"Недостающее звено": в России появилась отечественная технология создания линейных ускорителей электронов и позитронов

В России изготовили и запустили клистрон — мощный высокочастотный усилитель, который необходим для работы линейных ускорителей электронов и позитронов (коллайдеров, синхротронов, источников комптоновского и терагерцевого излучения и других). Его создали в Институте ядерной физики имени Г. И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук (ИЯФ СО РАН), который отвечает за разработку и изготовление оборудования для центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (СКИФ).

Клистрон был единственным недостающим звеном в полном цикле производства линейных ускорителей электронов и позитронов высокой энергии в России. Ранее подобные устройства производили только в Японии, США и Франции. В мае 2023 года в ИЯФ СО РАН на созданном прототипе клистрона достигнута проектная СВЧ мощность 50 МВт и другие параметры, гарантирующие работу линейного ускорителя СКИФ. Уже сейчас производство института приступило к изготовлению первых серийных приборов.

«Прорывные научные проекты во всем мире напрямую связаны с установками класса «мегасайенс». Именно поэтому сегодня, в Десятилетие науки и технологий, разработка клистрона станет важным заделом при обеспечении технологической независимости нашей страны. Важно понимать, что потенциальных зарубежных заказчиков еще больше, поскольку производителей таких устройств в мире мало», — прокомментировал глава Минобрнауки России Валерий Фальков.

Линейный ускоритель — одна из основных частей ускорительного комплекса СКИФ. Именно здесь формируется пучок электронов, который поступает сначала в бустер-синхротрон, а потом в накопитель — источник синхротронного излучения. Параметры отправляемого в бустер пучка частиц также формируются в линейном ускорителе. В нем необходимо получить энергию частиц 200 мегаэлектронвольт (МэВ), 55 сгустков электронов с периодом 5.6 наносекунд и с зарядом в каждом сгустке 0.3 нК. Длина каждого сгустка должна быть около нескольких миллиметров.

В линейном ускорителе электроны быстро набирают скорость, близкую к скорости света, а их траектория корректируется магнитной системой. Уже сформированные в линейном ускорителе пучки с частотой 2856 мегагерц поступают в бустер-синхротрон и ускоряются до рабочей энергии 3000 МэВ, а затем — в накопительное кольцо СКИФ длиной почти полкилометра. Здесь происходит накопление необходимого для исследователей количества частиц, которые движутся по круговой орбите, формируемой магнитами, и излучают синхротронное излучение. Это излучение по специальным каналам подается пользователям центра: биологам, химикам, геологам, материаловедам и другим. С его помощью они проводят свои работы, например определяют элементный состав вещества, изучают свойства новых материалов, исследуют быстропротекающие процессы, расшифровывают структуру белков и многое другое.

Для ускорения пучка электронов в линейном ускорителе СКИФ до 200 МэВ необходимы мощные высокочастотные усилители — клистроны с выходной СВЧ мощностью более 50 мегаватт, создающие в структуре линейного ускорителя ускоряющее поле. Клистрон преобразовывает мощность непрерывного пучка в сверхвысокочастотную, то есть из непрерывного тока делает ток, который имеет частоту колебаний около 3 гигагерц. Клистрон — это преобразователь энергии электронов в энергию СВЧ колебаний. Небольшая СВЧ мощность, 500 Ватт, которая подается на вход клистрона, на выходе усиливается в сто тысяч раз.

Центр коллективного пользования «СКИФ» — источник синхротронного излучения поколения 4+. Установка сооружается в Новосибирской области в рамках национального проекта «Наука и университеты» и во исполнение Указа Президента России от 25 июля 2019 года.

Заказчиком и застройщиком ЦКП «СКИФ» выступает Институт катализа имени Г. К. Борескова СО РАН. Институт также единственный исполнитель по изготовлению и запуску технологически сложного оборудования для ЦКП «СКИФ».

В настоящее время десятки организаций России привлечены к созданию ЦКП «СКИФ». К ним относятся ООО «НПП Триада-ТВ» (Новосибирск), АО «БЭМЗ» (Бердск), ООО «Модульные системы Торнадо» (Новосибирск), АО «Воткинский завод» (Воткинск), ФАУ «СибНИА имени С. А. Чаплыгина» (Новосибирск), КТИ-НП СО РАН (Новосибирск), ИГиЛ СО РАН (Новосибирск), АО «ВАКУУММАШ» (Казань), ООО «Катод» (Новосибирск), АО ВНИИНМ имени А. А. Бочвара (Москва) и многие другие.