Ученые Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) разработали и изготовили для Технологического института Карлсруэ (Karlsruher Institut für Technologie, KIT, Германия) и ЦЕРН (European Organization for Nuclear Research, CERN, Швейцария) уникальный сверхпроводящий вигглер — устройство, предназначенное для генерации синхротронного излучения. Его уникальность — в использовании нового, более практичного способа охлаждения — без погружения магнита в жидкий гелий. Сейчас новосибирская разработка, стоимость которой составляет около 1 миллиона евро, установлена на ускорительном комплексе ANKA в Германии. Здесь с ее помощью будут проводиться эксперименты с биологическими объектами, а для исследователей из ЦЕРН вигглер станет испытательным полигоном по отработке технологий для разрабатываемого линейного коллайдера CLIC.

Сотрудники ИЯФ СО РАН производят финальную...

Сотрудники ИЯФ СО РАН производят финальную сборку вигглера после доставки в г. Карслруэ, Германия. Автор фото Аксель Бернхард

Вигглер — устройство для генерации синхротронного излучения (СИ), то есть излучения, производимого электронами при движении в магнитном поле. Принцип работы вигглера основан на создании на пути частицы знакопеременного магнитного поля, которое формирует зигзагообразную траекторию движения электронов. Двигаясь «змейкой», электроны излучают СИ. Использование в вигглерах сверхпроводящих электромагнитов позволяет избежать потерь на нагрев обмоток электрическим током. Кроме того, за счет сверхпроводимости можно получать существенно более высокие магнитные поля, чем в обычных магнитных системах, а, следовательно, и более интенсивное СИ.

В качестве сверхпроводящего материала при создании вигглера используется ниобий — титановый сплав, который при охлаждении до криогенных температур — порядка нескольких градусов Кельвина, переходит в сверхпроводящее состояние. Поэтому обычно для получения и поддержания необходимой температуры сверхпроводящие магниты погружаются в сосуд с жидким гелием. Сотрудники ИЯФ СО РАН реализовали принципиально новую систему охлаждения.

Установка вигглера на накопитель ANKA. Авт...

Установка вигглера на накопитель ANKA. Автор фото Аксель Бернхард

«Представьте, — объясняет кандидат технических наук, старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Виталий Аркадьевич Шкаруба, — в помещении комнатная температура, а внутри установки она должна быть примерно на 300 градусов меньше, то есть 4 Кельвина (– 269 C). Для теплоизоляции магнита используется специальное устройство — криостат, в который обычно заливается жидкий гелий, чтобы поддерживать низкую температуру. Если внутри такого криостата что-то сломалось, приходится полностью разрезать герметичный сосуд, доставать магнит, а затем опять использовать сварку. Мы же сделали вигглер с криостатом нового типа, в котором магнит не погружен в жидкий гелий. Охлаждение производится специальными криорефрежираторами через систему тепловых контактов. В нашем случае нужно просто нажать кнопку, и через несколько дней магнит, охладившись до нужной температуры, сможет работать в этом режиме годами».

Руководитель Лаборатории технологий сверхпроводящих ондуляторов Технологического института Карлсруэ Аксель Бернхард (Dr. Axel Bernhard) сообщил, что вигглер будет использоваться в качестве источника излучения для рентгеноскопического канала на источнике СИ ANKA. «Он обеспечит яркие жесткие рентгеновские лучи для микроскопа MiQA, который будет применяться в материаловедении и науках о жизни», — пояснил Аксель Бернхард.

Вигглеры могут использоваться не только как генераторы СИ для фундаментальных и прикладных исследований в химии, биологии, материаловедении. Их применяют в накопителях заряженных частиц для уменьшения размеров и повышения интенсивности сгустков. Новая разработка ИЯФ СО РАН станет прототипом вигглера для затухательных колец разрабатываемого в ЦЕРН линейного коллайдера CLIC. Прежде чем принять решение о строительстве нового масштабного ускорителя, который по своим размерам будет превосходить Большой адронный коллайдер, специалисты ЦЕРН отрабатывают необходимые критические технологии.

Коллектив заказчиков и исполнителей. Автор...

Коллектив заказчиков и исполнителей. Автор фото Аксель Бернхард

«Таких вигглеров, — комментирует кандидат физико-математических наук, заведующий научно-исследовательским сектором ИЯФ СО РАН Константин Владимирович Золотарев, — в проектируемом ускорительном комплексе должно быть около сотни. Прежде чем запускать пучки электронов и позитронов в сам линейный ускоритель, нужно сжать их, увеличив плотность. Подготовка таких пучков осуществляется в специальных затухательных кольцах. Каждое из них состоит из двух полуколец, между которыми находятся длинные прямолинейные промежутки с вигглерами. Проходя через них, отдельные частицы сгустка излучают, уменьшается их поперечный импульс и фазовый объем сгустка, и увеличивается плотность пучка. Делать вигглеры по обычной схеме в данном случае было бы очень ненадежно, а новая конструкция криостата обеспечивает возможность быстрого доступа к элементам магнитной системы, позволяет сократить время ремонтных работ и технического обслуживания. Кроме того, ЦЕРН планирует испытать в нашем криостате другие варианты магнитных систем».

Европейские ученые уже приступили к работе с вигглером. «Мы начали с базовых экспериментов по проверке работоспособности и надежности всей системы, — комментирует Аксель Бернхард, — в частности, криогенной. В затухательных кольцах CLIC будет напряженный режим работы для сверхпроводящих магнитов. В наших первых тестах вигглер оказался очень надежным. В настоящее время мы готовимся к экспериментам по изучению влияния вигглера на динамику пучков в накопителе ANKA. Рентгеновский микроскоп планируем ввести в эксплуатацию во второй половине 2016 года».