По словам специалистов, предложенная в Институте система сверхпроводящего ондулятора с эллиптическим полем и переключением поляризации – первая в мире
Специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН
(ИЯФ СО РАН) разработали прототип необычного сверхпроводящего
эллиптического ондулятора – устройства с периодическим магнитным
полем, генерирующим ондуляторное излучение (ОИ) с
циркулярно-поляризованным излучением, сообщает пресс-служба ИЯФ
СО РАН. При движении внутри ондулятора электрон попадает в
поперечное магнитное поле, изменяющееся по спирали и генерирует
циркулярно-поляризованное излучение. Хотя эксперименты со
спиральными ондуляторами с вращающимся магнитным полем ведутся с
70-х гг. XX в., схема установки, предложенная в Институте,
реализована впервые в мире. Планируется, что данный вид магнитов
будет использоваться на экспериментальных станциях Центра
коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов»
(ЦКП «СКИФ») и позволит пользователям работать с методом
рентгеновского магнитного дихроизма, необходимого для изучения
веществ со сложной магнитной структурой, например, редкоземельных
элементов или молекулярных магнетиков. Результаты работы
были представлены на конференции Synchrotron and
Free electron laser Radiation: generation and application
(SFR-2020).
Ондулятор – это устройство с периодическим магнитным полем,
генерирующее когерентное ондуляторное излучение в синхротроне. От
качества магнитного поля в ондуляторе зависит качество излучения,
которое получат пользователи на экспериментальных станциях, а,
следовательно, и результаты их исследований. В физике точность
магнитного поля в ондуляторе выражается в общепринятой величиной
– фазовой ошибке. Чем меньше фазовая ошибка, тем выше яркость
излучения. Среднеквадратичная ошибка три градуса вполне приемлема
для многих экспериментов.
Одна из разработок специалистов ИЯФ СО РАН – эллиптический
ондулятор, в котором благодаря необычной расстановке
сверхпроводящих магнитных катушек, создается магнитное поле,
изменяющееся по спирали вдоль ондулятора. На данный момент
разработан и создан его прототип. Предполагается, что в будущем
данный вид ондулятора будет использоваться на экспериментальных
станциях ЦКП «СКИФ».
«Сверхпроводящие катушки ставятся крест-накрест под углом 90
градусов, таким образом, выходящее, как обычно, вверх магнитное
поле из нижнего ряда катушек сталкивается с противоположно
направленным магнитным полем из верхнего ряда катушек, –
рассказывает аспирант ИЯФ СО РАН Павел Каноник. – Встретившись,
ни одно из этих полей уже не может замкнуться на самом себе,
поэтому начинает искать альтернативное направление. Желание
магнитного поля найти способ замкнуться создает добавочную
магнитную компоненту – поперечную, что, в свою очередь, создает
магнитное поле, вращающееся по спирали. Ондулятор называется
эллиптическим, потому что поперечная компонента магнитного поля
на 30% меньше продольной, так что общее магнитное поле имеет
форму растянутого круга, эллипса».
Вид синхротронного излучения, при котором фотоны закручиваются по
спирали, необходим пользователям для работы с методом
рентгеновского магнитного дихроизма. Данный метод позволяет
изучать вещества со сложной магнитной структурой, например,
редкоземельные элементы, которые используются в различных
отраслях техники: в радиоэлектронике, приборостроении, атомной и
химической промышленности, в металлургии. Так на основе элементов
неодима, иттрия, самария и других получают сплавы с рекордными
магнитными свойствами для создания постоянных магнитов огромной
мощности. Также современное материаловедение активно занимается
созданием новых полифункциональных материалов с заданными
магнитными свойствами – молекулярных магнетиков, которые обладают
низкой плотностью, механической гибкостью, высокой
намагниченностью, низкой магнитной анизотропией и др. Одна из
основных областей применения таких материалов – молекулярная
электроника, занимающаяся разработкой компактных устройств со
сверхъемкой магнитной памятью.
Для того чтобы получать детальную информацию о магнитной
структуре магнетиков с использованием рентгеновского излучения,
необходима возможность быстрого переключения правой и левой
поляризации излучения. У эллиптического ондулятора,
разработанного и созданного в ИЯФ СО РАН, такая возможность
предусмотрена.
«Некоторые вещества, например, редкоземельные элементы, имеют
очень сложную магнитную структуру, – рассказывает советник
дирекции ИЯФ СО РАН, доктор физико-математических наук Николай
Мезенцев. – Для того чтобы при помощи рентгеновского излучения
получать информацию только о ней, нужно уметь отделять рассеяние
излучения на магнитных моментах от остальной информации –
рассеяния на электронах атомов, электрическом поле ядер вещества
– в данном случае ненужной. Это можно сделать при помощи
переключения поляризации излучения в ондуляторе. Быстро меняя
поляризацию с левой на правую и наоборот, а потом вычитая
полученные результаты, мы получаем информацию только о
взаимодействии фотонов с магнитным полем. Конструкция нашей
системы, состоящая из двух эллиптических ондуляторов с левой и
правой спиралью поля и быстрых корректоров между ними, сдвигающих
орбиту летящих электронов так, что излучение экспериментатору
идет то с левой, то с правой поляризацией, позволяет это делать».
В мире эксперименты со спиральными ондуляторами с циркулярно
меняющимся магнитным полем ведутся с 70-х гг. XX в., но
переключение поляризации в них невозможный или технически очень
сложный процесс. По словам специалистов ИЯФ СО РАН, предложенная
в Институте система сверхпроводящего ондулятора с эллиптическим
полем и переключением поляризации – первая в мире. «На данный
момент мы создали прототип ондулятора и получили первые
экспериментальные результаты – продемонстрировали эллиптическое
магнитное поле. В будущем он может быть установлен на
экспериментальных станциях ЦКП «СКИФ» для работы с методом
рентгеновского магнитного дихроизма – запрос от пользователей уже
есть, и они будут довольны, ведь ИЯФ СО РАН известен во всем мире
производством сверхпроводящих вигглеров, которые генерируют СИ с
нужными характеристиками», – добавляет Павел Каноник.
Проект ЦКП «СКИФ» создается в рамках национального проекта
«Наука» с целью реализации современной отечественной сети
источников синхротронного излучения нового поколения в России, и
является флагманом программы развития Новосибирского научного
центра, известной как «Академгородок 2.0». ЦКП «СКИФ» – это центр
коллективного пользования, который будет включать в себя не
только ускорительный комплекс, но и развитую пользовательскую
инфраструктуру: экспериментальные станции и лабораторный
комплекс. Создание источника СИ планируется завершить в 2023 г.,
что позволит начать проведение научных исследований уже 2024 г.
Ориентировочная стоимость проекта оценивается в 37,1 млрд. руб.
Иллюстрация: Прототип ондулятора в разобранном виде. Фото
предоставлено П. Каноником
Источник: www.inp.nsk.su
Источник: scientificrussia.ru
