• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
30.05.2023
Егор Быковский
1
3 732

В России научились производить собственные мощные клистроны

7.4

Российские физики из Института ядерной физики СО РАН объявили во время пресс-конференции 30 мая, что успешно опробовали уникальную технологию производства мощных линейных ускорителей электронов и позитронов. На прототипе такого ускорителя — клистрона — достигнута проектная мощность 50 мегаватт, и уже началось изготовление первых серийных образцов.

Прототип разработанного в ИЯФ СО РАН клистрона успешно прошел двухмесячные тесты на стенде / ©Егор Быковский
Прототип разработанного в ИЯФ СО РАН клистрона успешно прошел двухмесячные тесты на стенде / ©Егор Быковский / Автор: Godefridus Victorinus

Линейные ускорители электронов и позитронов — «сердце» самых разнообразных научных установок: коллайдеров, синхротронов, источников комптоновского и терагерцевого излучения и других. В этих установках необходимо разогнать частицы почти до скорости света.

Чтобы сделать это, требуется очень большая импульсная сверхвысокочастотная (СВЧ) мощность, около 50 мегаватт — это как если бы одновременно включили 50 тысяч современных электроплит. Важнейшая часть линейного ускорителя — клистрон, именно он обеспечивает необходимую СВЧ мощность. Это высокочастотный усилитель, который создает ускоряющее поле, и без него невозможно реализовать ни один крупный ускорительный проект. В частности, клистрон — один из основных узлов линейного ускорителя ЦКП «Сибирский кольцевой источник фотонов» (СКИФ), обеспечивающий необходимую СВЧ-мощность.

Мощные клистроны раньше производили лишь в трех странах — Японии, США и Франции. Когда пару лет назад в России начали строить синхротрон СКИФ (ЦКП «СКИФ») в наукограде Кольцово, большую часть оборудования для него должен был изготовить и запустить Институт ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) по заказу Института катализа имени Г. К. Борескова СО РАН.

Однако изначально ИЯФ СО РАН собирался закупить четыре клистрона у японской компании Canon, но партнеры разорвали контракт, удалось купить всего одно такое устройство. Поэтому специалисты ИЯФ СО РАН были вынуждены разработать собственную технологию создания клистронов. На сегодня на прототипе клистрона, созданного в ИЯФ СО РАН, достигнута проектная СВЧ-мощность 50 мегаватт. Клистрон был единственным недостающим звеном в полном цикле производства линейных ускорителей электронов и позитронов высокой энергии в России.

Директор ИЯФ СО РАН Павел Логачев (в центре), заместитель по научной работе Евгений Левичев (слева) и директор Института катализа имени Г. К. Борескова академик Валерий Бухтияров / © Егор Быковский

Линейный ускоритель — одна из основных частей ускорительного комплекса СКИФ. Именно там 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 наносекунды и с зарядом в каждом сгустке 0,3 нанокулона. 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 герц поступают в бустер-синхротрон и ускоряются до рабочей энергии 3000 мегаэлектронвольт, а затем — в накопительное кольцо СКИФ длиной почти полкилометра. Там происходит накопление необходимого для исследователей количества частиц, которые движутся по круговой орбите, формируемой магнитами, и излучают синхротронное излучение.

Это излучение подается пользователям центра: биологам, химикам, геологам, материаловедам и ученым из других областей. С его помощью они, например, определяют элементный состав вещества, изучают свойства новых материалов, исследуют быстропротекающие процессы, расшифровывают структуру белков и многое другое.

Стенд, на котором в ИЯФ СО РАН монтируют и тестируют линейный ускоритель, который затем будет перенесен в наукоград Кольцово / © Егор Быковский

Для ускорения пучка электронов в линейном ускорителе СКИФ до рабочей энергии 200 мегаэлектронвольт 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 трех гигагерц. Клистрон — это преобразователь энергии электронов в энергию СВЧ-колебаний. Небольшая СВЧ-мощность, 500 ватт, которая подается на вход клистрона, на выходе усиливается в 100 тысяч раз.

«Мы занимаемся этим направлением более 30 лет, — отметил директор ИЯФ СО РАН академик РАН Павел Логачев. — Все началось с того, что Национальная ускорительная лаборатория SLAC (Стэнфордский университет) отблагодарила нас за то, что мы выручили их в тяжелой ситуации, и подарила нам свой клистрон. Мы стали учиться с ним работать. Благодаря этим наработкам, а также новым, сейчас, когда возникла необходимость, мы создали собственный клистрон. Это позволило нам стать самостоятельным игроком и ни от кого не зависеть при создании линейных ускорителей, которые востребованы в физике высоких энергий, при создании источников синхротронного излучения и других приложений, где необходима СВЧ-мощность более 50 мегаватт».

«К середине 2024 года мы должны прийти к возможной сборке инжекционного, а затем и основного накопительного комплекса СКИФ. Предполагается осуществить запуск установки еще до конца 2024 года», — добавил директор Института катализа имени Г. К. Борескова СО РАН академик Валерий Иванович Бухтияров.

В России технология производства клистронов будет востребована при разработке других источников синхротронного излучения, таких как Курчатовский специализированный источник синхротронного излучения «КИСИ-Курчатов» (Москва), синхротрон «Русский источник фотонов» («РИФ») (его планируют создать на базе Дальневосточного федерального университета), синхротрон «СИЛА» — проекта на базе Института физики высоких энергий имени А. А. Логунова (Москва). Кроме того, клистроны будут необходимы при строительстве коллайдера Супер С-тау фабрики, источника комптоновского излучения в Сарове и источника нейтронов в Дубне.

«Клистрон — довольно сложное устройство, мы работали над его созданием в фоновом режиме много лет, но поскольку раньше его можно было купить, у нас не было серьезной мотивации. Санкции заставили как следует взяться за это дело, и у нас получилось неплохо. Клистрон работает надежно, и наше экспериментальное производство приступило к изготовлению первых серийных приборов. Таким образом, можно констатировать, что совместно с ранее разработанными в ИЯФ СО РАН высоковольтными модуляторами, ускоряющими структурами, электронной пушкой, другим оборудованием, в Российской Федерации появилась полная отечественная технология создания линейных ускорителей электронов и позитронов, необходимых для источников синхротронного излучения, коллайдеров и других ускорительных проектов», — прокомментировал заместитель директора по научной работе ИЯФ СО РАН, директор ЦКП «СКИФ» член-корреспондент РАН Евгений Левичев.

На вопрос корреспондента Naked Science о том, будут ли мощные ускорители российского производства представлять интерес не только для отечественных проектов, но и за пределами страны, Евгений Левичев уточнил: такое сотрудничество уже обсуждается, и оно в высшей степени вероятно, поскольку цена на российские клистроны будет, скорее всего, существенно ниже, чем у конкурентов, — при сравнимом качестве. Стоимость клистрона такой мощности может составлять около 20 миллионов долларов.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
11 июня
Андрей

Китайские палеонтологи обнаружили образцы самых больших моллюсков, живших после Великого вымирания. Их гигантский размер говорит о том, что брюхоногие интенсивнее и быстрее восстановились в росте после массовой гибели. До этого подобные свидетельства находили в ладинском ярусе, а сейчас в анизийском.

Позавчера, 11:27
Александр Березин

Глава подразделения NASA по системам исследования Луны объяснила ранее неизвестное публике условие для высадки людей на спутнике Земли в сентябре 2026 года. Скептики оценили это заявление как стремление Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США переложить ответственность за срыв сроков лунной высадки на кого-то еще.

Сегодня, 08:19
Дарья Г.

В центре далекой галактики OJ 287 находятся две черные дыры, одна из которых в сотню раз больше другой. В 2021 году астрономы подтвердили существование пары по изменению яркости объекта. Теперь же ученым удалось доказать, что источником той необычной вспышки была именно малая черная дыра.

10 июня
Александр Березин

Исследователи из США выяснили, что примерно два миллиона лет назад Солнечная система захватила хвост облака холодного межзвездного газа. В результате гелиосфера сильно сжалась, дав галактическим лучам свободно облучать все планеты системы. Это должно было вызвать и серьезные проблемы с климатом.

11 июня
Андрей

Китайские палеонтологи обнаружили образцы самых больших моллюсков, живших после Великого вымирания. Их гигантский размер говорит о том, что брюхоногие интенсивнее и быстрее восстановились в росте после массовой гибели. До этого подобные свидетельства находили в ладинском ярусе, а сейчас в анизийском.

8 июня
Михаил Орлов

Переселение позвоночных из воды в наземно-воздушную среду жизни стало поворотным моментом в истории биосферы. Однако этот эволюционный скачок имел и серьезные побочные эффекты: он привел к потере способности восстанавливать потерянные части тела рептилиями, птицами и млекопитающими. В новой статье биологи рассмотрели генетические и эволюционные аспекты освоения суши и выяснили, что резкое ослабление регенерации стало своеобразной «расплатой» за адаптации животных к другой среде.

15 мая
НИУ ВШЭ

Международный коллектив исследователей при участии ученых из Института когнитивных нейронаук НИУ ВШЭ изучил, как выбор иностранного языка влияет на когнитивные способности человека. Оказалось, что языки, непохожие на родной, стимулируют когнитивную функцию на начальном этапе их изучения, а близкие к родному имеют отложенный эффект и помогают мозгу эффективнее работать при более высоком уровне владения иностранным языком.

24 мая
Игорь Байдов

С помощью космических и наземных телескопов международная команда астрономов открыла похожий на нашу планету мир в так называемой зоне обитаемости, позволяющей воде существовать на поверхности тела в жидком состоянии. По космическим меркам экзопланета находится достаточно близко к Земле и, вероятно, представляет собой скалистый мир с благоприятным для жизни климатом. Подобные миры астрономы открывают крайне редко.

27 мая
Андрей

Европейские гляциологи, используя первые снимки Восточной Антарктиды 1937 года, а также фотографии середины XX века и современные спутниковые данные, отследили, как менялись ледники в этом регионе на протяжении 85 лет.

[miniorange_social_login]

Комментарии

1 Комментарий

-
0
+
Они пока в производстве - это ж годичный цикл, он только вот сейчас начался, после успешного двухмесячного теста прототипа.
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: