десятилетия обеспечить современной инфраструктурой специалистов в материаловедении, биологии, медицине и многих других областях.
В начале августа правительство РФ распорядилось выделить на изготовление оборудования для СКИФа в 2020 году более 774 млн рублей. Как новосибирские физики готовятся к производству и получению необходимых устройств — в материале портала "Будущее России. Национальные проекты".
Уникальное оборудование
По некоторым параметрам у сибирского синхротрона не будет аналогов в мире. Однако, по признанию самих ученых, для создания уникального объекта требуется не менее уникальное оборудование, и изготовить его способны специалисты Института ядерной физики имени Г.И. Будкера (ИЯФ) Сибирского отделения РАН.
"Для того чтобы СКИФ был изготовлен в установленные сроки, надо начать производство оборудования длительного цикла изготовления уже в этом году", — говорил в беседе с журналистами в Новосибирске министр науки и высшего образования РФ Валерий Фальков.
Уложиться в поставленные сроки специалистам ИЯФ поможет накопленный опыт работы над другими мегасайенс-проектами. Как пояснил руководитель проектного офиса ЦКП "СКИФ" Евгений Левичев, сотрудники института уже изготавливали похожее оборудование для ускорительных и синхротронных центров Австралии, Германии, Китая, США, Франции и Японии.
"Если говорить об изготовлении инжектора, отчасти нам помогут предыдущие наработки института. Например, конструкторская документация, сохранившаяся после выполнения работ для синхротрона NSLS, расположенного в США, позволит избежать некоторых рутинных этапов. Таким образом, мы можем себе позволить изготовить сложное оборудование в сжатые сроки", — сказал Левичев.
Однако, как отметил заместитель руководителя проектного офиса ЦКП "СКИФ" Яков Ракшун, для экспериментальных станций, таких как сибирский синхротрон, оборудование производится не так, как в промышленности. Часто за опытными образцами следует не большая стандартная серия, а штучное производство на базе новых идей. Только так, по словам Ракшуна, можно создать передовую установку.
Передовые разработки из Сибири
Институт ядерной физики занимается разработкой и изготовлением сверхпроводящих магнитов с 1979 года. По словам Левичева, институт практически единственный в мире производит вигглеры и ондуляторы — устройства для генерации синхротронного излучения в ускорителе, работающие с помощью магнитов. Почти во всех современных источниках синхротронного излучения установлены созданные специалистами ИЯФ сверхпроводящие вставные устройства.
Первый в мире многополюсный сверхпроводящий вигглер был сделан в ИЯФ и назывался "змейкой". Это объясняется тем, что орбита внутри него была извилистая. Вигглер состоит из сверхпроводящих магнитов, которые и являются генераторами излучения при прохождении пучка электронов через них. Мощность излучения всех магнитов суммируется, что значительно повышает интенсивность излучения и его яркость — ключевые характеристики для таких установок.
Институт изготовил более 20 таких устройств, и эта работа продолжается: сверхпроводящий ондулятор готовится к отправке в Великобританию, разрабатываются сверхпроводящие вигглеры для научных центров Польши и Австралии.
"В первую очередь для СКИФа мы изготовим два вигглера и четыре ондулятора. Но пользователи наших будущих станций, зная, что мы делаем лучшее в мире оборудование, просят нас реализовать различные экспериментальные форматы. Например, установить два сверхпроводящих ондулятора с эллиптической поляризацией излучения один за другим с возможностью быстрого переключения поляризации, чего никто раньше не делал", — рассказал советник дирекции ИЯФ Николай Мезенцев.
И вигглер, и ондулятор изготавливаются в течение полутора лет, но в случае со СКИФом ученые надеются выполнить работу быстрее. Одним из главных компонентов сверхпроводящих магнитов является сверхпроводящий провод. Такие провода для ИЯФ изготавливает Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара в Москве.
"Больше никто в мире не делает сверхпроводящих проводов с такими параметрами. Даже если бы Oxford Instruments производила для нас свои стандартные провода, мы, может, и не достигли бы таких успехов, как с нашими отечественными, изготовленными в "Бочваре", — отмечает Мезенцев.
Ондуляторы и вигглеры — вставные устройства, которые можно менять, не нарушая работы ускорителя. Поэтому при необходимости ученые смогут легко модернизировать установку и улучшить ее параметры.
Рождение пучка
Основные работы по созданию оборудования будут проводиться на экспериментальном производстве ИЯФ. Оно базируется на трех разных площадках и в общей сложности занимает около 60 тыс. кв. м, где работают 700 человек. Здесь производят электромагнитные и электровакуумные изделия для ускорительной физики.
Цехи экспериментального производства выглядят так же, как на обычном заводе: высокие потолки, мостовые краны, тяжелые станки. Ничто здесь не выдает площадку, где будут изготавливать лучшее в мире оборудование для передового источника синхротронного излучения. А между тем некоторые станки здесь — штучный товар, которого больше нет в России.
Сотрудники экспериментального производства ожидают, что в процессе работ по созданию ЦКП "СКИФ" удастся обновить станочный парк. Начальник цеха Алексей Волченко признался, что часть оборудования сохранилась здесь еще с советских времен.
"Оно, конечно, свою задачу выполняет, и качественно, но на современных станках мы могли бы все делать гораздо быстрее", — уверен он.
Работы по изготовлению оборудования для СКИФа здесь уже начались: начато производство элементов, предназначенных для формирования пучка. Заведующий лабораторией ИЯФ Алексей Левичев объясняет, что источник электронов играет важную роль при создании синхротрона.
"Самый простой источник электронов — спираль лампочки накаливания. При нагреве спирали вокруг нее образуются свободные электроны, которые при наличии электрического поля можно ускорить", — уточнил он.
Однако на СКИФе будет использован оксидный катод — "таблетка", формирующая электроны по принципу той же самой лампочки. Катод нагревается, за счет чего приобретается энергия для высвобождения электронов, которые ускоряются в электрических полях специальных структур на основе диафрагмированных волноводов.
Далее электроны накапливаются в кольце накопителя и поступают в сам синхротрон для получения в нем синхротронного излучения. Для правильной работы всей установки важно, чтобы ускоряющая структура, в которой частицы будут получать начальное ускорение, имела низкое электрическое сопротивление и не допускала потерь частиц в стенках структуры.
В противном случае поверхность структуры может разрушаться, появятся пробои, что не только остановит процесс ускорения, но и будет представлять опасность для людей из-за увеличения радиационного фона.
Сами ускоряющие структуры, суммарная длина которых составляет примерно 20 м, изготавливаются из небольших медных чашек, спаянных друг с другом. Внутри структуры эти чашки обрабатываются алмазным точением, благодаря чему выглядят почти как зеркало.
"Очень важно качество пайки, оно должно обеспечить точность изготовления на уровне 50 мкр (0,05 мм. — Прим. ред.), при этом нигде не должен выйти наружу припой. Только тогда можно обеспечить качественную и требуемую работу ускорителя", — отметил Алексей Левичев.
Фрагменты будущего синхротрона ожидают своего часа на полках и стеллажах. Сразу после поступления финансирования здесь начнется полномасштабная работа.
Комментарии
Как понимаю, один из ключевых элементов этого проекта, без которого нужный режим работы с такими энергиями невозможен, это сверх проводящие ондуляторы, и они только в проектировании, их ещё в мире никто не смог довести до ума, попытки были, так и никто не смог преодолеть технические трудности при их создании. Косвенное знакомство с трудностями при таком мега проекте, видится мне, что его финансирование таки предельно бедненькое.
Да и подобные проекты в мире никогда так сверх быстро не делались, а финансирование их было не в пример значительней.
Синхротронный пучок позволяет получать качественное излучение в мягком рентгене что даст возможность производить при ОДНОЙ экспозиции слой с разрешением порядка 1-3нм при несколкьих до 0,5нм, т.е. фактически первые размеры атомов. Пичём ввиду проницаемости можно иметь специализированные однородные вычсреды, хоторые хотя и будут уступать вычислениям на континууме но всё же позволят иметь приличную периферию для таких мощных вычислителей.