Как устроен инжектор СКИФ: путь электронов к 3 ГэВ

Пучок достиг рабочей энергии

Инжекционный комплекс «Сибирского кольцевого источника фотонов» под Новосибирском подготовил электронный пучок с проектной энергией 3 ГэВ. К 02.12.2025 частицы устойчиво обращались в бустерном кольце, а диагностические датчики подтвердили соответствие параметров проекту. Директор центра, академик РАН Евгений Левичев, связывал следующий этап с переводом пучка в транспортный канал между бустером и накопителем. Поступление электронов в основное кольцо он ожидал к концу 2025 года. Для ускорения потребовались специальные режимы изменения тока во всех магнитных элементах бустера по рассчитанному алгоритму.

Инжектор готовит частицы для накопительного кольца: линейный ускоритель сначала формирует электронный пучок, а бустер повышает его энергию. Уже в накопителе электроны должны создавать синхротронное излучение при прохождении поворотных магнитов, вигглеров и ондуляторов. У СКИФ в России эти ступени соединены каналами транспортировки. Декабрьский результат относился к инжекционному комплексу; перевод пучка в накопитель оставался следующим заявленным действием.

Линейный ускоритель и первый транспортный канал

К 08.02.2025 линейный ускоритель достиг энергии 200 МэВ. Пучок прошел по каналу в вакуумную камеру бустера и был зарегистрирован его люминофорным датчиком. На этой ступени электроны рождаются в источнике, собираются в сгустки и получают первоначальную энергию. Институт ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН, изготовивший оборудование, завершил получение проектных характеристик линака по энергии, току и структуре тока в импульсе. Запуск линака и достижение этих параметров заняли около двух месяцев, по оценке института.

Канал между линаком и бустером имеет длину около 20 метров и соединяет два отдельных зала. В его состав входят четыре дипольных магнита, девять квадрупольных линз, корректирующие устройства и люминофорные датчики. Квадрупольные линзы фокусируют пучок, а датчики позволяют проследить его прохождение. В февральском плане циркуляцию в бустере ожидали в марте, ускорение до 3 ГэВ и выпуск — в мае 2025 года. Само подтвержденное февральское достижение заключалось в работе линейного ускорителя и доставке его пучка в бустер, после чего начиналась настройка кольцевой ступени.

Первые обороты в мае

К 23.05.2025 электроны совершили в бустерном синхротроне два полных оборота. Излучение, испущенное при прохождении поворотных магнитов, использовалось для измерения формы, размеров и интенсивности пучка. Евгений Левичев отмечал согласованную работу сотен систем установки с периметром почти 159 метров: соединения, настройки и калибровки позволили перейти к получению проектной энергии. Майский этап фиксировал первые обороты; устойчивую циркуляцию на энергии 3 ГэВ подтвердили в декабре. Обе вехи относятся к одному бустеру, но характеризуют разные стадии его запуска.

Испытательный линак до переноса на площадку

Отработка начальной части ускорителя проходила на стенде Линак-20 в ИЯФ. Мария Арсентьева представила результаты этих работ на конференции RuPAC 13.09.2023. Испытательная конфигурация включала электронную пушку, группирующий резонатор, предускоритель и одну регулярную ускоряющую структуру. Полная версия линака должна была получить пять таких структур. Подготовка помещения для стенда началась в конце 2021 года, первый пучок из пушки был получен в октябре 2022 года, а работа с ускоренным пучком — в феврале 2023 года. Каждая из этих дат обозначает отдельную ступень испытаний.

Первый пучок после регулярной ускоряющей структуры появился 13.02.2023. На следующий день измерили энергию 20 МэВ, а 20.02.2023 — 30 МэВ при токопрохождении 70%. К 06.06.2023 на стенде получили полное токопрохождение, энергию 34 МэВ и заряд более 0,3 нКл в сгруппированном пучке при мощности клистрона 20 МВт. При этом измерения эмиттанса еще требовали уточнения: разные способы регистрации давали несовпадающие значения. Дальнейшие задачи включали повышение высокочастотной мощности и работу в многосгустковом режиме. Эти результаты характеризовали стенд с одной структурой, предшествовавший полному линаку на 200 МэВ.

Управление электронной пушкой

Высокочастотная пушка формирует исходный электронный пучок линака. В ее резонаторе на частоте 178,5 МГц расположен катодно-сеточный узел: электроны выходят при подаче отпирающего импульса. Аппаратная система управления, представленная Антоном Павленко на RuPAC в сентябре 2023 года, объединяла несколько специализированных устройств. Модуль точной синхронизации и запуска задавал момент работы модулятора, сам модулятор управлял катодно-сеточным узлом, регулируемый источник питания обслуживал этот узел и модулятор. Отдельный фазометр измерял взаимное положение сигналов с пикосекундной точностью.

Программные инструменты на платформе «Танго» (TANGO) задавали режимы катодно-сеточного узла и модулятора, измеряли их параметры и регулировали фазу отпирающих импульсов катода. Они также обеспечивали обмен с фазометром и подготовку данных, определяющих заполнение сепаратрис бустера. Управление пушкой тем самым включало одновременно настройку электрического режима и выбор времени появления электронов. Аппаратные блоки и программное обеспечение были представлены как связанные части этой системы; фазовые измерения относились именно к сигналам пушки и ее устройств.

Измерения на выходе источника электронов

В первых экспериментах с пушкой исследовались энергия, энергетический разброс, заряд, поперечные размеры и длительность сгустков. В работе Сяочао Ма и соавторов 2023 года энергия определялась по смещению пучка на люминофорном экране под действием магнитного корректора. Экспериментальное значение составляло 0,6 ± 0,03 МэВ. Магнитный спектрометр тогда использовали для энергетического разброса: корректно определить энергию этим прибором мешала неопределенность координаты и угла входа частиц. Полученный разброс составлял 35 ± 7 кэВ, а погрешность зависела от ширины входной щели коллиматора.

Заряд сгустка измеряли цилиндром Фарадея, численно интегрируя зарегистрированный сигнал. Люминофорные экраны показывали поперечный профиль, а нанесенная на них координатная сетка обеспечивала пространственную калибровку. Радиационный датчик рядом с вакуумной камерой регистрировал потери электронов на деталях пушки. Для продольного профиля применялись кварцевая пластина, создающая черенковский свет, и стрик-камера. В этой серии опытов временное разрешение составляло 8,5 пикосекунды и ограничивалось размером изображения на фотокатоде. Дальнейшей задачей после получения параметров пушки оставалась настройка первой очереди линейного ускорителя.

Магнитные линзы сохраняют траекторию

Фокусировка в линейном ускорителе разделена между двумя типами магнитной оптики. В начальной части применяются аксиально-симметричные линзы, а после набора энергии — квадрупольные. Пять соленоидальных линз работают между пушкой и предускорителем-группирователем; сам группирователь помещен в сильный бронированный соленоид. Согласующий соленоид фокусирует расходящийся пучок перед первой регулярной структурой. В исследовании Вадима Павлюченко и соавторов, опубликованном в 2024 году, эти элементы проходили моделирование и магнитные измерения перед испытаниями на стенде линака.

Для коррекции орбиты разработаны рамочные и М-образные электромагниты. В низкоэнергетической части даже ошибки установки линз и магнитное поле Земли могут заметно отклонять электроны. Рамочные корректоры получили катушки с переменным шагом намотки для улучшения однородности поля. В более высокоэнергетической части используются пары М-образных корректоров, повернутых друг относительно друга на 90 градусов. Соленоид предускорителя имеет две независимые обмотки для изменения распределения поля вдоль оси. Симметричные отверстия в стальной броне компенсируют поперечные компоненты поля, возникающие из-за выводов проводов. Изготовленные элементы были испытаны с пучком на стенде.

Кольцевая ступень и ее магнитная структура

Бустер СКИФ спроектирован с четырьмя суперпериодами. В каждом предусмотрены стандартные ячейки и согласующие секции; отдельные участки кольца заняты впуском, выпуском, высокочастотными резонаторами и диагностикой. Диполи с комбинированными функциями обеспечивают поворот и дополнительные компоненты магнитного поля. В проектной структуре они участвуют в компенсации естественного хроматизма. Квадруполи используются при настройке бетатронных частот во время ускорения, а секступоли — для коррекции динамических эффектов и нелинейностей. Эта структура была представлена Сергеем Синяткиным на RuPAC в сентябре 2023 года.

В составе магнитной системы были предусмотрены 60 диполей двух семейств, 24 квадруполя, 16 секступолей и горизонтальные и вертикальные корректоры. По состоянию на конференционное выступление производство и тестирование магнитной системы были завершены. Для установки изготовили 41 гирдер; 36 сборок были собраны, 28 находились на хранении. Арочные сборки проходили тестирование, геодезическую выставку и упаковку. Значения энергии и токов в этой документации характеризовали проектные режимы и испытания оборудования. Сборка магнитных элементов и получение циркулирующего электронного пучка относятся к разным этапам создания бустера.

Высокочастотная мощность для ускорения

Высокочастотная система бустера включает резонаторы, мощные усилители и управление. Один усилитель рассчитан на выходную мощность 50 кВт, подаваемую в резонатор. Общий задающий генератор определяет частоту работы комплекса, а малосигнальная электроника формирует синхронизированные сигналы для линака, бустера и накопителя. После усиления эти сигналы поступают в ускоряющие резонаторы. Российский производитель с опытом телевизионной техники разработал для СКИФ специализированное устройство по техническому заданию ИЯФ. Его конструкция учитывает работу с ускорительным резонатором и централизованное охлаждение комплекса.

К 21.05.2024 устройство прошло первый этап испытаний с эквивалентной нагрузкой — мощным водоохлаждаемым резистором. В схему включили циркулятор, а охлаждение приспособили к общей системе деионизированной воды. Следующий этап предусматривал совместную работу с резонатором: часть мощности нагревает его стенки, остальная должна передаваться пучку. Проверка без пучка позволяла определить потери в стенках. При высокочастотной тренировке также устраняются микроскопические выступы на внутренней поверхности резонатора. Испытания усилителя предшествовали работе собранного бустера с электронами.

Источники тока и запасенная энергия

Система питания магнитов инжектора включает около 70 источников постоянного тока, три генератора импульсного тока и около 100 источников переменного тока. Все эти устройства разработаны и произведены ИЯФ. Импульсные генераторы обслуживают впускные, выпускные и бамп-магниты. Их высокоточные части расположены рядом с магнитами на балке бустера, тогда как зарядные источники, контроллеры и измерительная электроника вынесены в зону обслуживания. Такое размещение относится к магнитам с малой индуктивностью обмотки и большими пиковыми токами, описанным в исследовании Олега Беликова и соавторов 2025 года.

Дипольные и квадрупольные магниты одного типа соединяются последовательно и получают ток от общего источника; секступоли и корректоры питаются индивидуально. Источники переменного тока используют мостовой инвертор и емкостную батарею. Энергия возвращается из магнитов в эту батарею, а первичный преобразователь работает как зарядное устройство. Схема обеспечивает более равномерное потребление энергии из сети. Для семейства диполей BR-BD запасенная в магнитах энергия составляет около 100 кДж. При ускорении ток в корректорах изменяется по особому профилю, учитывающему искажения орбиты из-за насыщения магнитопровода диполей. Система питания инжектора описана отдельно от оборудования основного накопителя.

Индивидуальная коррекция пучка

Для корректирующих электромагнитов инжекционного комплекса созданы источники PA-3, MPS-6 и MPS-20 с выходными токами до ±3, ±6 и ±20 А соответственно. Их удаленное управление работает через сеть Ethernet. Устройства PA-3 и MPS-6 размещаются в восьмиканальных крейтах и получают команды от внешних контроллеров. Одноканальный MPS-20 имеет собственный встроенный контроллер. Исполнение следует стандарту «Евромеханика», а блоки размещаются в стоечных шкафах. Эти источники предназначены для индивидуального питания элементов, корректирующих параметры электронного пучка в разных частях инжектора.

Ток регулируется широтно-импульсной модуляцией напряжения транзисторного моста, после которого фильтр подавляет основную частоту преобразования и ее гармоники. Два бесконтактных датчика Холла независимо измеряют выходной ток: один участвует в регулировании, второй обслуживает мониторинг. Испытания прототипов проводились на специализированных стендах с внешним прецизионным датчиком. Проверялись шумы и изменение выходного тока в течение 24 часов. К моменту подготовки работы, опубликованной в томе журнала за 2023 год, необходимое количество устройств было произведено, налажено и испытано в лаборатории. Оборудование ожидало последующей эксплуатации с пучком.

Согласованная работа распределенных контроллеров

Для всего ускорительного комплекса, включая накопитель, в марте 2025 года были изготовлены 2550 источников питания 16 типов. Каждому предназначался отдельный контроллер, задающий ток, отслеживающий выполнение задания и передающий состояние устройства в распределенную систему управления. Контроллеры объединяются сетью Ethernet и имеют модульную конструкцию. Встроенная система «Линукс» (Linux) позволяет использовать существующее программное обеспечение и создавать новые программы. Модульность дает возможность приспосабливать электронику к разным источникам питания, сохраняя общий способ взаимодействия с системой управления.

Встраиваемый контроллер MPSC использует внешние синхросигналы 10 кГц и 1 Гц. Первый задает ритм измерений и отработки цифровых преобразователей, второй определяет циклы передачи массивов данных и начало выполнения заранее записанного задания. Программа внутри контроллера сравнивает измерения с заданием и сообщает управляющим приложениям о недопустимых отклонениях. Локальная обработка также включает усреднение и частотный анализ пульсаций. К подготовке исследования 2025 года были изготовлены и настроены 450 контроллеров этого типа; встроенное программное обеспечение отлаживалось при запуске инжекционного комплекса. Эти контроллеры составляют одну часть общей системы управления СКИФ.

Диагностика энергии, профиля и заряда

Диагностический комплекс линака объединяет несколько взаимодополняющих методов. В экспериментах, представленных Олегом Мешковым и соавторами на IBIC в 2024 году, применялся стенд с одной ускоряющей структурой. Магнитный спектрометр калибровали по измеренному датчиками Холла трехмерному распределению магнитного поля. Он работал в диапазоне энергий от 0,5 до 50 МэВ: ограниченный коллиматором пучок отклонялся и попадал на один из люминофорных экранов внутри магнита. Цифровая камера регистрировала светящееся пятно, положение и форма которого позволяли определять энергию и ее распределение.

Для поперечного профиля использовались люминофорные экраны вдоль вакуумного тракта. Продольную структуру регистрировали черенковские датчики со стрик-камерой: на малых энергиях применялся кварц, при более высоких — аэрогель. Цилиндры Фарадея измеряли заряд после пушки и служили поглотителями пучка. Набор методов диагностики линака включал следующие измерительные задачи:

• люминофорные экраны — поперечные размеры и настройка прохождения электронов;
• магнитный спектрометр — энергия и энергетический разброс;
• черенковский свет — распределение частиц по длине сгустка;
• цилиндр Фарадея — заряд, получаемый интегрированием сигнала.

Вакуумная среда принимающего кольца

В накопителе, куда должен поступать подготовленный инжектором пучок, электроны движутся внутри соединенных вакуумных камер, проходящих через магнитные элементы. Герметичность и разрежение определяют возможность длительной циркуляции. В августе 2024 года ИЯФ начал серийное изготовление более двухсот камер для этого кольца. Камеры включают откачные порты, соединения с каналами синхротронного излучения и охлаждение. Для их изготовления применяются специальные алюминиевые сплавы с высокой теплопроводностью и прочностью. В специализированных камерах для вывода излучения также предусмотрены внутренние поглотители энергии.

Алюминиевый профиль изгибают на прецизионном станке, а соединения сваривают неплавящимся вольфрамовым электродом в инертной атмосфере, исключая микротечи. После появления первого пучка поверхность камер должна проходить очистку синхротронным излучением: оставшиеся после обработки соединения разлагаются, а продукты удаляются насосами. Заведующий лабораторией ИЯФ Александр Краснов в августе 2024 года оценивал продолжительность такого кондиционирования примерно в полгода. Этот срок являлся прогнозом для будущей работы кольца. Производство камер, подготовка вакуумной среды и перенос пучка из инжектора входят в последовательность подготовки принимающего накопителя.