В России научились производить собственные мощные клистроны

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.

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.

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.