Российский прорыв в физике высоких энергий: линейный ускоритель с мощностью 50 МВт

Ученые из Института ядерной физики СО РАН успешно опробовали уникальную технологию производства мощных линейных ускорителей. На прототипе такого ускорителя — клистрона, электровакуумного прибора для генерации и усиления колебаний сверхвысокой частоты — достигнута проектная мощность 50 мегаВатт, и уже началось изготовление первых серийных образцов.


Когда пару лет назад в России начали строить синхротрон СКИФ (ЦКП «СКИФ»), мощный источник рентгеновского излучения для научных исследований, 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. Клистроны необходимы для создания высокочастотного поля, которое ускоряет электроны и позитроны в синхротроне.

Однако изначально ИЯФ СО РАН собирался закупить четыре клистрона у японской компании Canon, но партнеры разорвали контракт, получилось 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.

Что такое линейные ускорители?

Линейные ускорители — это класс устройств для получения заряженных частиц (элементарных частиц, ионов) высоких энергий. Они состоят из нескольких основных элементов: инжектора (источника электронов или позитронов), ускоряющей структуры (последовательности резонаторов с зазорами, через которые пролетают частицы) и клистрона (прибора для создания СВЧ-поля в ускоряющей структуре). Клистрон является одним из самых сложных и дорогих компонентов линейного ускорителя. Он должен обеспечивать высокую мощность СВЧ-колебаний (до десятков мегаватт) с высокой стабильностью частоты и фазы.



Линейные ускорители чаще всего используются для первичного ускорения частиц, полученных с электронной пушки или источника ионов. Затем эти частицы могут быть направлены в другие типы ускорителей, такие как кольцевые или коллайдерные, где они получают еще большую энергию за счет повторного прохождения через ускоряющие зазоры. Линейные ускорители также используются для получения рентгеновского излучения или нейтронного потока для различных приложений в науке и технике.

Как работает клистрон?

Клистрон — это электровакуумный прибор, который преобразует постоянный поток электронов в переменный путем модуляции их скоростей электрическим полем сверхвысокой частоты (СВЧ). Давайте посмотрим, как это происходит на примере одного из самых распространенных типов клистронов — двухзазорного.



Представьте себе длинную вакуумную трубку, на одном ее конце есть катод — отрицательно заряженная пластина, которая испускает электроны. На другом конце трубки коллектор — положительно заряженная пластина, которая электроны собирает. Между катодом и коллектором находятся два резонатора — полые металлические цилиндры с отверстиями, через которые проходит трубка. В каждом резонаторе есть зазор — узкое пространство между двумя металлическими пластинами, через которое пролетают электроны. В резонаторах создается СВЧ-поле, которое воздействует на электроны.

Когда электроны вылетают из катода, они разгоняются анодом — положительно заряженной пластиной, которая находится перед первым резонатором. Затем они входят в первый зазор, где они подвергаются воздействию СВЧ-поля. В зависимости от фазы поля, некоторые электроны ускоряются, а другие тормозятся. Это приводит к тому, что электроны начинают колебаться вокруг средней скорости.

После первого зазора электроны движутся по длинной вакуумной трубке (дрейфовому пространству), где они группируются в сгустки за счет разницы скоростей. Это происходит потому, что более быстрые электроны догоняют более медленные и образуют пучки. Количество сгустков равно количеству СВЧ-периодов за время прохождения дрейфового пространства.

После дрейфового пространства электроны входят во второй зазор, где они отдают свою энергию СВЧ-полю. При этом поле в резонаторе возрастает. Это происходит потому, что сгустки электронов приходят в зазор в нужный момент фазы поля, когда они могут передать ему максимальную энергию. Таким образом, клистрон превращает кинетическую энергию электронного потока в электромагнитную энергию СВЧ-колебаний.

После второго зазора электроны попадают на коллектор, где они нейтрализуются. Коллектор должен быть охлаждаемым, так как он поглощает большую часть тепла от ударов электронов.

Таким образом, клистрон работает как высокочастотный усилитель, который создает ускоряющее поле для линейного ускорителя. Частота колебаний определяется размером и формой резонаторов, а мощность зависит от тока и скорости электронного потока.

Зачем нужны линейные ускорители?

Линейные ускорители — не только мощные инструменты для исследования микромира, но и полезные устройства для решения разных практических задач. С их помощью можно получать рентгеновские лучи или нейтроны, которые применяются в медицине, промышленности, археологии и других областях. Кроме того, линейные ускорители могут помочь в борьбе с раком, создании новых материалов и энергетических ресурсов.

Одно из важных применений линейных ускорителей — получение рентгеновского излучения. Рентгеновские лучи используются для диагностики заболеваний, изучения структуры материалов, анализа предметов и многого другого.



Еще одно применение — получение нейтронного потока. Нейтроны — электрически нейтральные частицы, состоящие из кварков. Нейтроны используются для ядерного синтеза, радиационной терапии, нефтегазовой геологии и других целей.

Как видим, линейные ускорители — универсальные источники заряженных частиц, которые могут служить для разных целей в науке и технике. Они позволяют открывать новые горизонты в познании мира и создавать новые возможности для науки.