Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах XFEL, строительство которого началось в 2009 году в Германии, сейчас находится в стадии запуска. Официальная инаугурация состоится в мае 2017 года. XFEL – это сложнейшая установка, которая генерирует когерентные рентгеновские лучи высокой интенсивности. Она будет обладать беспрецедентной яркостью и позволит проводить недоступные в настоящее время эксперименты во многих областях науки – от материаловедения до структурной биологии.

На инаугурации European XFEL. Фото: А. Краснов

Россия и XFEL

В проекте участвуют 11 стран, по степени вовлеченности Россия занимает второе место после Германии. Стоимость установки составляет 1,22 млрд евро (на 2005 г.), при этом Российская Федерация взяла на себя 27% этих расходов. Вкладывая столь существенные средства в международный проект, Россия получает часть из них обратно в виде заказов на разработку и производство научного оборудования. Например, сумма контрактов между Институтом ядерной физики им. Г.И.Будкера Сибирского отделения Российской академии наук (ИЯФ СО РАН) и XFEL превышает 20 млн евро. Ожидается, что спрос на время работы экспериментальных станций XFEL будет высоким, и распределяться между пользователями этот ресурс будет пропорционально вкладу в развитие проекта.

Новосибирск и XFEL

Институт ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН, расположенный в Новосибирске – один из основных российских участников реализации проекта. Наиболее значительной частью вклада ИЯФ СО РАН является разработка и поставка криогенных и вакуумных систем XFEL. Криогенные системы включают оборудование стендов для проверки сверхпроводящих модулей, распределительную систему линейного ускорителя XFEL и криогенное оборудование инжекторного комплекса.

Стенды для проверки сверхпроводящих модулей. Сверхпроводящие модули предназначены для ускорения электронов. Внутри каждого модуля находится 8 резонаторов, проходя через которые пучок ускоряется высокочастотным электромагнитным полем. Резонаторы работают при температуре 2 Кельвин (-271,15 °С), поэтому для их охлаждения используется жидкий гелий при давлении около 30 миллибар. Сверхпроводящие модули производились в нескольких странах Европы, собирались во Франции и поставлялись в DESY. Размер здания, в котором проводились их испытания – 100х400 метров, что сопоставимо с размером двух футбольных полей.

ИЯФ СО РАН разработал и изготовил три криогенных стенда для испытаний сверхпроводящих модулей перед их установкой в XFEL. На стенде было проведено более 120 испытаний в течение трех лет, 96 сверхпроводящих модулей установлены в туннель XFEL.

«Работа созданного в ИЯФ СО РАН оборудования играет ключевую роль для всей системы распределения гелия на XFEL. Оно включает в себя сложную систему гелиевых трубопроводов и распределительных боксов, работающих при температуре до 2 Кельвин. К этим компонентам предъявляются жесткие требования по механической точности, герметичности и теплоизоляции. Все оборудование идеально удовлетворяет техническим требованиям и европейским стандартам безопасности», – прокомментировал глава группы криогенных систем в DESY, руководитель рабочей группы в XFEL Бернд Петерсон (Bernd Petersen).

Туннель основного ускорителя XFEL. Фото: xfel.eu

«Стандарты безопасности» в данном случае не просто слова. 1 литр жидкого гелия с температурой 4,2 К при комнатной температуре мгновенно превращается в 680 литров газа, этот фактор расширения необходимо учитывать. На вопрос, какие могут произойти ЧП во время работы криогенной системы, научный сотрудник ИЯФ СО РАН Евгений Пята ответил, что самое вероятное – это срыв охранного вакуума криогенной системы: «В этом случае температура и давление резко повысятся, гелий перейдет в газообразное состояние. Для таких ситуаций предусмотрены предохранительные клапаны разного вида, которые предотвращают взрыв. В нашем случае мы использовали предохранительные клапаны конструкции компании-лидера в их разработке – LESER, Германия. Эти клапаны срабатывают, выпуская газ, снижая давление и, таким образом, защищая криогенную систему».

«Второй вид возможной аварии, – отметил ученый, – разгерметизация внутренних трубопроводов. В этом случае жидкий гелий начнет попадать на теплые части оборудования, так же, как и в первом случае, будет испаряться, повысится давление, произойдет взрыв. Чтобы этого избежать, наш специалист, старший научный сотрудник, кандидат технических наук Сергей Пивоваров разработал клапан низкого давления, который при необходимости сбрасывает лишнее давление».

Вакуумные камеры. Специалисты ИЯФ СО РАН разработали, создали, протестировали и смонтировали вакуумные камеры для транспортировки пучка общей длиной более 1 километра. Кроме обычных требований к точности изготовления камер для проекта XFEL потребовалось обеспечить высокое качество и чистоту их внутренней поверхности.

«Герметичность проверялась с помощью течеискателя, – пояснил кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН Александр Краснов, – это прибор, который, как правило, чувствует только атомы гелия. Если в плотно закрытый сосуд напустить гелий, то в случае даже очень небольшой течи прибор его почувствует. Помимо герметичности необходимо обеспечить чистоту внутренней поверхности оборудования. Если в спектре остаточных газов присутствуют посторонние молекулы, например, молекулы тяжелых углеводородов или масел, это говорит о том, что изделие не прошло достаточно хорошую очистку в ультразвуковых ваннах».

Распределительный блок криогенной системы. Фото: В. Анашин

Коллиматоры. Электронный пучок ускоряется на протяжении более полутора километров, пролетая ускоряющие модули в прямом тоннеле. Большая часть электронов движется единым потоком, но некоторые частицы оказываются на периферии пучка и образуют гало. Это сопровождающие частицы, энергия которых отличается от средней энергии пучка. Они разрушают чувствительные к радиации элементы, например, магниты ондуляторов, поэтому необходимо контролировать это явление.

Реклама на Компьютерре

Коллиматор – это инструмент управления пучком, который позволяет избавиться от гало. Он «вырезает» ту часть пучка, которая обладает необходимыми энергией и размером. Коллиматор должен быть устойчив к радиации.

Еще одно назначение этого устройства – поглощение пучка. Это может понадобиться, например, если у него сильно изменилась орбита. Такой пучок нельзя пускать в канал, потому что он может попасть на радиационно чувствительные элементы и разрушить их. В этом случае коллиматор преграждает ему путь.

ИЯФ СО РАН примерно за два года разработал и изготовил для XFEL пять коллиматоров. Они сделаны из титанового сплава, обладают хорошими тепловыми свойствами и, согласно расчётам, выдерживают нагрузку пучка с энергией 20 ГЭВ и зарядом до 3 нанокулон. Коллиматоры ИЯФ СО РАН подвижны, что позволяет подстраивать их под траекторию пучка.

Экспериментальное производство ИЯФ СО РАН

В экспериментальном производстве (ЭП) ИЯФ СО РАН работает примерно 700 человек, здесь изготавливается научное оборудование для Института, а также для научных центров всего мира, в том числе, CERN, КЕК, DESY. В 2015-2016 годах для выполнения работ по контракту с XFEL была задействована примерно четвертая часть производственных мощностей ЭП.

Сварочное производство ЭП ИЯФ специально для выполнения работ по контракту с XFEL прошло модернизацию и было сертифицировано международным сертифицирующим органом TÜV на соответствие европейским стандартам. Разработанное для XFEL оборудование также получило соответствующие сертификаты TÜV. «Сотрудники нашего производства, – отметил заместитель директора ИЯФ по производству, кандидат технических наук Андрей Стешов, – прошли обучение и сертификацию в соответствии с требованиями TÜV, 4 человека – как сварщики и 2 человека – как специалисты по неразрушающему контролю. Многие наработки и опыт, который мы приобрели, пригодятся в будущем, например, для реализации проектов ITER, FAIR».

Ускоряющий модуль. Фото: В. Анашин

Специально для изготовления криогенного оборудования по проекту XFEL на территории ЭП ИЯФ был оборудован специализированный чистый модуль для изготовления многослойных мягких экранов из суперизоляции. Для производства вакуумных камер было приобретено оборудование для ультразвуковой очистки с двумя ваннами длинной по 6 метров. Ультразвуковая система состоит из отдельных модулей, устанавливаемых в ванны, что делает систему более гибкой с технологической точки зрения. Мойка с помощью ультразвука – это способ очищения поверхности, при котором вместе с обычными реагентами, такими, как мыло, применяют ультразвук. Кавитационная волна, которая образуется в процессе, помогает реагенту выбивать из поверхности деталей загрязнения.

«В основном на нашем производстве используется стандартное оборудование, но набор технологий, реализованных на этом оборудовании, и то, что они сосредоточены в одном производстве, в нашем случае, это – уникально. Уникально и то, что наше ЭП работает в тесном контакте с научными подразделениями и конструкторским отделом Института, и они активно принимают участие в процессе производства. Именно эта особенность позволила нам изготовить сложное оборудование для XFEL. Институт с момента своего основания сам разрабатывал и производил свои научные установки, например, мы можем построить «под ключ» ускоритель-накопитель заряженных частиц, начиная от магнитных элементов, вакуумных камер и заканчивая электроникой, и системами управления. В настоящее время мы, конечно, активно используем и покупное оборудование и аутсорсинг для выполнения работ, если это быстрее и дешевле» – прокомментировал Андрей Стешов.

Что XFEL даст науке

Среди наиболее захватывающих применений – детальное исследование вирусов, расшифровка молекулярного состава клеток, получение объемных изображений нанообъектов, изучение процессов, происходящих глубоко внутри планеты.

Ожидается, что первые две пользовательские станции XFEL будут запущены уже в 2017 году, одна из них будет называться «Фемтосекундные рентгеновские эксперименты». «Она будет использоваться для изучения ультрабыстрых процессов в химии и биохимии и позволит ученым увидеть промежуточные этапы химических реакций. Эта станция может также неофициально называться «молекулярное кино», так как будет «снимать» реакции, происходящие на временных масштабах, приближающихся к фемтосекунде, то есть одной квадриллионной доле секунды» – отметил пресс-атташе XFEL Джозеф Пергросси (Joseph W. Piergrossi).  

Второй пользовательский центр будет иметь название «Станция для исследования отдельных кластеров и биомолекул и параллельной фемтосекундной кристаллографии». Она предназначена для анализа мельчайших структур, таких как вирусы и макромолекулы, на атомном уровне, в том числе в структурной биологии. Также она позволит приблизиться к визуализации образцов, состоящих из одной частицы, в естественном окружении, без предварительной кристаллизации, прокомментировали в пресс-службе XFEL.