В МИФИ делают ускорители заряженных частиц

Сотрудники кафедры электрофизических установок Института ядерной физики и технологий НИЯУ МИФИ в настоящее время активно вовлечены в создание различных ускорительных установок. Они помогают Курчатовскому институту создавать ускорительный комплекс СИЛА, участвуют в создании ускорителя электронов для Института прикладной физики РАН. Еще в МИФИ совместно с Русатом Хелскеа идет разработка ускорителя медицинского назначения, и собственного исследовательского ускорителя, который будет находиться в МИФИ. Обо всех этих работах рассказывает аспирант кафедры электрофизических установок Андрей Батов.

Беседа состоялась в рамках рубрики "Голос науки"

Важно отметить, что проекты кафедры достаточно масштабные. У нас на кафедре 8 лабораторий, которые позволяют полностью охватить ускоритель – системы управления, системы питания, вакуумные системы, расчеты динамики пучка, расчеты и производство ускоряющей структуры. И, конечно, механическая часть. Правильно разместить и закрепить установку также важно, как и верно рассчитать ее параметры. Я во всем этом многообразии занимаюсь моделированием геометрии и контролем производства ускоряющих структур. Участвую в запуске получившихся ускорителей. Я расскажу про проекты, в которых задействован. Кроме них на кафедре есть много других, но про них, думаю, лучше расскажут те, кто ими занимается.

Пушка для комплекса «СИЛА»

Для Курчатовского института МИФИ делает фотопушку - фотоэмиссионный источник электронов. Она уже изготовлена, спаяна и находится у нас на кафедре на испытаниях. Разработкой занимается большая команда сотрудников кафедры, которую возглавляет заведующий кафедры – Сергей Маркович Полозов. Основную работу по ускоряющей структуре выполняют Ашанин Илья, Збруев Роман – инженеры кафедры, Лалаян Михаил Владимирович – доцент кафедры. Я участвовал частично в ее расчетах и в процессе контроля производства. При производстве была нужна довольно серьезная точность - порядка 10 микрон. Неточности в реальном производстве случаются, и нужно было на месте решать вопросы, связанные с появлением отклонений. Мы с этим успешно справились, и первые холодные испытания показали, что измерения согласуются с расчетом. При расчёте, конечно, тоже были свои трудности, ведь это относительно новая область ускорительной физики. Подобные фотопушки сейчас есть в Германии, США и Японии, их еще совсем немного, опыта по их изготовлению в мире мало, поэтому каждое такое изделие уникально.

В чем уникальность

Сейчас в качестве стандартного источника электронов почти повсеместно используются термоэлектронные источники. Это когда вы, грубо говоря, как в лампочке нагреваете проволочку и оттуда под действием термоэмиссии вылетают электроны. А в нашем случае принцип кардинально другой, здесь фотоэмиссия, то есть вы светите лазером на фотокатод. Фотокатоды бывают из разных материалов, у нас отдельный сотрудник- Михаил Владимиров - занимается физикой фотокатодов, ведь вокруг этого построена целая наука - как правильно подобрать фотокатод с нужными характеристиками. Тут даже еще даже общепринятой теории нет, как на самом деле устроен процесс фотоэмиссии с полупроводниковых катодов, так как принятая теория Фаулера-Нордгейма взята из автоэлектронной эмиссии и неплохо работает для металлических фотокатодов, но совершенно не сходится с экспериментальными результатами для полупроводниковых.

В фотопушке помимо взаимодействия лазера и фотокатода есть СВЧ часть, которая интенсивно ускоряет пучок, полученный в результате фотоэмиссии. Эта установка - практически маленький линейный ускоритель. В итоге получаются предельно малые размеры пучка, недостижимые на термоэлектронных пушках. Такие параметры нужны на современных источниках излучения – лазерах на свободных электронах.

Синхротронные установки исторически делятся на поколения по яркости синхротронного излучения. Когда его открыли экспериментально, это был просто побочный эффект кольцевого ускорения заряженных частиц; но потом поняли, что его можно использовать как микроскоп. Если вы смотрите в световой микроскоп, разрешение порядка микрона, то есть 10 в минус шестой степени метра. А на современных синхротронах разрешение порядка 10 в минус десятой степени метра. Но чтобы достичь такого разрешения, нужен пучок довольно жестких фотонов высокой яркости с прецизионными параметрами. И на обычных термоэлектронных источниках такого не достичь. Именно этим и интересны фотоэлектронные источники.

На больших частотах

Многое зависит от уровня энергии на выходе фотопушки. Фотопушка для «Силы» рассчитана на большую энергию, для Нижнего Новгорода - на меньшую. Плюс они работают на разных частотах. Исторически фотопушки эволюционировали от меньших частот к большим. Японцы, немцы делают источники электронов на относительно маленьких частотах – 1300 МГц. Класс наших фотопушек, которые мы здесь производим, рассчитан большие частоты- 2.4-2.8 ГГц.

Если вы в ускоряющей структуре повышаете частоту, то можете добиться большего темпа ускорения, а тем самым вы решаете кучу проблем в связи с достижением электронами релятивистских скоростей. Пока электроны не перешли в релятивизм, есть ряд эффектов, которые мешают и которые нужно преодолевать. Чем быстрее вы электроны перевели в релятивистский режим, тем вам лучше, как ускорительщику. На более высокочастотных структурах это легче сделать — это первый момент. Второй момент — это размеры установки. Чем ниже у вас частота, тем установка физически больше. Чем больше частота, тем компактнее вы можете сделать ускоритель на ту же самую энергию.

Нижегородские алмазы

В Институте прикладной физики РАН в Нижнем Новгороде делают ускоритель электронов, для него тоже нужна фотопушка, но на другую энергию. Это тоже исследовательский ускоритель, но немного для других задач. Важное достоинство ИПФ РАН заключается в том, что они единственные в России умеют делать алмазные фотокатоды. Все остальные используют, например, медные, эффективность которых гораздо ниже. В последствии они будут поставлять алмазные фотокатоды и в Курчатовский институт, но с помощью своей фотопушки, они, в частности, будут проверять, насколько их фотокатоды хороши, будут заниматься их дальнейшим совершенствованием. Наверное, впервые фотопушка будет на нашем российском фотокатоде. Для них делается небольшая именно исследовательская фотопушка на полторы ячейки против Курчатовской на три с половиной.  В Нижнем Новгороде будет сравнительно небольшой сам линейный ускоритель, всего лишь из одной секции на 20 ячеек на примерно 20 МэВ против ускорителя из 40 секций на 6 ГэВ для «СИЛА». Регулярную часть этой фотопушки мы уже изготовили и передали в Нижний Новгород. Руководит проектом заведующий кафедры Полозов Сергей Маркович. По регулярной части основную работу по ускоряющей структуре выполняли Ашанин Илья, Збруев Роман, Владимиров Михаил – аспиранты и инженеры кафедры, Лалаян Михаил Владимирович – доцент кафедры. Я участвовал в расчете ускоряющей структуры и контроле ее изготовления. Сейчас мы с коллегами из ИПФ РАН находимся в процессе работы над конструкторской документацией для источника электронов этой пушки. Основным разработчиком источника электронов выступает также инженер и аспирант кафедры Самароков Никита.

МИФИ против рака

Мы занимаемся созданием источника гамма-излучения медицинского назначения для облучения раковых опухолей. Те, что сейчас используются в России - все импортные. Их делают такие копании, как Varian, Elekta, есть много других производителей, но в России такие машины серийно доселе не производились. Российский вариант сейчас разрабатывает МИФИ совместно с АО «Русатом Хэлскеа». Мы для них делаем ускоритель и все, что связано с ускорителем, то есть расчет динамики, расчет характеристик ускоряющей структуры, система управления. На МИФИ также возложено изготовление, пайка и запуск ускорителя. Росатом отвечает за подвод питания и раму, а также за управление комплексом в целом и медицинские аспекты – планирование облучения, позиционирование пациента, систему коллиматоров и так далее. Принцип работы источника электронов этого ускорителя – термоэмиссионный. Это СВЧ линейный ускоритель на базе бипериодической ускоряющей структуры, так называемый ЛИНАК. Работает он на частоте 2800 МГц. Ускоряет электроны от энергии, заданной в источнике электронов, до 6,3 мегаэлектронвольт. При этом он очень компактный, он поместится буквально на столе. Компактность при высоких значениях характеристик ускоряющей структуры - одно из наших достижений в данном проекте. Основную работу по ускорительной части выполняли Збруев Роман, Самароков Никита – инженеры кафедры. Лалаян Михаил Владимирович – доцент кафедры. Ращиков Владимир Иванович, доцент нашей кафедры, разработал уникальную очень компактную электронную пушку для данного ускорителя. Я участвовал в расчете ускоряющей структуры, контроле изготовления, физическом пуске ускорителя. Благодарим нашего промышленного партнера НПП «Корад» за предоставление площадки для испытаний и помощи в их проведении.

Излучение по выбору заказчика

Для своих собственных исследований МИФИ сейчас строит двухсекционный ускоритель для прикладных применений, например для работ по радиационной стойкости электронной компонентной базы. Он будет находиться в новых бункерах ускорительного центра МИФИ, которые будут размещены в отремонтированном ангаре на территории университета рядом с гаражами. Заказчики исследований смогут работать как с электронным пучком, так и с гамма. Установку будет отличать оригинальная конструкция мишенного узла и очень хитрая система фокусировки, которая позволит получить квадратный пучок с однородностью по плотности потока лучше 20 %. До сих пор у пользователей не было возможности использовать такие профили пучка. Кроме того, у этой установки будет самый высокий КПД и самый высокий ток пучка среди ускорителей данного класса на данный момент. Это обеспечит высокую повторяемость результатов в исследованиях, и высокую скорость смены образцов, высокие дозы облучения, а это в свою очередь, означает, что мы сможем больше пользователей допустить на эту установку - больше, чем аналоги, которые сейчас есть.

Оборудование для этого ускорителя тоже уже готово и находится у нас на кафедре. Данный ускоритель может быть использован для стерилизации медицинского оборудования и продуктов, а также для тестирования электроники на радиационную стойкость. Например, для тестирования электроники, установленной в орбитальных спутниках. Для симуляции космической радиации используют в том числе ускорители заряженных частиц, которые позволяют увидеть, насколько электроника, которая стоит на спутнике, будет устойчива к условиям околоземного пространства.

УМНИК – проектная команда электроника

Мы с командой из молодых специалистов кафедры в декабре 2023 года выиграли грант "УМНИК" на сумму в 3 000 000 рублей. Кроме меня в команде аспиранты кафедры Никита Самароков, Роман Збруев и Яков Абакумов. Научный руководитель проекта ведущий инженер кафедры Т.В. Бондаренко. Тема проекта — "Разработка источника электронов для медицинского ускорителя со стендом для юстировки и настройки". Суть работы заключается в разработке импортозамещающего источника электронов для иностранных систем лучевой терапии и стенда, где можно тестировать любые термоэмиссионные пушки. На данный момент мы на финальной стадии реализации проекта. Стенд и источник электронов находятся на кафедре в процессе испытаний. Моя роль – руководитель проектной команды и разработка системы управления стендом.

Беседовал Константин Фрумкин, пресс-службы МИФИ