«Наука в Сибири» № 2 (2438) 16 января 2004 г. КРАСИВАЯ МАШИНА В минувшем году последнее, завершающее заседание Президиума Сибирского отделения РАН состоялось 26 декабря и оказалось весьма необычным. В этот день поздравляли группу ведущих ученых СО РАН — лауреатов Государственной премии Российской Федерации 2002 года в области науки и техники и обсуждали научные доклады группы молодых ученых. Вышло, как по заказу, даже несколько символично: учителя, получившие признание за научные заслуги, и рядом — ученики, способные развивать и пополнять научные знания. Галина Шпак, «HBC» Руководитель молодежной группы физиков кандидат физико-математических наук Дмитрий Кайран Первым выступил с докладом кандидат физико-математических наук Дмитрий Кайран. Он представил результаты исследований ускорительной лаборатории Института ядерной физики имени Г. И. Будкера по конкретной тематике: «Теоретическое и экспериментальное исследование рекуперации в ускорителе-рециркуляторе с высокочастотной ускоряющей системой». Докладчик назвал своих соавторов — физиков — младшего научного сотрудника Олега Шевченко и аспиранта Льва Фомина (чувствовалась ияфовская выучка!). Кто понимает, тот знает, что исследование рекуперации (возвращение энергии) в специализированном ускорителе, умение управлять сложным физическим процессом в конце концов приводит сложное к простому. Как говорят физики, сложная установка должна работать как телевизор — включил и на экране пошло изображение. Так случилось в апреле 2003 года, когда включили установку первой очереди лазера на свободных электронах (ЛСЭ) в Центре фотохимических исследований СО РАН. Годом ранее был запущен ускоритель-рекуператор первой очереди ЛСЭ. Руководитель молодежной группы Дмитрий Кайран рассказывал о результатах исследований в контексте мировых физических идей. Он сказал, что в настоящее время наблюдается повышенный интерес к созданию специализированных ускорителей для лазеров на свободных электронах (ЛСЭ) и источников синхротронного излучения (СИ). Среди перспективных проектов использование в качестве источника электронов для ЛСЭ ускорителей с рекуперацией энергии занимает ведущее место. В таких ускорителях электронный пучок сначала ускоряется, затем используется (например, в ЛСЭ), после чего замедляется и попадает в поглотитель. Проект, который выполнили молодые физики, был направлен на решение одной из важнейших задач: получение и поддержание оптимальных параметров рекуперации энергии и сведение к нулю потерь тока пучка при прохождении системы ускорителя-рекуператора от инжектора до поглотителя. Для достижения оптимальных параметров рекуперации, как сказал докладчик, был выполнен целый перечень работ (я посчитала нужным хотя бы перечислить эти интересные работы): Проведены расчеты и моделирование продольного и поперечного движения электронного пучка в магнитной системе ускорителя-рекуператора при ускорении и замедлении. Выбраны оптимальные фазы ускорения и замедления пучка для оптимальной рекуперации энергии. Предложен и сконструирован вариант магнитной системы ускорителя-рекуператора. Проверена устойчивая работа ускорителя-рекуператора при среднем токе 6 мА, а наибольший полученный средний ток составил 20 мА. Получена устойчивая работа ЛСЭ в диапазоне длин волн 120-180 микрон со средней мощностью излучения 100 Вт. Когда Дмитрий демонстрировал на экране фотографию ускорительного зала, где расположен субмиллиметровой ЛСЭ (первая очередь), даже те, кто не видел внушительное сооружение, как говорится, «вживую», могли убедиться, что это очень красивая машина. Комментируя снимок, физик Д. Кайран поосторожничал: — По-видимому, Новосибирский ЛСЭ самый мощный (по средней мощности) в мире источник субмиллиметрового или, как принято сейчас говорить, терагерцового монохроматического излучения. Это позволяет надеяться, что с его помощью можно уже сейчас проводить уникальные исследования по физике, химии, биологии и другим отраслям науки. Докладчика поймали на слове: «Почему же — «по-видимому»? Он не смутился: «Мы не уверены, что располагаем информацией в полном объеме». Ускорительный зал Центра фотохимических исследований СО РАН. Первая очередь ЛСЭ. Параллельно с работами на действующей установке продолжается проектирование и конструирование магнитно-вакуумной системы ускорителя второй очереди ЛСЭ. И, разумеется, — всего комплекса ЛСЭ уже на базе четырехдорожечного ускорителя-рекуператора с максимальной энергией 50 МэВ. Главное отличие этой машины — использование для ускорения несверхпроводящих ВЧ резонаторов на низкую частоту, что существенно повышает пороговые токи неустойчивости, позволяет получать гораздо больший средний ток электронного пучка, и, как следствие, — гораздо большую мощность излучения. Строительство мощного ЛСЭ, как известно, ведется институтами Ядерной физики и Химической кинетики и горения, на территории которого в Центре фотохимических исследований и находится установка. …Когда произошла некоторая заминка — вопросов к докладчику больше не было — председатель СО РАН академик Н. Добрецов быстро посмотрел на именитых физиков — зачинателей и руководителей проекта — и предложил оценить работу молодого ученого. Академик Г. Кулипанов сказал, что докладчик работает в лаборатории доктора физико-математических наук Н. Винокурова и что он, Дмитрий Кайран, один из немногих специалистов в мире по расчету магнитной системы и для рекуперации, а в ИЯФе, конечно, специалист номер один. И вся команда молодых ребят — это основные сотрудники, ответственные за надежную работу установки. Они сидят за пультом, управляют сложными системами и ускорителя, и лазера на свободных электронах. А полный список авторов проекта — более пятидесяти специалистов. Геннадий Николаевич напомнил и о том, что молодые ученые всегда будут обеспечены интересной работой (а с «остальным» пока трудно, но со временем возможно). Главное, что вокруг молодых ученых группируются студенты, вовлекаются в исследовательскую работу. Если так можно выразиться, научные дела передаются из рук в руки. Во всяком случае я так поняла основную мысль, высказанную академиком А. Скринским о создании специализированных ускорителей, в том числе и для лазеров на свободных электронах: это общеинститутская работа. На нее ушло 25 лет — «длинный путь, который привел к хорошим результатам и перспективам». Дмитрий Кайран подключился к работе в 1995 году, когда учился в аспирантуре НГУ, а в Институте ядерной физики проходил практику студентом-дипломником. По его словам, он больше обучался, чем работал, и в декабре 2001 года защитил кандидатскую диссертацию. А через год заработал ускоритель-рекуператор. Как близко стоят эти работы — кандидатская и строительство ускорителя? Подробности выяснились при встрече с физиками Н. Винокуровым и Д. Кайраном в Институте ядерной физики. Наша «пушка» стреляет лучше всех В кандидатской диссертации физика Д. Кайрана, как мне объяснили, приводились расчеты для полномасштабной установки, для второй очереди ЛСЭ, а часть работы посвящалась однодорожечному ускорителю-рекуператору и приведены расчеты, оценки устойчивости электронного пучка. Изложены требования к ускорителю такого типа для специфических целей. Одним словом, — предложены полностью два расчетных варианта для большой установки и ее первой очереди. — Как вы это придумали? — спрашиваю Дмитрия. — Я подключился к большому проекту, скорее, на этапе технической реализации. Основные идеи уже были выработаны. Еще в 80-е годы физики ИЯФ думали, как должен выглядеть ускоритель для специфических целей. — Слово «придумал» такое многозначное, — тактично заметил Н. Винокуров. — Вообще задача создания специального ускорителя для лазера на свободных электронах сама по себе довольно новая, потому что до этого такие машины — одновременно и ускорители и замедлители — не строились. Просто они были никому не нужны. Когда мы начинали эту работу — пришлось решить несколько технических задач, которые и были успешно решены. В частности, задача проектирования магнитной системы, то есть фокусирующих линз, магнитов и других элементов электронной оптики. Дмитрий Александрович как раз и занимался этими вопросами. То, что сейчас работает, называется однодорожечный вариант. С ним связана целая история. Сначала мы хотели делать полномасштабный вариант лазера на свободных электронах восьмидорожечный. — Это как понимать? — Работает ускоряющая система, и электроны в ней должны проходить восемь раз по орбите… И вот однажды мы вместе с Кулипановым и Кайраном летели на конференцию в Корею. В самолете обсуждали наши дела и решили, что сначала надо сделать упрощенный вариант — однодорожечный. Вот он. На экране монитора схема этого упрощенного варианта ЛСЭ: электронная пушка, группирующий высокочастотный резонатор, фокусирующий соленоид, малый поворотный магнит, ускоряющий высокочастотный резонатор… — Электронный пучок рождается в электронной пушке, потом ускоряется до небольших энергий, затем снова ускоряется и поворачивается… А вот здесь находится лазер. — Он стоит прямо на дорожке ускорителя? — Да. И пучок проходит через него, отдает часть своей мощности в терагерцовое излучение ( а «тера-» это десять в двенадцатой). Потом его магниты заворачивают и посылают в высокочастотную структуру, где он ускорялся. В ней он замедляется. Таким образом, электронный пучок возвращает часть энергии и затем уходит в поглотитель. Рекуперация — возвращение энергии — случается и на железной дороге, когда поезд идет под горку. Двигатель электровоза работает как динамо-машина, которая возвращает электроэнергию в сеть. А физики, наверное, и машинисты, и проходчики, что и подтвердил Дмитрий Кайран. — Целый год, когда еще не поставили лазер на пучок, мы работали очень медленно. В день проходили пучком не более двух метров, как проходчики при строительстве тоннеля. Параллельно понимание приходило. Одно дело какие-то расчеты на бумаге, где столбики цифр, а другое дело — живая машина. Запомнилось дежурство, когда мы получили первый пучок, который вернулся в поглотитель. За месяц, наверное, довели его до поглотителя. Осенью 2002 года мы фактически получили стопроцентное прохождение пучка. — Кстати, почему физики всегда говорят, что «наша пушка стреляет лучше всех»? Или физики шутят? — Электронная пушка тоже уникальная, потому что с такими параметрами низковольтных электронных пучков сейчас нигде нет. Только у нас, — вполне серьезно ответил Н. Винокуров. — По дороге к этому проекту было сделано много технически интересных вещей. Интенсивно занимались отдельными узлами, например, высокочастотными ускоряющими резонаторами. Сейчас мы их используем у себя, а также продаем за границу. — Я слышала от физиков, не ручаюсь за точность, что, если деньги не считать, то рекуперация экономически очень выгодна и что в целом получилась очень красивая машина. Растолкуйте, в чем соль. — Наверное, — предположил Дмитрий, — имелась в виду специфика лазера на свободных электронах. Дело в том, что от ускоренного электронного пучка забирается очень малая доля мощности. Если после этого электронный пучок просто «выкидывать», эффективность будет очень низкая. Поэтому и делается рекуперация - использованный пучок возвращается обратно в ускоряющие резонаторы и отдает остаток мощности обратно. Эта мощность затем снова используется пучками, которые ускоряются. Потом замедленный пучок с низкой энергией сбрасывается в поглотитель. А энергия при замедлении падает с 12 до 2 МэВ. В шесть раз! — Важно отметить, — дополнил Н. Винокуров, — что без рекуперации эта система не работала бы, потому что ей не хватило бы мощности. К тому же, — использование рекуперации делает эту систему практически радиационно безопасной. — Как бы замкнутый технологический цикл? — Вполне. Поскольку энергия пучка снова переходит в высокочастотную, ионизирующего излучения почти нет. Рекуперация была задумана с самого начала. На основе высокочастотных модулей, предназначенных для нашего ЛСЭ, можно сделать очень мощные лазеры на свободных электронах — 100 киловатт и более. — Для чего? — Есть одно такое применение. Речь идет о питании спутников на орбите. Число спутников связи, например, постоянно растет, а так как создание и запуск спутников стоит больших денег, то использование подобной технологии на основе ЛСЭ по масштабу затрат как раз соразмерно с этой деятельностью. Тогда придется вдоль периметра Земли поставить штук десять станций, которые смогут непрерывно питать спутники, они могут жить и работать очень долго. И можно сильно сэкономить на времени жизни этих спутников. Такое применение довольно перспективно, но пока что потребителей нет. — Но все равно наша пушка стреляет лучше всех! И, как вы говорите, система работает стабильно. — Пока на первой очереди установки мы не наблюдали отклонений, — подтвердил Дмитрий Кайран. — Она выдает то, что положено выдавать, — сказал Николай Александрович. — Вторая очередь установки будет иметь четыре дорожки. Техническое проектирование почти закончено, и в этом, 2004 году, мы должны передать всю документацию, все детали и узлы в наше экспериментальное производство. Кроме того, уже монтируется канал вывода излучения из ускорительного зала в специальное помещение, где будут поставлены пользовательские станции для работы специалистов, как на станциях синхротронного излучения в Сибирском центре СИ. — А разница в чем? — Длина волны совсем другая. СИ — это рентгеновское излучение, длина волны — порядка одного ангстрема. Оно более коротковолновое, чем видимый свет. А здесь длина волны — 150 микрон (0,15 миллиметра) — излучение более длинноволновое. Оказалось, — в таком диапазоне таких источников излучения такой мощности просто нигде нет. И уже на первой очереди ЛСЭ исследователи могут проводить уникальные эксперименты. В Сибирском центре фотохимических исследований регулярно проводятся семинары, посвященные использованию длинноволнового излучения. Добавлю, что станции строят совместно с ИЯФом заинтересованные институты. Финансирование целевых работ Центра фотохимии обеспечивается интеграционным грантом Сибирского отделения № 174. По нему выделяются деньги и на создание второй очереди установки, чтобы лазер на свободных электронах заработал в диапазоне от 2 до 20 микрон… А сигнал от излучения, который впервые увидел на экране осциллографа в пультовой Дмитрий Кайран, выглядел вполне заурядно. Фото В. Новикова. стр. 2