О ЦКП | Станции СИ | Пользователям | Смены СИ | Публикации | Конференции | Разработки ЦКП | Контакты

 

Проект источника СИ нового поколения
для Сибирского центра синхротронного излучения
"СКИФ" - Сибирский Кольцевой Источник Фотонов

Уникальные свойства синхротронного излучения (СИ) привели к созданию большого количества исследовательских методов с использованием этого излучения в различных областях науки. Популярность этих методов и большое количество задач, которые можно решать с их помощью, привели к созданию большого числа специализированных научных центров для проведения таких исследований. Вокруг таких центров, как правило, складывается уникальная научная инфраструктура, позволяющая эффективно использовать дорогостоящее пучковое время большим количеством рабочих групп и организаций участников.

Главным элементом каждого такого центра является накопитель - источник СИ. К сожалению, в России количество источников СИ мало и полностью отсутствуют источники удовлетворяющие современным требованиям к подобным комплексам. Многие отечественные исследовательские группы вынуждены проводить эксперименты в зарубежных центрах, часто на невыгодных условиях. Что создает много дополнительных проблем.

Поэтому, создание такого источника является важной и актуальной задачей, которую можно разбить на следующие этапы:

  • Строительство на базе современного источника синхротронного излучения третьего поколения;
  • Расширение и укрупнение Центра коллективного пользования на базе данного источника;
  • Создание проблемно ориентированных экспериментальных станций;
  • Организация лабораторных помещений для эффективной пробоподготовки образцов для исследований с использованием СИ;
  • Организация производственной инфраструктуры для обеспечения эффективного использования пучкового времени;
  • Подготовка высококвалифицированных научных кадров на базе НГУ, НГТУ и других российских вузов;
  • Проведение тематических конференций, совещаний и школ для широкого внедрения современных научных методик в исследовательскую практику и для развития новых технологий.

В новосибирском Институте ядерной физики им. Будкера более тридцати лет назад был организован Сибирский центр синхротронного излучения (СЦСИ). Долгое время он был единственным российским центром, где велась постоянная работа на пучках СИ в рентгеновском диапазоне. За время работы Центра вокруг него сложилась уникальная инфраструктура, позволяющая проводить оригинальные исследования. Эффективная работа центра также обуславливается тесным сотрудничеством с соседними институтами Сибирского отделения РАН и сильными междисциплинарными связями. Кроме того, тесные связи с другими научными центрами в сибирском регионе (Томск, Красноярск, Иркутск, Барнаул) привели к созданию совместных исследовательских коллективов, вовлеченных в различные совместные проекты по разным научным направлениям.

В настоящее время одной из главных проблем Сибирского центра СИ является отсутствие современного источника синхротронного излучения. Используемые в настоящее время накопители ВЭПП-3 и ВЭПП-4 не являются специализированными источниками СИ, и параметры их излучения не соответствуют современным требованиям. Также следует отметить, что эти накопители были построены более чем 30 лет назад и в настоящее время на них часто случаются серьезные неисправности, что дополнительно уменьшает возможное пучковое время. Таким образом, можно отметить следующие основные моменты в обосновании необходимости создания специализированного центра для исследований с применением СИ в Сибирском отделении РАН, на базе нового специализированного накопителя электронов, который предполагается делать, с использованием сверхпроводящих поворотных магнитов:

  • в ИЯФ СО РАН в настоящее время успешно функционирует центр по использованию СИ (на накопителях ВЭПП-3 и ВЭПП-4) и существует вся необходимая инфраструктура для эффективного использования имеющихся возможностей;
  • в ИЯФ СО РАН имеется опыт создания подобных центров в России (Курчатовский центр СИ, Зеленоградский центр СИ) и за рубежом;
  • в ИЯФ СО РАН разработана и опробована уникальная технология создания сверхпроводящих вигглеров для генерации СИ и сверхпроводящих поворотных магнитов;
  • удобное географическое положение Новосибирска позволяют надеяться на эффективное сотрудничество с другими научными центрами Сибири и Дальнего Востока.

Был проведен анализ пользовательских потребностей в пучках СИ (на основе опыта использования СИ в ИЯФ СО РАН, а так же из современных мировых тенденций развития исследований с применением СИ) и исходя из этого, был предложен список предлагаемых к реализации методик на базе проектируемого источника и соответствующих станций для реализации этих методик. Выделены наиболее приоритетные направления, составлен список станций первой очереди.

Сверхпроводящие поворотные магниты с большим полем позволяют создать компактный накопитель для генерации синхротронного излучения с достаточно жестким спектром. Большое поле в таких магнитах также позволяет получить жесткий спектр СИ при достаточно низкой энергии электронов, что, в свою очередь позволяет существенно снизить стоимость всего комплекса.

Общее описание источника СИ

В данном проекте предлагается использовать комбинированную схему, включающую в себя как сверхпроводящие поворотные магниты, так и обычные.

Таблица 1. Основные параметры накопителя – источника СИ.

  • Энергия электронов - 2.2 ГэВ
  • Поле в поворотных магнитах - 8.5 Тл в сверхпроводящих магнитах, 1.6 Тл в обычных магнитах
  • Критическая энергия квантов СИ - 30 кэВ для СИ из сверхпроводящих магнитов, 6 кэВ для пучков из обычных магнитов
  • Количество поворотных магнитов - 4 сверхпроводящих, 32 обычных
  • Угол поворота в магнитах – 15 градусов в сверхпроводящих и центральных нормальпроводящих магнитах, 7.5 градусов в нормальнопроводящих боковых магнитах
  • Фазовый объем пучка (горизонтальный равновесный эмиттанс) – около 5 нм*рад
  • Ток пучка - 500 – 1000 мА
  • Время жизни пучка - 8 – 10 часов
  • Периметр орбиты - 214 м
  • Тип инжекции - на полной энергии с возможностью поддержания рабочего тока пучка

Таким образом, в проекте предполагается использовать 4 сверхпроводящих магнита. Так как угол поворота в магните достаточно большой (15 градусов) то из каждого магнита можно организовать до 3-х каналов вывода жесткого СИ.

Магнитная структура

Главной целью оптимизации была минимизация натурального горизонтального эмиттанса, что обеспечивает высокую спектральную яркость источника. Дополнительными целями в процессе оптимизации были следующие:

  • максимальные значения бета-функций не должны превышать 30 м на всем протяжении суперпериода;
  • прямолинейные промежутки должны иметь нулевую дисперсионную функцию, чтобы избежать дополнительной раскачки эмиттанса;
  • структура должна иметь точки с хорошей сепарации бета-функция, в которых можно установить секступольные линзы для компенсации натурального хроматизма;
  • силы квадрупольных и секступольных линз не должны превосходить стандартные технологически-достижимые величины: градиенты в квадрупольных линзах не должны превышать 50 Тл/м;
  • структура должна предусматривать возможность установки магнитов 2-х типов: обычные теплые магниты и сверхпроводящие с полем 8.5 Тл;
  • желательно иметь большое количество прямолинейных промежутков, для установки устройств генерации СИ (вигглеров и ондуляторов).

В качестве основной структуры была выбрана TBA (Triple Bend Achromat) схема. Данная схема позволяет использовать магниты двух типов в качестве центральных (при условии равенства углов поворота) при практически одинаковой конфигурации оптических функций на концах ТВА-ячейки независимо от типа центрального магнита. Данная особенность, в свою очередь, позволяет гибко комбинировать TBA-ячейки разных типов, т.е. количество сверхпроводящих магнитов в структуре может варьироваться. При 12-тикратной симметрии кольца количество сверхпроводящих магнитов может составлять 2, 3, 4, 6 или 8.

После анализа спектров СИ из сверхпроводящих магнитов и анализа методик, для реализации которых требуется жесткое рентгеновское излучение, количество сверхпроводящих магнитов в структуре было выбрано равным 4.

Основные параметры источника, служившие исходными данными для начала оптимизации представлены в табл. 1 (см. выше).

В процессе оптимизации структуры было предложено 7 вариантов. Ниже описывается один из предложенных вариантов, в настоящее время считающийся наиболее перспективным. Возможно, в дальнейшем, после дополнительного анализа и дополнительной оптимизации хроматизма или динамической апертуры, может быть выбран другой вариант.

Геометрическая схема одного суперпериода представлена на Рис. 1. Суперпериод состоит из 3-х TBA-ячеек. В средней ячейке центральный магнит является сверхпроводящим. В боковых ячейках, в этом качестве, выступают теплые магниты. Угол поворота орбиты во всех центральных магнитах один и тот же и составляет 15 градусов. Все боковые магниты – нормально проводящие, с полем 1.6 Тл и углом поворота 7.5 градуса.


Рис. 1. Геометрическая схема суперпериода магнитной структуры накопителя.

Таким образом, полный угол поворота одной TBA-ячейки составляет 30 градусов, а всего суперпериода – 90 градусов. Длины прямолинейных промежутков составляют 3 м во внутренних промежутках суперпериода, т.е. между центральной и боковыми TBA- ячейками. Внешние промежутки, т.е. между суперпериодами имеют длину 7 м. Всего доступно 8 коротких промежутков, в 2-х из них планируется разместить ВЧ-станцию и систему инжекции. В остальных можно устанавливать устройства генерации СИ (вигглеры или ондуляторы).

Длинные промежутки предназначены для установки длинных ондуляторов, для получения пучков ондуляторного излучения высокой яркости.

Расчетный равновесный эмиттанс в данной схеме составляет 5.5 нм рад, что позволяет отнести данный источник к источникам 3-го поколения. Полный периметр орбиты составляет 208.4 м. Оптические функции суперпериода представлены на Рис. 2.


Рис. 2. Оптические функции суперпериода источника СИ.

Так как магнитной жесткости электронных пучков с энергией 2.2 ГэВ не превышает 8 Тл м, то градиенты в квадрупольных линзах не превышают 40 Тл/м, т.е. являются технически реализуемыми.

Видно, что значения бета-функци, а соответственно, и размеры пучков в длинных прямолинейных промежутках на границах суперепериода минимальны, что позволяет надеяться на получение рентгеновских пучков высокой яркости.

Также можно отметить достаточно хорошее деление областей по величинам горизонтальной и вертикальной бета-функций. Таким образом, появляются места для хорошего расположения секступольных линз для эффективного подавления натурального хроматизма.

Система инжекции

Предполагается использовать инжекцию на полной энергии. В качестве бустерного ускорителя (бустера) возможно использование специального синхротрона (подобного тому который был разработан и изготовлен в ИЯФ для лазера на свободных электронах университета Дьюка, США).

Инжектор состоит из двух секций: секция линака и секция бустера. Линак разгоняет электроны до энергии 100 МэВ.

Бустер разработанный для университета Дьюк, позволяет ускорять пучки электронов до энергии 1.2 ГэВ с частотой 1 Гц. Так как в данном проекте предполагается, что рабочая энергия будет 2.2 ГэВ, для осуществления непрерывной инжекции на рабочей энергии необходима существенная модификация бустера. Одним из возможных способов такой модификации может быть увеличение количества поворотных магнитов с 12 до 16. При этом сама конструкция магнита остается прежней. При таком подходе можно добиться существенного удешевления производства магнитов при использовании существующей оснастки. Также можно получить дополнительную экономию за счет использования существующего штампа, при изготовлении пластин для ярма магнита.

ВЧ система

В настоящем проекте предполагается использовать серийно производимый одномодовый резонатор с рабочей частотой 180 МГц. Существующая модель позволяет получать ВЧ напряжение до 600 кВ, что вполне достаточно для работы накопителя (энергетические потери в данной схеме составляют 1004.23 кэВ на оборот, без учета дополнительных устройств генерации СИ). Рабочая мощность резонатора обеспечивает работу накопителя для тока пучка до 1 А.

Криогенная система

Существующая в данный момент в ИЯФ СО РАН технология позволяет создавать сверхпроводящие поворотные магниты с нулевым расходом жидкого гелия. Функционирование системы поддерживается с помощью криогенных “куллеров” и “реконденсоров”. Таким образом, расход жидкого гелия (и жидкого азота) происходит только в моменты первичного охлаждения систем после сборки (или ремонта).

Вакуумная система

Вакуумная система включает в себя систему откачки (насосы с блоками питания), набор шиберов с ВЧ окном, вакуумную камеру накопителя.

В настоящий момент в ИЯФ СО РАН заканчивается разработка технологии напыления на внутренние поверхности вакуумных камер NEG покрытий (Not Evaporated Getters) позволяющая получать предельно низкое давление в камере. Такие технологии широко используются в современных ускорителях. Возможно использование данной технологии при изготовлении вакуумной камеры в рамках данного проекта.

Экспериментальные станции

Проектируемые параметры накопителя и получаемые из них параметры СИ позволяют реализовать большинство популярных исследовательских методик с использованием СИ:

  • рентгенофлуоресцентный анализ;
  • рентгеновский дифракционный анализ (включая элементы белковой кристаллографии);
  • дифрактометрия с временным разрешением, включая субмикросекундную;
  • EXAFS, XAFS, XANES-спектроскопия;
  • дефектоскопия и рентгеновская томография (включая фазовый контраст).

Наличие теплых магнитов в структуре накопителя и, соответственно, каналов вывода СИ в мягком рентгеновском диапазоне и в области вакуумного ультрафиолета также позволяет реализовать множество исследовательских и технологических экспериментов:

  • фотоэлектронная и Ожэ-спектроскопия;
  • исследования в области рентгеновской литографии;
  • LIGA-технология;
  • рентгеновская микроскопия и микротомография;
  • метрология;
  • литография с использованием ондулятора для генерации излучения в EUV диапазоне (13.6 нм).

Комплекс зданий

В 2009 году в Сибирском центре СИ в рамках работ по проекту нового источника СИ проводилось предварительное проектирование комплекса зданий для размещения источника СИ, необходимых инженерно-технологических систем для обеспечения работы комплекса и пользовательской инфраструктуры для организации постоянных работ на комплексе.

Основные цели данных работ были следующие:

  • выработка функциональной концепции комплекса зданий, определение основных параметров зданий, включая, их размеры, этажность, список помещений и характеристики помещений, расположение и ориентация зданий на местности;
  • определение функционального назначения инженерно-технологического оборудования необходимого для обеспечения работы ускорительно- накопительного комплекса источника СИ, а также для обеспечения нормальных условий для работы персонала и пользователей в помещениях центра;
  • определение объемов основных потребляемых ресурсов (электроэнергии, воды и др.) для составления запросов на поставку данных ресурсов от организаций поставщиков;
  • составление оценочной сметной документации на строительство и приобретение инженерно-технологическокого оборудования для обоснований необходимости и объемов финансирования и инвестиций. Работа производилась проектной организацией ООО "Оргстройпрогресс" и финансировалась из средств, выделенных по программе поддержки центров коллективного пользования Министерства науки и образования РФ.


Рис. 3. Общий вид комплекса зданий для нового источника Сибирского центра СИ.

Примерная схема комплекса с приблизительными размерами показана на рис. 3. Комплекс зданий центра синхротронного излучения включает в себя 4 основных здания:
1. Кольцевое здание накопителя источника СИ с экспериментальным залом (см. 1 на Рис. 3);
2. Центральное здание для размещения инжекционного комплекса с краном-балкой (см. 2 на 3);
3. Здание для мастерских и технологического оборудования (см. 3 на Рис. 3);
4. Лабораторно-офисное здание (см. 4 на 3).

Основное назначение зданий описано ниже.

Кольцевое здание.

Здание предназначено для размещения накопителя – источника СИ и пользовательских станций. Здание одноэтажное, высотой 5 метров. Внутренний диаметр кольца 59 м, внешний около 110 м. Внутреннюю кромку кольца занимает тоннель для накопителя, внешним сечением 6.5х4.5 метров со стенами и потолком из монолитного бетона. Толщина наружной боковой стены 1 м, внутренней и верхней – 0.5 м. В месте пересечения тоннеля с центральным зданием (со стороны технологического) размещена разгрузочная площадка и верхняя часть тоннеля должна быть разборно-съёмной.

Центральное здание.

Центральное здание проходит через центр кольцевого здания пересекает кольцо в двух местах (как буква «Ф»). Здание предназначено для размещения инжекционного комплекса и транспортных каналов, а также погрузочно-разгрузочных площадок. Здание оборудуется кран-балкой с грузоподъемностью не менее 10 т. Высота здания определяется возможностью погрузки в тоннель накопителя элементов с высотой до 3х метров и весом до 5 т.

Технологическое здание.

Здание предназначено для размещения технологического оборудования, механических мастерских, экспериментального оборудования и рабочих комнат пользователей СИ. Здание соединяется с центральным зданием. Въезд фур в центральное здание осуществляется через шлюз, высотой 5м, расположенный на первом этаже здания.

Лабораторно-офисное здание.

Здание предназначено для размещения рабочих комнат, лабораторных помещений, «чистых» комнат, отдела администрации и т.п. Здание должно соединяться с центральным или кольцевым зданием переходом. Расположение комплекса

В данном проекте предполагается разместить комплекс на территории Института ядерной физики СО РАН возле пересечения улицы Ионосферная и улицы им. Ак.Будкера (бывшая ул. Физиков). Примерная привязка комплекса к местности показана на Рис. 4.


Рис. 4. Примерное расположение комплекса на территории ИЯФ СО РАН.

В процессе предварительного проектирования была разработана общая концепция размещения комплекса зданий.

Также были произведены оценки необходимых мощностей основных инженерных систем и определены их спецификации.

Система электропитания

Были рассчитаны мощности потребления для основных систем комплекса и основных инженерных систем. Определена структура разводки силовых кабельных трасс внутри зданий к основным потребителям электроэнергии. Определен состав трансформаторных подстанций и спецификации для каналов подводки мощностей от внешних поставщиков. Общая установочная мощность всех систем составляет 9 МВт.

Система оборотного водоснабжения

Определена структура охлаждающей системы и контуры подводки трас дистиллированной воды к различным системам комплекса.

Общая тепловая мощность, снимаемая с систем водой, составляет 2 МВт. Произведен анализ современных систем охлаждения (на основе чиллеров) и проведена оценка стоимости охлаждающих систем.

Система отопления и вентиляции

Произведен анализ необходимых объемов воздухообмена, для всех помещений комплекса включая помещения для химических лабораторий, чистые комнаты и другие помещения с особыми требованиями к очистке воздуха. На основе этих данных выработаны требования к суммарным мощностям систем кондиционирования и очистки воздуха. Предусмотрены площади для размещения вентиляционного и фильтрующего оборудования.

к.ф.-м.н. Золотарев Константин Владимирович,
K.V.Zolotarev@inp.nsk.su

 

 

 

О ЦКП | Станции СИ | Пользователям | Смены СИ | Публикации | Конференции | Разработки ЦКП | Контакты
© СЦСТИ, 1996 - 2010.
Your comments are welcome!