«ЕЖЕГОДНЫЙ ОТЧЕТ 2010 НОВОСИБИРСК 2011 ОГЛАВЛЕНИЕ Оглавление Введение 7 1. Физика элементарных частиц 1.1 Детектор КМД-3 1.2 Детектор СНД ...»

Рис.(6.4)20. Электрофореграмма суммарного белка E. Coli после воздействия терагерцовым излучением. Черными стрелками показаны фракции с повышенной экспрессией в опыте по сравнению с контролем, серыми стрелками - с пониженной. Номерами 1-8 обозначены идентифицированные фракции, экспрессия которых различалась более чем в два раза по сравнению с фракциями контрольного образца.

Масс-спектрометрическое определение Масс-спектрометрическое определение полученных пептидов каждой фракции осуществляли на приборе Ultraflex Tof Tof (Bruker Daltonics) методом MALDI с использованием в качестве матрицы -Cyano-4-hydroxycinnamic acid (CHCA). Идентификацию состава триптических гидролизатов проводили при помощи программы MASCOT и базы данных NCBI. Идентифицированные белки приведены в таблице (6.4)2.

Таблица (6.4)2. Идентифицированные белковые фракции культуры E. Coli, экспрессия которых изменялась более чем в два раза (повышалась либо снижалась) при воздействии на бактерий ТГц излучения.

hydroxymethyltransferase У E.coli имеется несколько систем, обеспечивающих реакцию клетки на изменения условий окружающей среды. Поступающие извне сигналы активируют соответствующую генную сеть, в результате чего происходит перепрограммирование транскрипции и развивается адаптивный ответ, в результате происходит коррекция метаболизма, в некоторых случаях активируются системы стресс-ответа. Для E.coli описаны, по крайней мере, пять путей ответа на внешние сигналы:

Bae, Cpx, Psp, Rcs, и sE, обеспечивающие реакцию на физические, химические или биологические (вирусная инфекция) воздействия и отдельные генные сети стрессовых ответов: на тепловой шок, окислительный стресс и другие. Идентифицированные изменения в протеоме E.coli свидетельствуют как об активации, так и о репрессии отдельных метаболических путей при воздействии терагерцовым излучением на живую систему. Биоинформатический анализ изменений, происходящих в протеоме E.coli под воздействием терагерцового излучения, позволит определить, какие генные сети активируются, и установить, таким образом, мишени, на которые воздействует терагерцовое излучение.

6.4.3. Вторая очередь Новосибирского ЛСЭ Работа по созданию и запуску второй очереди Новосибирского ЛСЭ проводилась при финансовой поддержке в рамках Интеграционного проекта СО РАН № 6/2006 «Разработка и изготовление ЛСЭ второй очереди», ''Базового'' проекта фундаментальных исследований РАН № 2.6.6. «Создание ЛСЭ терагерцового и инфракрасного диапазонов со средней мощностью до 50 кВт», Интеграционного проекта СО РАН № 52 ''Запуск ЛСЭ второй очереди, разработка и изготовление элементов ЛСЭ третьей очереди'' Госконтракта № 02.740.11.0430 на выполнение НИР по теме «Запуск второй очереди мощного лазера на свободных электронах и разработка элементов третьей очереди» и инициативного проекта РФФИ № 09-02-12121-офи_м «Разработка методов измерения параметров мощного терагерцового излучения и методов управления этими параметрами».

Для продвижения в более высокочастотную часть терагерцового диапазона создается вторая очередь лазера на свободных электронах (ЛСЭ). Для создания ЛСЭ, работающего в диапазоне частот 3 – 10 ТГц, был построен и запущен первый в мире ускоритель-рекуператор (УР) с двумя дорожками (то есть, с четырехкратным прохождением электронного пучка через высокочастотные резонаторы).

Синхротронное излучение и лазеры на свободных электронах Полномасштабный УР использует ту же ускоряющую ВЧ-структуру, что и УР первой очереди, но расположен, в отличие от последнего, в горизонтальной плоскости (рис.(6.4)21.). Таким образом, не требуется демонтаж одного для постройки другого. Выбор режима работы осуществляется простым переключением поворотных магнитов.

Рис.(6.4)21. Схема полномасштабного 4-оборотного ускорителя-рекуператора (плюс одна дорожка в вертикальной плоскости с ЛСЭ ТГц диапазона 110-240 мкм.).

ЛСЭ второй очереди размещен на второй дорожке УР. В дальнейшем планируется установить на последнюю (40 МэВ) дорожку УР мощный ЛСЭ ближнего ИК диапазона в области длин волн 5 – 12 мкм.

В 2009 году был создан лазер на свободных электронах, работающий в диапазоне длин волн 40 – 80 микрон. Максимальная средняя мощность излучения составляет около 500 Вт, что является мировым рекордом в этом диапазоне. В 2010 году излучение нового лазера на свободных электронах выведено на пользовательские станции и начаты эксперименты с его использованием.

Из-за сильного поглощения излучения в воздухе необходимо передавать излучение по трубам, заполненным сухим азотом, или откачанным до низкого давления. Первый вариант предпочтительнее вследствие простоты вывода широких пучков излучения на пользовательские станции через тонкие полипропиленовые окна. Канал вывода излучения ЛСЭ второй очереди (средняя часть) показан на рисунке (6.4)22. Излучение, приходящее снизу, отразившись от двух зеркал, попадает в «старую» часть канала (вдали) через узел подвижного зеркала. По старой части канала излучение подается на пользовательские станции. Были проведены измерения спектров излучения и длительности импульсов и средней мощности излучения. Излучение ЛСЭ второй очереди будет использовано в исследованиях по физике, химии и биологии. Кроме того, в канал, распределяющий излучение по станциям, добавлен выводной узел для установки еще одной станции.

Рис.(6.4)22. – Канал вывода излучения ЛСЭ второй очереди (средняя часть). Излучение, приходящее снизу, отразившись от двух зеркал, попадает в «старую» часть канала (вдали) через узел подвижного зеркала.

В 2010 году спроектирован оптический резонатор для третьей очереди ЛСЭ и закончено изготовление элементов третьей очереди ЛСЭ.

6.4.4. Результаты 2010 года и планы на 2011 г.

Основные результаты работ в 2010 году:

1. Обеспечена регулярная работа пользователей на терагерцовом излучении ЛСЭ первой очереди.

2. Проведена модернизация канала вывода излучения и существующих экспериментальных станций, и продолжена работа над созданием новых станций.

3. Запущен канал вывода излучения ЛСЭ второй очереди.

4. Закончен монтаж вакуумной камеры третьей и четвертой дорожек ускорителя-рекуператора.

5. Спроектирован оптический резонатор для ЛСЭ на четвертой дорожке.

6. Подготовлено помещение для испытательного стенда ВЧ инжектора.

7. Проведена модернизация одного высокочастотного генератора УР.

Планы на 2011 год:

1. Запустить УР с четырьмя дорожками.

2. Спроектировать канал вывода излучения из ЛСЭ на четвертой дорожке.

3. Продолжить работу над созданием новых станций.

4. Продолжить проектирование и изготовление узлов испытательного стенда ВЧ инжектора.

5. Продолжить работу на пользователей.

6.5. Разработка и создание специализированных генераторов СИ 6.5.1. Сверхпроводящие вигглеры В июне 2010 года по контракту был доставлен и собран на территории строящегося накопителя ALBA-CELLS (Испания) 119-полюсный вигглер с периодом 31 мм, магнитным полем 2,2 Т и межполюсным зазором 12,6 мм. Были проведены заключительные испытания криогенной системы, системы управления, а также цикл магнитных измерений вигглера.

Спектральные свойства излучения данного вигглера при энергиях до 10 кэВ имеют структуру ондуляторного излучения благодаря малому значению параметра ондуляторности, который равен 6. При увеличении энергии фотонов спектр переходит в спектр синхротронного излучения.

Рис.(6.5)1. Испытание 119-полюсного вигглера с полем 2,2 Тл и периодом 31 мм на накопителе ALBA-CELLS (Испания).

Синхротронное излучение и лазеры на свободных электронах Отличительной особенностью вигглера является также использование тонкого сверхпроводящего провода диаметром всего 0,55 мм с рекордными для такого сечения токовыми характеристиками (240 А в поле 7 Тл). При использовании такого тонкого провода особое внимание было уделено защите сверхпроводника от сгорания и выводу энергии при срыве сверхпроводимости. Дело в том, что предельные токовые параметры этого провода достигаются за счет уменьшения сечения меди, необходимой для стабилизации сверхпроводника. Большое количество сверхпроводящих катушек, соединяемых последовательно, накладывало жесткие дополнительные требования на качество изготовления и методику проверки каждой сверхпроводящей катушки, а также на качество электрических контактов между ними. Все 238 обмоток вигглера соединены последовательно таким образом, что общее выделение тепла в местах спаев не превышает 50 мВт при токе 450 А.

Свои особенности имеет и криогенная система вигглера. Использование позолоченных медных теплообменников увеличило реконденсацию газообразного гелия и способствовало переохлаждению жидкого гелия и магнита до ~ 3,5 К. Ожидается, что это обеспечит до двух лет надежной работы вигглера без обслуживания и с нулевым расходом гелия. К тому же пониженное до ~0,5 бар давление в сосуде с жидким гелием позволяет производить до трех срывов сверхпроводимости без потерь гелия атмосферу.

В июне 2011 года предполагается установка и запуск вигглера непосредственно на накопительном кольце ALBA-CELLS. Излучение из вигглера будет использоваться на экспериментальной станции MSPD (Materials Science and Powder Diffraction), работающей с излучением в интервале энергии 10-50 кэВ. Этот диапазон энергий покрывает большинство экспериментов порошковой дифрактометрии, эксперименты по рассеянию и дифракции при высоких давлениях.

6.5.2. Радиационно-стойкий дипольный магнит для строящегося в GSI (Германия) ионного ускорителя.

В Германии строится международный научно-исследовательский ускорительный центр GSI, активное участие в котором принимает Россия. В ИЯФ СО РАН разрабатывался и строится дипольный магнит для Super-FRS, который предназначен для вывода пучков вторичных ионов (вторичные ионы получаются бомбардировкой мишени ускоренными ионами или протонами) в исследовательские станции. В связи с тем, что дипольный магнит расположен после мишени, вторичные ионы имеют большой разброс по углам и координатам.

Дипольный магнит имеет зазор между полюсами 0,18 м, эффективную магнитную длину 2, м, радиус изгиба 12,5 м. Вес магнита около 100 тонн. Дипольный магнит будет расположен в зоне сильной наведенной радиации и важной особенностью магнита является полное отсутствие какихлибо конструктивных элементов, содержащих органические соединения.

Контрактная работа по разработке и изготовлению первого (из трех) радиационно-стойкого дипольного магнита для ускорительного центра GSI (Германия) была начата в 2007 году и закончена в 2010 году.

К началу 2010 года был собран магнит в целом. В 2010 году проведены магнитные измерения, по результатам которых были доработаны полюса магнита. В результате были получены проектные параметры поля. Дипольный магнит перестраивает магнитное поле от 0,15 Тл до 1,6 Тл за секунд. Во всем этом диапазоне в горизонтальной апертуре ± 20 см неоднооднородность магнитного поля не превышает ± 2·10-4.

Рис.(6.5)2. Радиационно-стойкий дипольный магнит на стенде магнитных измерений.

6.5.3. Технологический накопительный комплекс (ТНК “Зеленоград”) К началу 2009 года была закончена длительная тренировка линейного ускорителя, которая позволила повысить энергию электронов на выходе линейного ускорителя (ЛУ) до 65 МэВ, увеличить разовый захват электронов в малый накопитель (МН). После оптимизации параметров систем питания и управления, отладки программного обеспечения был получен режим работы, позволяющий накопить в МН до 70 мА электронов. Дальнейшее увеличение накопленного тока связано с длительным обезгаживанием стенок вакуумной камеры пучком синхротронного излучения. Были отработаны режимы поднятия энергии накопленных в МН электронов до энергии 450 МэВ и режимы перепуска электронов из МН в канал ЭОК-2 к главному кольцу. Инжекционный комплекс готов к началу работ на большой накопитель.

Одновременно с работами на инжекционном комплексе были завершены работы по монтажу магнитных элементов на большом накопителе (БН) и модернизации сильноточных источников питания.

В течение 2010 года была полностью изготовлена, смонтирована и поставлена под откачку вакуумная система большого накопителя. Кроме того, в ИЯФ были изготовлены ВЧ генератор на новых генераторных лампах и биметаллические резонаторы 180 МГц. Запуск всего комплекса планируется на конец 2011 года.

Рис.(6.5)3. Рабочий момент монтажа вакуумной системы большого кольца источника СИ “Зеленоград”.

6.5.4. Разработка нового источника синхротронного излучения для Сибирского центра синхротронного и терагерцового излучения В 2010 году продолжались работы по концептуальной разработке специализированного источника СИ. Основное внимание уделялось следующим вопросам:

• общая компоновка комплекса, инженерная и пользовательская инфраструктуры;

• оптимизация магнитной структуры основного кольца;

• выработка научной программы и направлений исследований на данном источнике.

В 2009 году были проведены работы по предварительному проектированию комплекса зданий, инженерной и пользовательской инфраструктуры. В рамках данной работы были определены основные спецификации и планировки зданий комплекса, необходимые объёмы потребляемых ресурсов и оценки стоимости строительства.

В 2010 году продолжалась работа по проектированию комплекса зданий в рамках единой конСинхротронное излучение и лазеры на свободных электронах цепции развития института. Разработанные ранее эскизы были немного изменены, что позволило при сохранении общей функциональности эффективно вписать комплекс в разрабатываемую концепцию развития ИЯФ и избежать противоречий с планами строительства других комплексов.

Общий вид комплекса зданий для нового источника СИ представлен на Рис.(6.5)4.

Рис.(6.5)4. Общий вид комплекса зданий нового центра синхротронного излучения в рамках единой концепции развития ИЯФ.

Также в 2010 году велись работы по дальнейшей оптимизации магнитной структуры основного кольца разрабатываемого источника СИ. На уровне линейных элементов магнитная структура была определена ранее. Основные параметры кольца представлены в Таблице (6.5.)1, а оптические функции суеперпериода - на Рис.(6.5)5.

Суперпериод состоит из трех TBA-ячеек, центральным магнитом в центральной ячейке является сверхпроводящий диполь с полем 8,5 Тл. Все остальные магниты – обычные с полем 1,6 Тл.

Всего в кольце 4 суперпериода. Данный подход позволяет реализовать использование магнитов разного типа в основной структуре и обеспечивает достаточное количество прямолинейных промежутков с малой дисперсионной функцией для размещения многополюсных устройств для генерации излучения (вигглеров или ондуляторов).

Таблица (6.5)1. Основные параметры накопителя – источника СИ.

Поле в поворотных магнитах Критическая энергия квантов СИ Количество поворотных магнитов Фазовый объем пучка (горизонтальный равновесный ~ 5 нм рад эмиттанс) Тип инжекции В 2010 году главной целью оптимизации были нелинейные элементы магнитной структуры, позволяющие уменьшить натуральный хроматизм низкоэмиттансной структуры при сохранении достаточной динамической апертуры.

Стандартные подходы подавления хроматизма с использованием секступольных линз в данном случае не позволяют получить эффективное подавление для технологически достижимых значений секступольных градиентов. Это обуславливается высокой жесткостью системы квадрупольной фокусировки и общей компактностью структуры, т.е. остуствием места для размещения достаточного количества секступолей.

В процессе оптимизации было предложено использовать комбинированные квадрупольносекступольные линзы. В этом случае эффективность подавления существенно возрастает, так как сектупольные градиенты находятся в местах максимумов бета-функций. Таким образом, значения секступольного градиента могут быть меньше, чем в случае изолированных секступолей при той же степени подавления. Это, в свою очередь, позволяет сохранить достаточную динамическую апертуру.

Результаты моделирования данного подхода позволяют надеяться на получение необходимых секступольных гармоник с помощью небольших безжелезных обмоток в квадруполях. Также предполагается использовать небольшое количество изолированных секступолей для общей коррекции. Оптимизация данной схемы продолжается в настоящее время.

Для подготовки концептуального проекта источника и для формирования научных направлений исследований на новом источнике во время конференции СИ-2010 был проведен цикл обзорных лекций по использованию СИ в различных исследовательских областях. На основе данных лекций сформированы обзорные доклады, которые будут включены в научную часть концептуального проекта источника.

Синхротронное излучение и лазеры на свободных электронах 6.5.5. MARS в РНЦ «Курчатовский институт»

В 2010 году было принято решение о реализации проекта «MARS» на территории РНЦ «Курчатовский институт», проект подробно обсуждался в рамках Российско-германского рабочего совещания «Kurchatov Centre of Synchrotron Radiation and Nanotechnology» (18-19 февраля года, РНЦ КИ, Москва) и на конференции РСНЭ (2009 года).

В 2011 году планируется разработать концептуальный проект создания для РНЦ «Курчатовский институт» источника синхротронного излучения четвертого поколения «MARS» (по договору с РНЦ «Курчатовский институт»).

6.6. Конференции, совещания, семинары 6.6.1. XVIII Международная конференция по использованию синхротронного излучения «СИ-2010» С 19 по 22 июля 2010 года в ИЯФ СО РАН прошла XVIII Международная конференция по использованию синхротронного излучения “СИ-2010” (такие конференции проводятся с 1975 года с периодичностью один раз в 2 года). Конференция состоялась при финансовой поддержке РФФИ.

В конференции приняли участие около 150 человек, из них сорок пять человек иногородних из разных городов России (Зеленоград, Иркутск, Красноярск, Москва, Пущино, Ростов-на-Дону, Снежинск, Томск, Черноголовка). Тридцать пять участников конференции представляли институты Новосибирска и новосибирского Академгородка (без учета ИЯФ). В конференции также участвовали 35 сотрудников ИЯФ. Девять участников представляли организации из Германии (Institute for Synchrotron Radiation, Institute for Microstructure Technology, DESY) и Франции (ESRF). На конференции было представлено 62 устных доклада общей продолжительностью около 25 часов, а также 71 постерная презентация.

Традиционно тематика конференции покрывала все вопросы, связанные с генерацией и использованием синхротронного и терагерцового излучения. Представление о научной тематике «СИ-2010» даёт перечисление секций конференции: «Источники СИ и лазеры на свободных электронах», «Аппаратура для экспериментов с использованием СИ», «Дифракция и рассеяние», «Спектроскопия», «Рентгенофлуоресцентный анализ на СИ». В рамках конференции также проведено рабочее совещание по обсуждению проекта источника СИ четвёртого поколения «MARS».

В текущем году тема конференции была сформулирована в соответствии с «Концепцией развития Сибирского отделения РАН до 2020 года». Согласно этому документу в Новосибирском научном центре СО РАН запланирована реализация проекта создания нового современного источника синхротронного излучения, который должен стать важным элементом инфраструктуры развития самых разных областей науки. Поэтому значительная часть пленарных докладов конференции была посвящена формированию научной программы будущего источника СИ, выработке дополнительных требований к источнику, расширению числа потенциальных экспериментальных групп Центра СИ и обеспечению поддержки в реализации проекта. На конференции заслушаны пленарные доклады ведущих учёных из разных институтов РАН с рассказом о наиболее интересных достижениях в различных областях науки, о научных проблемах и о возможном использовании синхротронного излучения для решения этих проблем. Такой подход к формированию программы конференции полностью себя оправдал - во время пленарных докладов наблюдалась повышенная активность работников СО РАН, для которых был организован свободный доступ на территорию ИЯФ во время проведения конференции.

Труды конференции готовятся к публикации в отдельном выпуске журнала «Поверхность».

Рецензирование статей, присланных для публикации, производится силами экспертов, привлеченных Оргкомитетом конференции. Материалы устных докладов выложены в открытый доступ на сайте конференции по адресу http://ssrc.inp.nsk.su/conf/SR2010/presentations/ 6.6.2. Международный симпозиум по генерации и использованию терагерцового излучения С 26 по 28 июля 2010 года в Академгородке проходил Международный Симпозиум «Терагерцовое излучение: генерация и применение», совмещенный со Школой молодых ученых и специалистов. Он был посвящен обсуждению фундаментальных и прикладных проблем генерации, регистрации и когерентного взаимодействия терагерцового излучения с различными средами.

Фактически, это был первый научный форум в России, полностью посвященный области науки, развитие которой началось только в последние 15 лет прошлого столетия, а в России, вследствие известных событий, задержалось почти на 20 лет.

Проведение международного симпозиума стало возможным благодаря формированию в России терагерцового сообщества, инициированное как проведением «терагерцовых» секций на различных лазерных и оптических конференциях, так и Первым рабочим совещанием «Генерация и применение терагерцового излучения», проведенным 24 -25 ноября 2005 года в Новосибирске. Большую роль в формировании сообщества сыграла финансовая поддержка исследований по данному направлению в рамках Программы фундаментальных исследований Президиума РАН «Электромагнитные волны терагерцового диапазона», действовавшей в 2006 – 2009 гг. и Программы ориентированных фундаментальных исследований РФФИ 2009 – 2010 гг. «Когерентное взаимодействие рентгеновского, синхротронного и терагерцового излучения с конденсированными средами».

В работе Симпозиума приняли участие 92 специалиста, в том числе 12 участников из Германии, Великобритании, Японии, Кореи, Китая, Нидерландов и Украины. Программа семинара состояла из однодневной пленарной сессии, двух параллельных устных сессий, постерной сессии и экскурсии на Новосибирский ЛСЭ. Было прочитано одиннадцать 40-минутных пленарных лекций, сделано шесть 40-минутных «ключевых» (keynote) докладов, 28 тридцатиминутных приглашенных докладов, 17 двадцатиминутных устных докладов и четырнадцать постерных докладов.

Постерная сессия проходила в центре коллективного пользования “Синхротронное и терагерцовое излучение” и была совмещена с экскурсией на Новосибирский ЛСЭ. Этот лазер, расположенный в “Сибирском центре фотохимических исследований”, является самым мощным источником терагерцового излучения в мире (см. раздел ). В настоящее время для пользователей из России и зарубежья доступно шесть рабочих станций. Участникам Симпозиума показали ускорительрекуператор с двумя действующими лазерными резонаторами и продемонстрировали оборудование рабочих станций, доступное для пользователей.

Синхротронное излучение и лазеры на свободных электронах Рис.(6.6)2. Экскурсия для участников Симпозиума на Новосибирский ЛСЭ.

К началу Симпозиума был выпущен сборник тезисов докладов (ISBN 978-5-904968-03-8). Избранные статьи по материалам докладов, представленных на Симпозиуме, публикуются в специальном выпуске Вестника НГУ, серия Физика, а также в International Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (Springer).

По мнению всех участников, Симпозиум прошел успешно. Он позволил исследователям, работающим в области терагерцового излучения, получить достаточно полную информацию об исследованиях, ведущихся в России и ряде зарубежных центров, детально обсудить эти работы, а также установить прямые контакты между представителями групп, работы которых вызвали взаимный интерес. По результатам Симпозиума принято решение о проведении таких форумов в России один раз в два года. Следующий Симпозиум планируется провести в 2012 году в Московском университете.

6.6.3. Школа для молодых специалистов «Синхротронное излучение в науках о земле» С 11 по 15 октября 2010 года в ИЯФ СО РАН прошла 3-я Российская школа молодых специалистов по синхротронному излучению. Предыдущие школы были больше ориентированы на применение отдельных методов, реализованных в нашем Центре коллективного пользования: в году — EXAFS-спектроскопия, рентгенофлуоресцентный анализ, в 2009 году — дифракционные методы. В этом году мы попытались сконцентрироваться на применении этих методов в конкретной научной области — «Синхротронное излучение в науках о Земле», в частности, в геохронологии, петрологии, археологии.

Школы молодых ученых по синхротронному излучению проводятся для того, чтобы дать представление о сути и возможностях рентгеноструктурных и спектроскопических методов с использованием синхротронного излучения. При этом очень важно, что здесь завязываются междисциплинарные научные контакты, которые особенно необходимы в молодые годы. Практические занятия, которые проводятся в рамках школы, дают представление об экспериментальной и методической базе Сибирского центра синхротронного и терагерцевого излучения (СЦСТИ). Синхротронное излучение уже давно является неотъемлемой частью научно-исследовательской инфраструктуры, обеспечивающей необходимые знания для прорывных технологий. Школы позволяют молодым ученым, работающим в различных отраслях науки, по-новому взглянуть на объект своих исследований. Регулярное проведение школ позволяет устанавливать надежные контакты со многими учеными из ведущих научно-исследовательских организаций Уральско-Сибирского региона.

Слушателями Школы стали 75 человек, из них 69 молодых специалистов из следующих городов: Дубна, Екатеринбург, Иркутск, Красноярск, Новосибирск, Снежинск, Томск.

Программа школы включала лекции - 23 академических часа, и практические занятия – 40 академических часов. В чтении лекций приняли участие 20 лекторов из числа ведущих сотрудников СЦСТИ, Института геологии и минералогии СО РАН и Сибирского федерального университета (Красноярск). По представленным лекторами материалам был подготовлен и издан сборник развернутых тезисов лекций.

Рис.(6.6)3. Слушатели и лектора Школы по синхротронному излучению.

6.6.4. Конференция студентов и аспирантов СЦСТИ 26 апреля 2010 года была проведена 9-я ежегодная конференция студентов и аспирантов Сибирского центра синхротронного и терагерцового излучения. Цель конференции – ознакомление научного сообщества с деятельностью подрастающего поколения и совершенствование навыков студентов и аспирантов в умении представлять результаты своей работы. Одновременно конференция является частью конкурса молодых специалистов ИЯФ (секция синхротронного излучения).

На конференции было представлено 16 докладов, из них 13 докладов студентов НГУ и НГТУ, 2 доклада аспирантов ИЯФ, и 1 доклад аспиранта Института катализа. В комиссию конкурса входили как сотрудники ИЯФ, так и представители институтов - участников Сибирского центра СИ.

Комиссией отмечен общий высокий уровень представленных работ и присуждено одно первое, два вторых и два третьих места.

Синхротронное излучение и лазеры на свободных электронах 6.6.5. Участие сотрудников СЦСТИ в других научных мероприятиях • The 4th European XFEL Users’ Meeting, DESY, Hamburg, Germany, January 27-29, 2010.

• Научно-практическое совещание: «Центры коллективного пользования научным оборудованием в современном секторе исследований и разработок», Москва, 19 февраля 2010 г.

• THz-bio workshop, THz-Bio Application System Center at Seoul National University (SNU), Seoul, Korea, 9 March 2010.

• Х Международная конференция “Забабахинские научные чтения”, РФЯЦ – ВНИИТФ, Снежинск, 15-19 марта, 2010 г.

• Заседание Рабочей группы по XFEL, РНЦ «Курчатовский институт», Москва, 15 апреля 2010 г.

• European XFEL MAC meeting, 5-6 May 2010, Hamburg.

• Workshop on 50 Anniversary of DESY, Hamburg, Germany, 18-22 May 2010.

• International particle accelerator conference IPAC 2010, Kyoto, Japan, 23-28 May • International conference “Fundamentals of laser assisted micro- and nanotechnologies”.

(FLAMN-10), St. Petersburg – Pushkin, Russia, July 5-8, 2010.

• New perspectives of high energy physics, 13th ISTC SAC seminar, Novosibirsk, Russia, 1-5 September, 2010.

• 35th International conference on infrared, millimeter and terahertz waves IRMMW-THz 2010, Rome, Italy, 5-10 September 2010.

• VII Форум межрегионального сотрудничества Республики Казахстан и Российской Федерации с участием глав государств на тему «Сотрудничество в области устойчивого развития высоких технологий», Усть-Каменогорск, 7-8 сентября 2010 г.

• Рабочее совещание «Рентгеновская оптика – 2010», г. Черноголовка, 20-23 сентября 2010 г.

• VIII Международная конференция “Актуальные проблемы электронного приборостроения” АПЭП – 2010, Новосибирск, 22-24 сентября, 2010 г • XXII Russian particle accelerator conference, RuPAC-2010, Protvino, Russia, 2010, Sept. 27 – Oct.

• Strategy of development of large-scale research infrastructures of the Russian Federation and cooperation with the European Union: Third Intern. workshop, October 29, 2010, Nancy, France.

• The 17th international symposium on laser spectroscopy, SOLS 2010, November 4-5, 2010, KAERI Daejeon, Korea.

• 3rd meeting of the European XFEL Machine Advisory Committee (MAC), Hamburg, Germany, November 11-12, 2010.

• 2nd JAAWS at PAL, Pohang, Korea, 28-29 November 2010.

Радиофизика электроника Введение Работы ИЯФ в области радиофизики и электроники сосредоточены, в основном, в Радиофизической лаборатории. Основная тематика лаборатории связана с разработкой и исследованиями радиофизических систем для ускорителей и накопителей заряженных частиц, которые, в свою очередь, разрабатываются Институтом в соответствии с основными направлениями деятельности Института.

В рамках этих направлений сотрудники лаборатории занимаются разработкой разнообразного радиоэлектронного оборудования: систем питания, управления, диагностики, систем компьютерного управления; высокочастотных ускоряющих систем и источников ВЧ и СВЧ энергии; исследованием поведения пучков заряженных частиц во взаимодействии с ускоряющими системами и с другими элементами и устройствами ускорителей и накопителей заряженных частиц. Очевидно, что основные результаты работы лаборатории являются частью общих результатов исследований и работ, проводимых на действующих комплексах: ВЭПП - 4, ВЭПП-2000, ЛСЭ, Инжекционного комплекса, работ по физике плазмы.

Как следствие универсального характера некоторых разработок лаборатории, часть из них становится основой для разработки приборов и устройств, имеющих самостоятельную научную или технологическую ценность. Некоторые разработки в той или иной степени применяются и используются в работах по другим тематикам Института, при выполнении работ по контрактам с российскими и зарубежными научными центрами из США, Германии, Швейцарии, Японии, Китая, Южной Кореи.

Здесь следует особо отметить контрактные работы для CERN по созданию элементов LHC, завершившиеся в 2008 – 2009 годы; работы для Зеленограда по созданию источника синхротронного излучения ТНК, которые будут продолжаться еще несколько лет; работы по созданию инжекторов нейтральных атомов для организации Tri Alpha Energy (TAE, США). Пусковые работы по комплексу ТАЕ уже перешли в исследовательский режим, принося в ИЯФ новые интересные контрактные работы.

Ниже кратко приведены некоторые результаты работ, проводившихся в 2010 году, и ориентиры по работам, которые будут продолжены в 2011 году и в дальнейшем.

7.1 Источники питания электрофизических установок 7.1.1 Источники стабилизированного тока Разработка источников стабилизированного тока для питания различных электрофизических установок и отдельных их узлов является одной из главных задач, проводимых в Радиофизической лаборатории. Устройства этого класса включают, прежде всего, источники постоянного тока для питания электромагнитов накопителей заряженных частиц. Выходной ток таких источников, в зависимости от задачи, имеет значение от единиц ампер до десятков килоампер. Соответственно, выходная мощность - от десятков ватт до сотен киловатт и единиц мегаватт. Источники тока, как правило, имеют широкий диапазон регулирования величины тока (до 60 дб) и высокую точность регулирования и стабилизации (погрешность 0,01% и меньше). Источники тока являются сами по себе сложными электрофизическими устройствами с компьютерным управлением, контролем, тестированием, со сложной системой блокировок и устройств внутреннего контроля. Аналогов российская промышленность не выпускает.

Вседствие многолетней непрерывной работы источников питания и измерительной аппаратуры в составе физических комплексов (ускорителей и накопителей заряженных частиц) происходит физическое устаривание электронике, что ведет к росту эксплуатационных расходов и к вынужденным простоям комплексов.

В 2010 году была продолжена многолетняя работа по модернизации электроники прецизионных источников серии “ИСТ”, предназначенных для питания электромагнитов. Это устройства мощностью 50 кВт, 100 кВт и 200 кВт с тиристорным регулятором и с каналом подавления пульсаций. Источники управляются встроенными одноканальными 16-разрядными ЦАП (СЕАС121), Радиофизика и электроника для измерения тока применены бесконтактные магнитомодуляционные датчики тока (DCCT). В 2010 году модернизировано пять ИСТ-ов. Напомним, что модернизация включает в себя замену электроники, внутришкафного элекромонтажа и конденсаторных батарей. Изготовлено и налажено 18 комплектов электроники управления ИСТ-ами, что обеспечивает модернизацию нескольких ИСТ-ов и тринадцати источников типа В-1000 (1000 А, 20 В) в 2011 году.

• В ушедшем году были продолжены разработка, изготовление и тестирование электроники и силовых узлов устройств реверса тока нагрузки для ИСТ-ов канала К-500, который предназначается для транспортировки электронов и позитронов на комплексы ВЭПП-2000 и ВЭПП-4. Электроника и силовые узлы установлены в ИСТ-ы канала и ожидают своей очереди в плане пусковых и монтажных работ комплекса.

• В ушедшем 2010 году Завод Низковольтной Аппаратуры (НВА, Рассказово, Тамбовской обл.) поставил в ИЯФ четыре источника тока (350А, мощностью от 50 до 200 кВт) для питания магнитной системы установки электронного охлаждения ионов (COSY, Германия). Источники испытаны и подготовлены к работе на стенде COSY в ИЯФ. Дополним, что эти источники выполнены в шкафах Евромеханики, а пять комплектов управляющей электроники, также в Евростандарте, были специально для этой программы разработаны и изготовлены в ИЯФ. Планируется, что в году завод изготовит для ИЯФ ещё два источника (2 кА, 60 и 120 кВт), также с нашей управляющей и измерительной электроникой.

• Продолжалась модернизация и текущая эксплуатация основных источников питания БЭП и ВЭПП-2000 – устройств мегаваттного диапазона мощностей с током до 10 кА, а также введён в работу на стенде магнитных измерений источник типа ИСТ – 800 А, 230 В (изготовлен в Рассказово по контракту). Также на стенде в результате модернизации появился источник тока с выходным током до 2,5 кА.

• В источнике питания БЭП отработан режим «Реверса».

• Начато проектирование источников питания диполей для бустера NSLS-II. Работа будет выполняться в 2011 году по кооперации совместно с Danfysik, Дания.

Продолжалась разработка и ввод в эксплуатацию источников тока с выходной мощностью до 10кВт, выполненных по Switch Mode технологии:

• Для фирмы «Криомагнит» для питания сверхпроводящих соленоидов (по контракту) поставлены реверсивные источники тока: два источника ±300 А, 8 В и один источник с током до ±1000 А, 5 В.

• Для комплекса ВЭПП-2000 была продолжена адаптация вновь изготовленных источников тока. Это 300 А, 8 В, 12 шт., питание сверхпроводящих соленоидов. А также, в соответствии с потребностью комплекса, для повышения мощности питания четырех квадрупольных линз применены четыре сдвоенных источника тока.

• Однополярные источники тока с максимальными параметрами 300 А/18 В, разработанные для питания элементов магнитной системы ЛСЭ, успешно проработали на питании первой очереди магнитов ЛСЭ, поэтому в 2010 году продолжена постановка таких источников для питания магнитной системы второй очереди ЛСЭ. Напомним, что в 2008 году пять источников из этой серии поставлены в ОИЯИ (г. Дубна) и успешно работают на комплексе ИРЭН.

Каждый из перечисленных Switch Mode источников оборудован двумя бесконтактными датчиками тока: один - для осуществления стабилизации, другой - для независимых измерений. Каждый источник тока снабжен также встроенным управляющим ЦАП/АЦП модулем. Долговременная нестабильность выходного тока источников не превышает 50 – 100ppm.

• В рамках Switch Mode технологии продолжены разработки, расширяющие области применения силового узла, разработанного для энергоблока электронно – лучевой сварки. В результате в лаборатории появились версии преобразователей с частотой 20 кГц и выходной мощностью кВт, 15 кВт, 40 кВт и 60 кВт. Эти преобразователи в сочетании с выходными выпрямителями и согласующими трансформаторами послужили основой для следующих разработок, начатых в году и планируемых на последующие годы:

- собран стенд для испытаний и наладки источников питания колонны (COSY);

- собран и испытан источник питания колонны COSY: 60 кВт, 500 В, 20 кГц. Источник испытан при выходной мощности до 60 кВт. Долговременная работа возможна на мощности до кВт. Производится доработка для обеспечения работы на мощности 60кВт и более. Источник выполнен в 5-этажной 19” стойке конструктива Евромеханика по модульному принципу. В 2011 году источник будет установлен на установке электронного охлаждения COSY в ИЯФ с последующей поставкой в Германию.

• Проведена разработка и начата сборка двух источников тока 1000 А, 30 кВт, также работающих на частоте 20 кГц. Испытания планируются на 2011 год.

• В рамках контракта с BNL (США) спроектированы и переданы в цех элементы источников питания квадрупольных линз для бустера (Контракт, BNL).

• Начаты новые разработки источников питания для сравнительно «Маломощных» инжекторов ионов: 50 кВ, 15 и 30 кВт, разработана конструкция, заказаны детали.

Продолжались разработка, усовершенствование и изготовление небольшими сериями сравнительно маломощных источников тока, обеспечивающих питание корректирующих электромагнитов или специальных устройств.

• Завершено изготовление и наладка полного комплекта источников тока для питания корректоров комплекса ТНК. В 2010 году отправлено в Зеленоград около 40 каналов (два шкафа), завершая, таким образом, поставки (около 200 каналов 5А, 30 В). Система ожидает окончания монтажа магнитной системы ТНК и трасс.

• Комплект источников тока для питания мультипольных линз ТНК, содержащий источники тока MPS-20-100 (±20 A, 100 В) в количестве 11 шт., а также источники тока MPS-20-50 (±20 A, В) в количестве 3шт. также отправлены в Зеленоград в 2010 году.

• Планируется, что в следующем, 2011 году, около десяти каналов 20-амперных источников будет поставлено на Инжекционный комплекс, для замены устаревших физически и морально источников тока ТИР-25.

• Разработаны, изготовлены и настраиваются источники питания корректирующих электромагнитов для проекта COSY. Это источники серии MPS (6А)- около 50 каналов, и восемь источников тока с выходным током до 20 А, из них шесть источников типа «шунт».

• Сданы в производство источники питания корректоров для канала К-500.

• Изготовлено и введено в эксплуатацию около 20 каналов двуполярных источников тока типа УМ-1, УМ-3 и УМ-10 с выходными токами 1 А, 3 А и 10 А соответственно. Источники установлены на комплексах: ЛСЭ, ЭЛС, ЛИУ. Сданы в производство, а в 2011 году будут поставлены на накопитель – охладитель и на линак инжекционного комплекса еще около 50 каналов источников тока для питания корректоров.

7.1.2 Высоковольтные источники. Электроника для диагностических и нагревных инжекторов нейтральных атомов Развитие в предыдущие годы тематики диагностических и нагревных инжекторов нейтральных атомов создало заметный спрос на них со стороны зарубежных центров, занимающихся физикой плазмы. Это, в свою очередь, привело к интенсификации загрузки участников этих работ, как в части разработок, так и в изготовлении и поставках инжекторов с полной комплектацией питанием и системой компьютерного управления и контроля.

В перечисленных ниже разработках и поставках 2010 года порой трудно провести линию разграничения – где кончается разработка электроники и где – разработка собственно инжектора.

Ниже - неполный перечень этих работ.

1. Изготовлены и переданы в эксплуатацию заказчику два комплекта электроники питания и управления «нагревными» инжекторами для токамака “Compass-D” (IPP, Прага, Чешская республика). Параметры основных источников питания приведены ниже:

2. Закончен ввод в эксплуатацию и проведена модернизация электроники высоковольтного питания четырёх «нагревных» инжекторов в ТАЕ (США). Основной целью модернизации являлась Радиофизика и электроника возможность работы атомарных инжекторов без дорогостоящих мотор – генераторов. Длительность рабочего цикла инжектора сокращена с одной секунды до восьми миллисекунд, что позволило использовать уже существующие в системе накопители энергии.

Достигнутые после модернизации 3. В 2010 году проведена разработка концептуального проекта системы высоковольтного питания инжектора отрицательных ионов 4. Начато проектирование и изготовление системы высоковольтного питания стационарного инжектора отрицательных ионов 7.1.3 Высоковольтные источники. Электроника Энергоблоков для электроннолучевой сварки (ЭЛС) В 2010 году совместно с сотрудниками НИТИ «Прогресс» (г. Ижевск) была продолжена работа по применению энергоблоков и установок ЭЛС на предприятиях страны. В настоящее время шесть установок ЭЛС с нашими энергоблоками работают в технологических цепочках на предприятиях России. Один энергоблок используется на стенде ИЯФ.

Одновременно в течение отчетного года продолжалась разработка и изготовление элементов и узлов энергоблоков и их систем питания, управления и контроля для установок электроннолучевой сварки и для сопряженных тематик.

• Спроектирован и собран источник высоковольтного напряжения для нового инжектора ЛСЭ (150 кВ 100 мА). Высоковольтная колонна выполнена на основе умножителя с рабочей частотой 20 кГц. В первой половине 2011 года источник будет поставлен на ЛСЭ.

• Продолжена модернизация комплектов ЭЛС с выходной мощностью 60 кВт, 30 кВт, 15 кВт – для проведения последующих контрактных работ; в том числе – начата разработка пятикиловаттного энергоблока.

• В 2010 году в рамках контракта COSY проведена разработка источника питания коллектора электронов в высоковольтной колонне установки электронного охлаждения. Источник 5 кВ, 3 А находится в высоковольтном терминале высоковольтной колонны. Источник выполнен в виде пяти секций с выходным напряжением 1 кВ, включенных последовательно по выходу. По входу все секции запитываются параллельно от трансформаторной линии колонны. Четыре секции представляют собой нерегулируемые преобразователи, которые могут быть включены или выключены, а одна секция является регулируемым преобразователем. Управление осуществляется по оптическому каналу. Источник собран, испытывается и будет вводиться в работу в 2011 году.

• Введена в работу модернизированная система высоковольтного питания для Источника отрицательных ионов. Это несколько регулируемых прецизионных стабилизаторов с напряжением до 40 кВ, мощностью до 2 кВт. Работы будут продолжены в 2011 году для получения оптимальных параметров пучков.

• В конце 2009 - в начале 2010 годов продолжились разработки для К-500 (каналы транспортировки электронов и позитронов), что позволило успешно изготовить 25 источников (генераторов) импульсного питания для магнитных элементов каналов. Источники работают с накопительной емкостью 100 мкФ, максимальное напряжение – 700 В с предварительным выбором полярности импульса тока. Рабочая частота – 1 Гц. Управление и контроль – через контроллер CEAC124. Электроника выполнена в «Евромеханике».

• Другой вариант импульсного генератора разработан для фокусирующей системы ЛИУ. Изготовлено и поставлено на ЛИУ шесть генераторов.

Следует также упомянуть, что и в 2010 году продолжалась техническая поддержка в рабочем состоянии ранее изготовленных систем и их узлов, находящихся в эксплуатации на установках Института и за его пределами.

7.2 Разработка измерительных систем и устройств автоматизации физических экспериментов Участие лаборатории в автоматизации установок, стендов и больших физических комплексов состоит:

• В разработке и поставке готовых систем (систем управления, контроля, диагностики, компьютерных систем) с последующим участием авторов в адаптации систем к физическим установкам;

• В разработке элементов контроля, управления, таймирования систем питания с последующей комплексной поставкой этих систем на ускорители и накопители заряженных частиц и с исследованием их влияния на комплекс в целом;

• В поставке отдельных унифицированных модулей (КАМАК, VME, "Вишня", "Евромеханика") в действующие или в новые установки и стенды;

• В разработке новых подходов, методик и, как следствие, новых устройств, позволяющих решать физические экспериментальные задачи на новом уровне;

• В модернизации существующих систем автоматизации, управления и диагностики на действующих физических установках;

• В ремонте и техническом обслуживании нескольких тысяч блоков электроники и целых систем, разработанных и находящихся в эксплуатации.

Аппаратура, разработанная и произведенная в ИЯФ, широко используется не только в СО РАН, но и во многих научных организациях России и за рубежом. Номенклатура ежегодно выпускаемой аппаратуры составляет несколько десятков типов цифровых, аналоговых и цифро-аналоговых устройств, блоков или модулей.

• Изготовлены, налажены и переданы в эксплуатацию очередные 100 различных блоков с интерфейсом CAN-BUS для систем управления и контроля электрофизическими установками. За истекший год семейство пополнилось двумя новыми модулями: VSDC2- двухканальный измеритель мгновенных значений и формы импульсных магнитных полей, IVI1811- двухканальный измеритель временных интервалов наносекундного диапазона. Подробное описание модулей размещено на сайте лаборатории.

• Следует отметить, что устройства этого семейства широко используются и при выполнении контрактных работ. За последние годы более половины произведенных модулей (всего штук) в комплекте с различными источниками питания и в составе контрольно-измерительных комплексов поставлены в ОИЯИ (Дубна), КИСИ (Москва), ТНК (Зеленоград), НИТИ «Прогресс»

(Ижевск), KAERI (Южная Корея), IMP (Китай).

• В Институте интенсивно эксплуатируются несколько систем для различных магнитных измерений на основе аппаратуры нового поколения, позволяющей проводить прецизионные измерения полей как с помощью матриц на датчиках Холла, так и с помощью подвижных катушек.

В состав набора входят:

- прецизионный АЦП со встроенным аналоговым коммутатором;

- 32-канальный коммутатор с погрешностью коммутации 1 мкВ, для работы с датчиками Холла в модуле предусмотрен прецизионный (0,001 %) генератор тока;

- прецизионный интегратор с цифровым выходом.

Радиофизика и электроника Таблица (7.1) 1. Семейство устройств с CAN-BUS интерфейсом CANDAC16 16-канальный, 16-разрядный ЦАП, 8-битовые входной и выходной регистры 40-канальный, 24-разрядный АЦП (класса 0,03%), 8-битовые входной и выходной CANADC CDAC20 20-разрядный ЦАП, 5-канальный, 24-разрядный АЦП (класса 0,003%), 8-битовые CEDAC20 входной и выходной регистры (Вишня и евромеханика) 20-разрядный ЦАП, 5-канальный, 24-разрядный АЦП (класса 0,003%), 8-битовые CEAC входной и выходной регистры (евромеханика 3U) CAC208 8-канальный 16-разрядный ЦАП, 20-канальный, 24-разрядный АЦП (класса 0,003%), CEAC208 8-битовые входной и выходной регистры (Вишня и евромеханика) 4-канальный 16-разрядный ЦАП, 12-канальный, 24-разрядный АЦП (класса 0,003%), CEAC 4-битовые входной и выходной регистры (евромеханика 3U) 1-канальный 16-разрядный ЦАП, 12-канальный, 24-разрядный АЦП (класса 0,003%), CEAC121 4-битовые входной и выходной регистры (евромеханика 3U), ориентирован для управления быстрыми источниками 20/40-канальный, 24-разрядный АЦП (класса 0,003%), 4-битовые входной и выходной CEAD 8-канальный, 16-разрядный генератор задержанных импульсов, 8-битовые входной CGVI CPKS8 8-канальный, 16-разрядный преобразователь код- скважность SLIO24 Интерфейс CANbus - 24-разрядная двунаправленная шина, встраиваемая плата CKVCH Коммутатор высокочастотных сигналов 8-1, 2*(4-1), 4*(2-1) CANIPP Интерфейс CANbus- 2 ветви типа ИПП CANIVA 16-канальный измеритель вакуума (тока магниторазрядного насоса) CURVV Универсальный регистр ввода/вывода (2 выходных и 4 входных регистра по 8 бит) Регистратор дискретных сигналов (регистр прерывания, СДС, регистры ввода/ CIR 8-канальный 16-разрядный ЦАП, 16-канальный, 24-разрядный АЦП (класса 0,03%), CAC входной и выходной регистры, встраиваемая плата Модуль CAN-DDS представляет собой делитель входной тактовой частоты с CAN-DDS дистанционно перестраиваемым дробным коэффициентом.

CAN- Для замыкания цепи обратной связи в схеме термоподстройки высокочастотных ADC3212 резонаторов.

CANGW Шлюз Ethernet - CAN/RS VME-CAN Интерфейс VME-CAN.

CEDIO_A Многопортовый регистр ввода/вывода.

GZI-CAN 4-канальный генератор задержанных импульсов, 80 нс – 10,28 мкс Модуль для прецизионного измерения магнитных полей с помощью индукционного VSDC IVI1811 Измеритель временных интервалов с разрешением 0,5 нс • Разработана, изготовлена и запущена электроника стенда магнитных измерений квадрупольных линз NSLS-2. Для работы на стенде написано новое программное обеспечение. В отличие от предыдущих разработок, оборудование стенда позволяет довести погрешность измерения мультипольных компонент до уровня лучше, чем 10 -5.

• Проведены магнитные измерения радиационно-стойкого магнита GSI, изготовленного в 2009 году. При измерениях впервые применялось определение координаты каретки с помощью лазерного интерферометра и специально разработанной электроники.

• Изготовлена партия модулей VSDC2, предназначенных для измерения мгновенных значений импульсных магнитных полей в каналах ускорительно - накопительных комплексов ИЯФ.

Продолжается их тестирование на комплексе ВЭПП-2000. Устройство должно заменить устаревшей модуль БИИП-4.

• Запущена система управления линейным индукционным ускорителем для импульсной рентгенографии. Система управления, выполненная на базе современного стандарта CompactPCI, обеспечила успешный запуск ускорителя в ноябре 2010года.

• Для оснащения системы управления ЛИУ разработаны и изготовлены в необходимых количествах PCI-модули 5 типов.

• Для замены дорогостоящих носителей PMC-плат, необходимых в больших количествах в системе управления ЛИУ, выполнена разработка собственного модуля, полностью соответствующего стандарту Compact PCI. Необходимое количество модулей произведено, налажено и установлено в систему управления ЛИУ.

• На комплексе ВЭПП-2000 модернизированы программы в блоках управления источниками питания, что позволило упростить процесс перестройки токов в магнитных элементах накопителя.

• Поставлена заказчику и введена в строй система для управления электронной пушкой и каналом в рамках контракта модернизации охладителя ионов в IMP (Ланьчжоу, Китай). Система включает в себя около 20 электронных модулей, в том числе быстрые высоковольтные формирователи (3 кВ) с регулируемой амплитудой. Новая электроника обеспечивает модуляцию энергии охлаждающего электронного пучка.

• Изготовлен и настроен комплект модулей электроники для управления электронной пушкой охладителя ионов для COSY.

• Изготовлен и испытан прототип электроники для системы юстировки магнитного поля охладителя ионов (для COSY). Начата разработка двух вариантов электроники с ручным управлением и с управлением от ЭВМ.

• В рамках выполнения контрактной работы лаборатория принимала участие в проектировании системы управления для бустера NSLS-II.

• Продолжены работы по созданию системы управления четырехдорожечного ЛСЭ.

• Начата разработка таймера (90 МГц) для нового модулятора пушки инжектора.

• Продолжена разработка нового поколения источников питания и модулятора электронной пушки инжектора лазера на свободных электронах.

• Продолжена работа по внедрению современных интеллектуальных контроллеров в системах управления физических установок. Изготовлена очередная партия контроллеров и шлюзов CAN-Ethernet для различных установок института.

• Для замены устаревшего оборудования для систем питания основных магнитных элементов накопителя ВЭПП-4 разработан прецизионный (0,002%) интерполирующий ЦАП с интерфейсом MIL-STD-1553B с использованием современной элементной базы. Модуль программно и аппаратно совместим с предыдущей устаревшей разработкой. Необходимое количество модулей изготовлено, налажено и установлено.

• Проверено при работе в реальных условиях и скорректировано встроенное программное обеспечение шлюзов-мультиплексоров для системы сбора данных на детекторе КМД-3.

• Поставлено и запущено в работу 3 комплекта управляющих систем для инжекторов нейтральных пучков (диагностический и нагревательный варианты инжекторов). Системы базируются на коммерчески доступных компонентах. Математическое обеспечение унифицировано для обоих вариантов инжектора и предусматривает интеграцию в общую систему управления.

• Для установок электронно-лучевой сварки разработан новый источник питания с возможностью косвенного подогрева катода электронным пучком. Целью данной разработки является поиск варианта и конструкции катода со значительно увеличенным временем жизни.

• Проведены первые эксперименты по измерению поперечных размеров пучка в установках электронно-лучевой сварки. Полученные результаты показали, что измерительная система работает устойчиво и может быть использована для оперативного контроля параметров электронного пучка.

• Матричный ПЗС TC237 опробован в режимах быстрого накопления изображений (0,25 - мкс на изображение). Для тестирования временного и пространственного разрешения в этих режимах был разработан специальный оптический стенд.

• Разработан и испытан высоковольтный (10 кВ) линейный усилитель на транзисторах. Данная разработка позволяет значительно упростить электронику управления электростатическими устройствами физических установок. (Препринт ИЯФ 2010-32) • Запущен в работу на комплексе ВЭПП-2000 измеритель временных интервалов в наноРадиофизика и электроника секундном диапазоне с интерфейсом CAN-BUS. Устройство предназначено для контроля работы систем «впуск-выпуск».

• Продолжена разработка двухканального измерителя сверхмалых токов для ионизационных камер.

• Начата разработка системы контроля основных параметров теплового насоса, используемого в системе охлаждения ускорительных комплексов.

• Изготовлены и введены в работу три комплекта новой электроники для пикапов ВЭПП-4.

Для них также разработано программное обеспечение. Новая электроника позволяет различать сгустки вблизи места встречи и имеет повышенную точность измерения смещений сгустков.

• Изготовлен полный комплект электроники для измерения орбиты и бетатронных частот для ТНК. Часть аппаратуры отправлена на ТНК.

• Разработаны, изготовлены и проверены прототипы всех блоков электроники для пикапов COSY. Начато изготовление серии блоков для 12 пикапов. Начат обмер пикапов на стенде.

• Разработан и изготовлен прототип блока обработки сигналов для системы измерения бетатронных частот для бустера NSLS-II (BNL).

• Закончены разработка и изготовление усилителя ВЧ мощности (4 МГц) для нагрева плазмы. Испытана работа усилителя на чисто активную нагрузку и на контур – эквивалент антенны.

При 8 кВт выходной мощности усилителя в активной нагрузке контура получено 5 кВт, что оценивается как неплохой результат.

• Разработан и изготовлен прототип новой прецизионной "пикапной электроники" для ВЭПП-3 и для других возможных накопителей. ВЭПП-3 предполагается оснастить ей в 2011 году.

• Для ВЭПП-4 изготовлена и введена в работу аппаратура для селективной деполяризации отдельных сгустков электронов.

• Введены в работу электронный и позитронный каналы системы поперечной обратной связи, предназначенной для подавления бетатронных колебаний пучков на комплексе ВЭПП-4. Аппаратура испытана на всех доступных токах пучка на энергии до 2 ГэВ. Будет продолжена отработка различных режимов работы системы – при подъеме энергии, при измерении бетатронных частот, при работе на большее количество сгустков (до 8-ми). В конце года при участии работников комплекса началось создание программного интерфейса системы.

• Произведена настройка второго блока амплитудно-фазовых измерений на инжекционном комплексе. В конце года возобновилась работа с нашим участием по модернизации элементов существующей схемы ВЧ-системы.

• На комплексе ЛСЭ была продолжена наладка систем диагностики пучка для третьей и четвертой дорожек и, базируясь на результатах измерений орбиты пучка, настройка всего комплекса.

• Разработаны и начата постановка на Инжекционный комплекс новых блоков согласования сигналов и быстрой защиты для модулятора клистрона 5045.

• Изготовлены и поставлены в университет штата Монтана (США) 12 емкостных и 12 ультразвуковых гидростатических датчиков, модернизированных по сравнению с предыдущей версией.

Система снабжена собственным программным обеспечением. Также по контракту осуществлена поставка в KEK (Япония) 10 емкостных гидростатических датчиков.

• Выполнена большая часть работ по изготовлению 18 гидростатических емкостных датчиков вертикальных перемещений для SLAC (США). Датчики будут отправлены заказчику в году.

• Продолжены работы по развитию сайта лаборатории. http://www.inp.nsk.su/activity/ automation/index.ru.shtml Данный сайт должен способствовать более полному и корректному использованию разработок лаборатории. Для этого, помимо описаний различных модулей, появились руководства по эксплуатации (application notes). Сайт регулярно обновляется.

7.3 Исследования, связанные с моделированием и решением электростатических и электродинамических задач ускорительной физики 1. Продолжены работы по дальнейшему развитию программ для расчета электростатических и магнитостатических полей, электронных и ионных пушек. В том числе:

• Проводилось усовершенствование алгоритмов программы ExtraSAM, позволяющей проводить расчёт аксиально-симметричных электронно- и ионно-оптических систем с учетом объёмного заряда и теплового разброса поперечных скоростей частиц пучка. Также реализована возможность моделировать в низкочастотном приближении эмиссию интенсивного пучка заряженных частиц в ВЧ полях.

• Проводилось усовершенствование алгоритмов программы MAGEL3B, позволяющей рассчитывать трехмерные системы транспортирования пучков заряженных частиц, состоящих из элементов, предварительно рассчитанных с помощью программ ExtraSAM и MAGEL3D, с учетом объёмного заряда и теплового разброса поперечных скоростей частиц пучка.

2. Проведены работы по численным расчетам, моделированию и проектированию электронных пушек, электронных и ионных пучков, а также магнитных систем. В том числе:

• В рамках контракта с лабораторией ТАЕ (США) продолжались работы по расчету с помощью программ ExtraSAM, MAGEL3D и MAGEL3B системы формирования, ускорения и транспортировки 10 А квазистационарного ионного пучка мощностью 10 МВт с учетом поперечной температуры и объемного заряда пучка. Система включает в себя большое количество магнитов и электронно-оптических элементов сложной конструкции.

• В рамках сотрудничества по проекту БНЗТ с помощью программы MAGEL3B проводился подбор параметров магнитных элементов канала транспортировки протонного пучка высокой энергии для БНЗТ. Получено хорошее совпадение результатов расчета и измерения размеров неразвернутого и развернутого пучка на нейтронной мишени установки.

• В рамках сотрудничества по контракту о поставке 100 кВт промышленного ВЧ ускорителя ИЛУ-14 с помощью программы ExtraSAM проводилось моделирование внутренней инжекции и динамики электронного пучка в ускорителе с учетом объёмного заряда пучка. Была показана возможность инжекции и проведения сквозь структуру ускорителя пучков с энергией 7,5 МэВ и МэВ с требуемой мощностью 100 кВт.

• В рамках контракта по созданию мощного источника нейтральных частиц было осуществлено моделирование и оптимизация магнитного поля в плазменной перезарядной мишени.

• В рамках контракта по созданию высоковольтной установки электронного охлаждения для COSY были разработаны электронная пушка и коллектор. Электронная пушка отличается возможностью управления распределением плотности тока для оптимизации процесса электронного охлаждения при сохранении умеренной поперечной температуры пучка.

Радиофизика и электроника 7.4 ВЧ генератор для резонансного ускорителя электронов на основе коаксиального резонатора В течение нескольких лет в РФЯЦ-ВНИИЭФ проводится работа по проектированию и созданию мощного облучательного комплекса на основе резонансного ускорителя электронов с широким диапазоном выходной энергии электронного пучка от 1 до 8 МэВ со средней мощностью до 300 кВт. Ускоряющей структурой проектируемой установки является полуволновой коаксиальный резонатор. На этапе макетирования установки для получения электронных пучков в заданном энергетическом диапазоне с токами около 1 мА в качестве системы ВЧ питания предполагается использовать ВЧ генератор, спроектированный и изготовленный в Институте ядерной физики СО РАН. Основные технические параметры ВЧ генератора Волновое сопротивление выходного фидера 50 Ом В состав ВЧ генератора входят: трехкаскадный усилитель мощности, источники питания анодов, экранных, управляющих сеток, накалов ламп и система управления амплитудой ускоряющего напряжения. Выходной каскад усилителя выполнен на мощном генераторном тетроде ГУ-101А, в промежуточном каскаде используется тетрод ГУ-92А. Первый каскад усиления - полупроводниковый. Каждый каскад представляет собой отдельный экранированный модуль, устанавливаемый открыто, то есть без шкафов. Возбуждение выходного каскада мощностью до 10 кВт поступает от промежуточного каскада по жесткому коаксиальному фидеру. Анодный источник питания ВЧ генератора состоит из трех секций, конструктивно объединенных в один блок. Остальные источники питания ламповых каскадов смонтированы в шкафу управления ВЧ генератором. Система управления расположена в корзине шкафа управления.

Выходной каскад ВЧ генератора собран на тетроде ГУ-101А по схеме с общей сеткой. Конструктивная схема выходного каскада показана на рис.(7.4)1. Выходной резонатор (2) представляет собой одиночный параллельный колебательный контур (анодный контур), конструктивно выполненный в виде длинной линии с волной типа ТЕМ, образованной последовательным соединением отрезков коаксиальных линий с общей длиной длины волны. Один торец линии присоединен к выводам анода и экранной сетки лампы (1), второй – короткозамкнут. Характеристическое сопротивление эквивалентного резонансного контура – 3,9 Ом. Собственная добротность контура - около 3000, нагруженная добротность – 85. Блокировочные конденсаторы (3) и (4) отделяют постоянные потенциалы анода и экранной сетки лампы от заземленного корпуса.

Настройка анодного контура в резонанс с рабочей частотой осуществляется плунжером (5).

Перемещение плунжера, изменяющего емкость, вносимую в анодный контур, осуществляется механизмом, управляемым дистанционно. Связь с нагрузкой – емкостная. Величину емкости связи можно изменять перемещением плунжера (6). Коэффициент связи нагрузки с анодным контуром устанавливается таким образом, чтобы для фактических величин сопротивления нагрузки и выходной мощности, режимы работы лампы не превышали предельно-допустимых. Отсутствие скользящих контактов в конструкции плунжеров повышает надежность работы генератора.

Входной резонатор (7) также является одиночным параллельным колебательным контуром, состоящим из отрезков коаксиальных линий, нагруженных с одного торца емкостью между катодом и управляющей сеткой лампы, а с другого – конструктивной емкостью пластины (8). ЭквиваРадиофизика и электроника лентная длина резонатора, образованного этими элементами равна длины волны. Питание на электроды лампы подается через высокочастотные фильтры.

Рис.(7.4)1. Конструктивная схема выходного каскада генератора 100 МГц В выходном коаксиальном фидере установлен направленный ответвитель для измерения коэффициента отражения от нагрузки генератора.

Для эффективного контроля качества сборки контактных узлов, соединяющих лампу с резонансными контурами каскада, каскад конструктивно разделен на две основных части. Первая часть, включающая в себя лампу с контактными пружинными коронками, водяным баком и частью ВЧ контуров собирается вне корпуса каскада. При этом обеспечивается хороший визуальный контроль за состоянием контактов, примыкающих к электродам лампы. В собранном виде эта часть грузоподъемным механизмом опускается во вторую, стационарную часть и производится окончательная сборка каскада.

В предвыходном каскаде используется тетрод ГУ-92А также по схеме с общей сеткой. Возбуждение для каскада поступает от полупроводникового усилителя с максимальной мощностью до 500 Вт. Возбуждение подается по гибкому коаксиальному кабелю РК50-9-12. Каскад снабжен механизмом подстройки его резонансной частоты и имеет возможность подстройки связи каскада с нагрузкой – с входной цепью выходного каскада генератора. Оба регулировочных элемента управляются вручную.

Полупроводниковый усилитель служит для возбуждения промежуточного лампового каскада. Усилитель двухкаскадный, в обоих каскадах используется двухтактная схема. Первая ступень усиления собрана на отечественных полевых транзисторах КП923А, в выходном каскаде используется сдвоенный полевой транзистор IXZ2210N50L фирмы IXYS Semiconductor. При максимальной входной мощности сигнала 3 Вт на частоте 100 МГц мощность на выходе усилителя на нагрузке 50 ом – 500 Вт. Возбуждение на вход усилителя приходит от регулируемого усилителя из шкафа управления, где размещается корзина для электроники управления ВЧ напряжением резонатора.

Охлаждение полупроводникового усилителя водяное.

Радиофизика и электроника Источники питания управляющих сеток, накала ламп, электронные блоки системы включения, блокировок, защиты, контроля работы (УБС) и управления ВЧ возбуждением генератора размещены в шкафу, установленном рядом с ламповыми каскадами. Схема УБС реализована на программируемой логике и имеет возможность дистанционного управления и контроля. Источник высоковольтного питания подает напряжение на аноды и экранные сетки усилительных электронных ламп (тетродов) высокочастотного генератора и обеспечивает быстрое снятие напряжение с тетродов при пробоях в лампах и контурах ВЧ генератора.

Параметры высоковольтного источника питания:

Наибольшее действующее значение пульсаций выходного напряжения Анодный выпрямитель представляет собой регулируемый высоковольтный источник напряжения, управляемый по входу регулятором на тиристорах и работающий на сетевой частоте. Регулируемое напряжение поступает на вход повышающего трансформатора. С выхода трансформатора высокое напряжение поступает на диодный выпрямитель, собранный по схеме Ларионова. Сетевые пульсации выпрямленного напряжения фильтруются LC-фильтрами. К фильтру источника 14 кВ подключена последовательная RC-цепочка, подавляющая раскачку фильтра на резонансной частоте 30 Гц.

Для предотвращения разрушения генераторных ламп при пробоях анодный выпрямитель 14 кВ снабжен защитой, снимающей напряжение с анода лампы за время менее 50 мксек. Источники питания анодов и экранных сеток обеих ламп размещены в четырёх шкафах, механически связанных между собой для обеспечения воздушного охлаждения от встроенного вентилятора.

Анодный трансформатор ТСГЛ 400 – силовой сухой трёхфазный трансформатор с геафолевой литой изоляцией, установлен внутри этих шкафов.

Генератор питается от трехфазной сети 380 В, 50 Гц. При максимальной выходной мощности потребление составляет 400 кВт, ток каждой фазы – 600А. Охлаждение анодного источника питания осуществляется от встроенного вентилятора, тепловыделение - около 9 кВт при выходной мощности 400 кВт. Габаритные размеры источника питания (ШГВ): 33008002100 мм. Масса - около 3000 кг.

Система управления ВЧ стабилизирует амплитуду ускоряющего напряжения резонатора, перестраивает задающий генератор системы так, чтобы резонатор был настроен в резонанс и обеспечивает безопасный режим работы генератора с помощью блокировок и защит. Для стабилизации амплитуды ВЧ напряжения резонатора имеется цепь обратной связи. Сигнал с измерительной петли резонатора Uрез. (рисунок 2) поступает на амплитудный детектор модулятора. Выпрямленное напряжение сравнивается в модуляторе с внешним постоянным опорным напряжением. Усиленный сигнал ошибки управляет усилением регулируемого усилителя. Параметры усилителя сигнала ошибки и цепи обратной связи выбраны так, чтобы обеспечить относительную стабильность амплитуды ускоряющего напряжения резонатора не хуже 0,1%.

Второй амплитудный детектор преобразует ВЧ сигнал первого фидера от датчика тока петли ввода мощности резонатора, установленного в фидерной линии, в постоянное напряжение. Это напряжение используется в модуляторе, если по какой-либо причине резонатор расстраивается. При этом увеличение тока петли ввода мощности и мощности ВЧ генератора ограничивается модулятором на безопасном уровне.

Вторая цепь обратной связи управляет частотой задающего генератора системы (возбудитель 50 МГц). Для этого сигналы с измерительной петли резонатора вместе с сигналом, пропорциональным току петли резонатора, поступают на вход фазометра 100 МГц. Выход фазометра управляет входом электронной перестройки частоты возбудителя таким образом, чтобы резонатор был настроен в резонанс. Ошибка подстройки резонатора не превышает 5% от его полосы пропускания.

Предусмотрен режим работы возбудителя, при котором обратная связь разрывается и частоту возбудителя можно перестраивать вручную с передней панели блоки или от внешнего пульта управления.

Для испытаний генератора был собран стенд, включающих все элементы, предназначенные для поставки. Выходной каскад генератора был соединен с эквивалентом нагрузки, рассеивающем мощность 200 кВт и КСВ, равном 1.33 на частоте 100 МГц. Измерения параметров при мощности в нагрузке 180 кВт проведены на частоте 100 МГц.

Параметры испытания выходного каскада в режиме близком к критическому.

После успешного завершения испытаний в июле 2010 года изготовленное оборудование было отправлено заказчику.

Работа выполнена по контракту с федеральным государственным предприятием «Российский Федеральный Ядерный Центр - Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Экспериментальной Физики» (ФГУП ‹‹РФЯЦ-ВНИИЭФ››).

В работе принимали участие:

В.С.Арбузов, Ю.А.Бирючевский, Э.И.Горникер, Е.В.Козырев, А.А.Кондаков, С.А.Крутихин, Г.Я.Куркин, С.В.Мотыгин, В.Н.Осипов, Г.В.Сердобинцев, К.Н.Чернов.

Радиофизика и электроника 7.5 Изготовление и настройка элементов ускоряющей структуры для модульного промышленного линейного ускорителя электронов 10 МэВ, 100 кВт Были продолжены работы в рамках реализации проекта комплекса для стерилизации медицинских изделий и деконтаминации опасных больничных отходов на основе ускорителя ИЛУ-14.

После изготовления элементов ускоряющей структуры была проведена серия холодных измерений для настройки ячеек структуры на рабочую частоту. Для измерения парциальных частот ячеек отдельные секции структуры монтировались на специальном стенде в вертикальном положении, измерение парциальной частоты ячейки проводилось после закорачивания апертур соседних резонаторов специально изготовленными медными цилиндрами. Результаты измерений показали, что парциальные частоты ускоряющих ячеек лежат в пределах допустимой точности непосредственно после изготовления и в подстройке не нуждаются. Чашки резонаторов связи протачивались в соответствии с чувствительностью парциальной частоты к геометрическим размерам ячейки, полученной в результате численного моделирования, после чего проводились контрольные измерения в вертикальном положении. После настройки всех ячеек связи ускоряющая структура была собрана целиком в горизонтальном положении. Результаты измерения распределения амплитуд ускоряющего поля в ускоряющих ячейках методом протягивания малого возмущающего тела вдоль оси структуры показали достаточную однородность в пределах 10%.

Рис. (7.5)1. Секция ускоряющей структуры в вертикальном положении.

Источник электронов представляет собой триодную электронную ВЧ-пушку, состоящую из катодно-сеточного узла, размещаемого в зазоре первого ускоряющего резонатора УС, и резонансной системы, служащей для подачи дополнительного ВЧ напряжения на зазор сетка-катод.

Резонатор был настроен на рабочую частоту 176,2±0,2 МГц с помощью элементов подстройки и шунтирован внешней нагрузкой до величины нагруженной добротности 15, что необходимо для увеличения широкополосности устройства.

Рис. (7.5)2. Вид на ячейку связи. Рис.(7.5)3. Вид на ускоряющую ячейку во Рис. (7.5)4. Источник электронов на измерительном стенде.

ВЧ мощность подается в ускоряющую структуру через четыре коаксиальных ввода мощности.

В режиме работы с пучком потери мощности на отражение не должны превышать 4% (коэффициент отражения - не выше 0,2). Согласование вводов мощности осуществляется по специальной методике, когда отдельный ввод согласуется со структурой без пучка до получения КСВН в питающем фидере не выше 1,2. Это обеспечивает необходимое согласование вводов мощности при работе ускорителя с электронным пучком. Регулировка коэффициента связи осуществляется путем поворота элемента связи - петли.

Радиофизика и электроника Рис. (7.5)6. Ускоряющая структура после настройки вводов мощности.

В настоящее время на ускорителе ведутся работы по получению проектных параметров электронного пучка.

В работах принимали участие :

И.Г. Макаров, Г.Н. Острейко, А.Д. Панфилов, Г.В. Сердобинцев, В.В. Тарнецкий, М.А. Тиунов, К.Н. Чернов.

7.6 Проект ВЧ генератора на частоту 100 МГц с выходной мощностью 540 кВт в непрерывном режиме Высокочастотный тракт генератора В течение нескольких лет в ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ (г. Саров), проводится работа по проектированию и созданию мощного резонансного ускорителя электронов с широким диапазоном выходной энергии электронного пучка от 1 до 8 МэВ со средней мощностью до 300 кВт. По договору с «РФЯЦ-ВТИИЭФ» в ИЯФ разработан проект ВЧ генератора с выходной мощностью 540 кВт в непрерывном режиме на частоту 100 МГц.

В виду отсутствия в РФ генерирующих приборов мощностью более 200 кВт в непрерывном режиме на частоте 100 МГц, требуемая мощность 540 кВт может быть получена только путем сложения мощностей нескольких генераторных ламп.

Cхема сложения мощностей, предлагаемая в данной работе, применена в ИЯФ СО РАН при разработке генераторов на частоту 180 МГц для ускорителя лазера на свободных электронах. Сложение мощностей трех ламповых модулей осуществляется путем непосредственного присоединения их к выходной линии связи в сечениях этой линии, отстоящих друг от друга на расстоянии, кратном половине длины волны. Каждый генераторный модуль должен обеспечивать выходную мощность 180 кВт.

Для сложения мощностей и получения максимального КПД каждой лампы необходимо правильно сбалансировать амплитуды и фазы токов возбуждения выходных генераторных модулей.

В качестве основы для разработки лампового модуля применен разработанный в ИЯФ и испытанный при выходной мощности 180 кВт на частоте 100 МГц каскад усиления мощности на лампе ГУ101А, являющийся выходным каскадом ВЧ генератора, поставленного в ФГУП «РФЯЦВТИИЭФ», г. Саров в июле 2010 года.

Каждый генератор включает в себя предварительный полупроводниковый усилитель с мощностью на входе до 3 Вт и выходной мощностью не менее 500 Вт. Мощность с предусилителя поступает на вход промежуточного каскада усиления, выполненного на одном тетроде ГУ-92А.

Выходная мощность этого каскада 12 кВт возбуждает выходной модуль генератора, в котором применен один тетрод ГУ-101А.

Для получения мощности 540 кВт в выходном каскаде устанавливается три одинаковых ламповых модуля ГУ-101А, модуль настройки резонансной частоты анодного контура и модуль регулировки связи с нагрузкой.

Места подключения модулей к линии связи расположены на расстоянии равном половине длины волны в этой линии. Для обеспечения сложения мощностей модулей средний модуль должен возбуждать линию в противофазе к крайним. В этой схеме напряжения и токи в сечениях включения модулей (а, следовательно, и нагрузки источников токов) всегда равны друг другу, независимо от величины нагрузки. Поэтому одинаковы и мощности, отдаваемые каждым источником тока.

Возбуждение входных контуров каждого лампового модуля независимое, от отдельных предварительных каскадов.

Оптимальный баланс фаз и амплитуд возбуждающих напряжений достигается с помощью системы управления амплитудой и фазой сигналов на входах генераторов.

В диапазоне частот 100 ± 1 МГц система не требует каких-либо перестроек, кроме настройки в резонанс общего для трех ламп анодных контура.

Связь с нагрузкой регулируется путем изменения волнового сопротивления волнового участка линии на выходе генератора.

Входной контур модуля оперативной настройки не требует. Входные контура ламповых модулей в данном исполнении не объединены. Каждый модуль возбуждается от отдельного канала, который состоит из усилителя на лампе ГУ92А и полупроводникового усилителя. Все каскады собраны по схеме с общими сетками. Обе лампы требуют принудительное водяное и воздушное охлаждение. Принудительное воздушное охлаждение требуется также для суммирующей линии выходного каскада. Общий вид генератора показан на рис.(7.6) 1 (А, Б).

Радиофизика и электроника Рис. (7.6)1. А). ВЧ генератор 540 кВт. Вид сверху. 1 - Выходной модуль генератора с лампой ГУ-101А; 2, 3 – узел настройки; 4, 5 – входы водяного охлаждения; 6 - Коаксиальный выход ВЧ мощности; 7, 8 – четвертьволновый трансформатор с переменным волновым сопротивлением;

9 - четвертьволновый трансформатор с волновым сопротивлением 30 Ом; 10, 11 – каскад усиления ВЧ мощности с тетродом ГУ-92А; 12 - Вход воздушного охлаждения ламповых каскадов генератора.

Б) ВЧ генератор 540 МГц. Вид сбоку. 4, 5 – входы водяного охлаждения; 6 – коаксиальный выход ВЧ мощности; 11 - каскад усиления ВЧ мощности с тетродом ГУ-92А; 13 – шкаф низковольтных источников питания и управления; 14 – суммирующая линия связи; 15 – центральный проводник суммирующей линии связи; 16 – индуктивный шлейф.

Каждый ламповый модуль на тетроде ГУ101А обеспечивает получение мощности до 200 кВт в нагрузке при работе в составе выходного каскада из 3-х модулей. Система регулировки связи трехмодульного каскада с нагрузкой позволяет получить мощность 540 кВт при КСВН не более 1, в диапазоне частот 99 – 101 МГц. Выход генератора рассчитан на подключение жесткого медного коаксиального фидера с волновым сопротивлением 50 Ом с диаметрами внутреннего и внешнего проводников соответственно 70 мм и 160 мм.

Система питания генератора Каждый из трех каналов генератора имеет свой источник питания. Источник питания канала генератора размещен в двух шкафах:

а. Шкаф низковольтных источников питания (накала, сеток ламп и ПУ) и управления.

б. Источник высоковольтного питания анодов +14 кВ.

В шкафу низковольтных источников питания и управления размещены источники питания накалов тетродов, выпрямитель смещения для управляющих сеток тетродов и блок управления генератора со схемой). Тип шкафа – ЕВРОМЕХАНИКА, размер - 6008002100 мм. Шкаф управления и низковольтных источников устанавливается вблизи каскадов ВЧ генератора.

Источник высоковольтного питания подает напряжение на аноды и экранные сетки усилительных электронных ламп (тетродов) высокочастотного генератора и обеспечивает плавный подъём при включении, быстрое отключение напряжения с тетродов при пробоях в лампах и контурах ВЧ генератора.

Анодный источник питания представляет собой регулируемый высоковольтный источник напряжения, управляемый по входу регулятором на тиристорах и работающий на сетевой частоте.

Регулируемое напряжение поступает на вход повышающего трансформатора с габаритной мощностью 400 кВт. Трансформатор – промышленный, трёхфазный, сухой типа ТСГЛ с естественным воздушным охлаждением. Напряжение высоковольтной обмотки (линейное) - 10000 В, напряжение низковольтной обмотки (линейное) - 380 В.

С выхода трансформатора высокое напряжение поступает на диодный выпрямитель, собранный по схеме Ларионова. Напряжение питания анода первого лампового каскада снимается с общей точки вторичной обмотки трансформатора.

На выходе источника 14 кВ установлена схема быстрой защиты генераторной лампы ГУ101А при пробоях и перегрузках. Время срабатывания быстрой защиты - менее 50 мксек.

Источник питания экранных сеток нерегулируемый, трансформатор трёхфазный, сухой типа ТС, с естественным воздушным охлаждением, габаритная мощность - 2,5 кВА.

Охлаждение анодного источника питания - от встроенного вентилятора, тепловыделение ~ 9 кВт при выходной мощности 400 кВт.

Габаритные размеры источника питания (ШГВ) 33008002100 мм. Масса ~ 3000 кг.

Система управления мощностью ВЧ генератора.

Система управления обеспечивает необходимые параметры высокочастотного напряжения на ускоряющем резонаторе и защиту генератора от перегрузок и аварийных ситуаций.

Требования к ВЧ системе:

1. Нестабильность амплитуды ускоряющего напряжения резонатора - не более ±0,1%.

2. Регулировка уровня выходной мощности – в пределах 0…100%.

3. Основной режим работы генератора – непрерывный.

4. Фазирование высокочастотных токов выходных ламп с точностью не хуже ±5 град. на частоте 100 МГц и выравнивание их амплитуд.

5. В качестве задающего генератора используется возбудитель, обеспечивающий перестройку частоты в рабочем диапазоне частот резонатора. В рабочем режиме осуществляется подстройка частоты возбудителя по собственной частоте резонатора. Ошибка подстройки не должна превышать ±0,05 полосы резонатора.

Блок-схема ВЧ системы показана на рис.(7.6)2. Система состоит из трех независимых между собою каналов регулирования и усиления мощности, устроенных одинаковым образом. ВЧ мощность с выходных каскадов каналов складывается в ВЧ сумматоре. ВЧ сумматор подключен к ускоряющему резонатору.

Сигнал на вход предусилителя и далее на мощные каскады в каждом канале проходит через круговой электронный фазовращатель (ФВР1) и регулируемый усилитель высокочастотного сигнала (РУ). Коэффициент усиления РУ регулируется постоянным напряжением.

Радиофизика и электроника Имеется две общих внешних цепи обратной связи. Одна из них регулирует частоту возбудителя 100 МГц – задающего генератора ВЧ – системы таким образом, чтобы резонатор был всегда настроен в резонанс. Для этого ВЧ сигналы с датчика амплитуды ускоряющего напряжения и датчика тока петли резонатора подаются на вход "1" фазометра 100 МГц. Выход фазометра управляет частотой возбудителя.

Вторая цепь обратной связи стабилизирует амплитуду ускоряющего напряжения резонатора.

Для этого напряжение ВЧ сигнала с измерительной петли резонатора поступает на Амплитудный детектор 1. Выходное постоянное напряжение сравнивается с опорным с помощью дифференциального усилителя ДУ0. Сигнал ошибки с выхода ДУ0 является общим опорным сигналом для внутренних цепей обратной связи, регулирующих амплитуду возбуждения выходных каскадов усиления ВЧ мощности.

В каждой из внутренних цепей обратной связи имеется амплитудный детектор (Амплитудный детектор 2 для первого канала), вырабатывающий напряжение, пропорциональное амплитуде ВЧ напряжения в катодной цепи выходной лампы. Это напряжение сравнивается с внутренним опорным с выхода ДУ0 с помощью дифференциального усилителя ДУ1. Выходной сигнал ДУ управляет регулируемым усилителем РУ. Регулировочное сопротивление R1 (для первого канала) служит для выравнивания режимов работы выходных каскадов, учитывая разность усилительных параметров ламп и разность коэффициентов связи датчиков напряжения сигнала в катодной цепи ламп.

В каждом канале имеется вторая цепь обратной связи, регулирующая фазу ВЧ напряжения в катодной цепи выходной лампы. Для этого сигнал с датчика ВЧ напряжения на входе ГУ-101А подается также на вход "2" фазометра 100 МГц. На второй вход этого фазометра приходит общее опорное ВЧ напряжение от возбудителя 100 МГц. Выход фазометра управляет круговым электронным фазовращателем ФВР1 (для первого канала). Таким образом обеспечивается жесткая привязка фазы ВЧ напряжения на каждом входе ГУ-101А к опорному напряжению.

Для начальной установки фазы напряжения на входе ГУ-101А служит фазовращатель ФВР2, выполненный на переключаемых полосковых линиях, управляемых вручную. Фазовращатель будет установлен так, чтобы обеспечить одинаковые фазы ВЧ токов выходных ламп по отношению к опорному ВЧ напряжению и, следовательно, между собою.

Система управления имеет схемы блокировок и защиты ВЧ генератора и резонатора в нештатных ситуациях.

Быстродействующие защиты срабатывают при превышении напряжением резонатора и током фидера пороговых значений. В этом случае снимается возбуждение с входов предусилителей каналов ВЧ генератора. Быстродействие каналов – порядка 100 мксек.

Работу выполнили В.С.Арбузов, Э.И.Горникер, Е.В.Козырев, С.А.Крутихин, Г.Я.Куркин, В.Н.Осипов, А.М.Пилан, Г.Н.Сердобинцев, К.Н.Чернов.

7.7 Модернизация ВЧ генераторов непрерывной мощности для ЛСЭ Для возбуждения ВЧ резонаторов микротрона-рекуператора ЛСЭ ИЯФ СО РАН разработаны и изготовлены генераторы непрерывной мощности до 600 кВт на частоту 181 МГц. Необходимая выходная мощность генератора получена сложением мощностей, генерируемых четырмя лампами в выходном каскаде. Принцип построения таких многоламповых выходных каскадов генераторов приведен в прошлых выпусках годовых отчетов. В настоящее время в этих генераторах применены мощные тетроды УКВ диапазона ГУ101А. Общее число ламп ГУ101А, установленных в генераторах ЛСЭ – 12. Опыт эксплуатации генераторов показал, что при мощности, генерируемой одной лампой, менее 120 кВт, срок службы лампы при пониженном напряжении накала (до 12,6 В), более 4000 часов. В тоже время с увеличением ВЧ мощности, снимаемой с лампы, до 120 – 150 кВт срок службы уменьшается до 1000 часов, а в отдельных случаях и до меньшей величины. Во время разработки ламп ГУ101А предполагалось, что в дальнейшем для увеличения срока службы ламп в генераторах они будут заменены на лампы с пирографитовыми сетками ГУ105А, срок службы которых в несколько раз больше. Однако в России работы по производству пирографитовых сеток были остановлены. Поэтому в ИЯФ было принято решение разработать и изготовить ВЧ генераторы на лампах с пирографитовыми сетками ТН781, выпускаемых фирмой THALES (Франция).

Гарантийный срок службы у этих ламп 3500 часов. Производитель ламп полагает, что на частоте 180 МГц при выходной мощности до 150 кВт при пониженном напряжении накала срок службы ламп составит не менее 7000 часов.

Таблица (7.7)1. Основные параметры лампы ТН781 и, для сравнения, ГУ101А.

Из таблицы видно, что у ТН781 примерно в 2 раза меньше диаметр и междуэлектродные емкости. Мощность накала ТН781 меньше в 3 раза, а проходные емкости в 2-4 раза.

Радиофизика и электроника На основе генераторов, использующих лампы ГУ101А, была разработана конструкция, позволяющая достаточно быстро (не более чем за 40 часов) перенастроить четырехламповый генератор как на лампы ТН781, так и на совместное применение этих ламп с российскими. Найденное решение позволило минимизировать затраты на изготовление, сборку и настройку генераторов при сохранении прежних принципов сложения мощностей, настройки ВЧ системы и связи с ускоряющими резонаторами. Кроме того, совместное применение ламп разных типов позволило обеспечить непрерывную работу ЛСЭ, последовательно заменяя лампы по мере их поступления.

На рис.(7.7)1 приведен эскиз размещения ТН781 в модуле генератора. Совместная работа ламп разного типа достигнута благодаря тому, что размеры анодного контура модуля с ТН781 обеспечивают одинаковые амплитуды ВЧ напряжения на анодах ТН781 и ГУ101А.

Поскольку приобретение необходимого количества ламп занимает значительное время, необходимо обеспечить работу генератора для ЛСЭ в течение этого времени, постепенно заменяя лампы четырехлампового каскада. Поэтому были собраны и настроены несколько вариантов усилительных каскадов:

1. Одноламповый каскад с лампой ТН781 на выходную мощность 150 кВт.

2. Четырехламповый каскад с одной лампой ТН781 и тремя ГУ101А на выходную мощность 3. Четырехламповый каскад с двумя лампами ТН781 и двумя ГУ101А на выходную 4. Четырехламповый каскад с четырьмя лампами ТН781 на выходную мощность 600 кВт.

Рис.(7.7)1. Расположение тетрода ТН781 в корпусе лампового модуля генератора.

Расчет мощности, рассеиваемой на анодах ламп, проводился калориметрическим методом. Измерялись разность температур воды на выходе и входе баков охлаждения анодов ламп и расход воды.

Вариант 1, необходимый для исследования свойств каскада с одним ламповым модулем, был собран в выходном каскаде генератора, возбуждающего ускоряющий резонатор инжектора в микротрон ЛСЭ. При испытании на эквивалент нагрузки 50 Ом получена мощность 150 кВт и показано, что напряжение накала можно понизить до 8,5 В. Ток накала - 315 А. Коэффициент усиления каскада - 11 дб при напряжении анода 7,9 кВ.

Кроме того, проведено испытание однолампового каскада, нагруженного на ускоряющий резонатор в ВЧ системе инжектора ЛСЭ. Проведена работа, обеспечивающая подавление самовозбуждения генератора во всем диапазоне перестроек каскада и изменении уровня входной мощности.

Проверено, что устойчивая работа каскада на узкополосную нагрузку с полным отражением возможна без применения циркулятора.

Варианты 2 и 3 применялись в одном из генераторов и работали в ЛСЭ последовательно около года.

Четырехламповый каскад с одним ламповым модулем ТН781 и тремя модулями ГУ101А был нагружен непосредственно на волновод-делитель к 8 ускоряющим резонаторам микротронарекуператора. Разница величин мощностей, генерируемых модулем ТН781 и модулями ГУ101А, не превышала 10%.

Вариант 3. В четырехламповый каскад генератора были поставлены два модуля ТН781 и два модуля ГУ101А. Испытание каскада также проведено в составе ВЧ системы ЛСЭ на 8 ускоряющих резонаторах микротрона-рекуператора. При выходной мощности 500 кВт максимальная разница между мощностями, генерируемые каждым модулем, была менее 20 кВт. Дальнейшая настройка, улучшающая распределение генерируемых лампами мощностей была отложена, так как результаты работы удовлетворяли требованиям ЛСЭ.

Вариант 4 реализован в сентябре 2010 г. Все лампы в четырехламповом каскаде заменены на ТН781. В настоящее время этот генератор работает в ВЧ системе ЛСЭ и, одновременно, проводятся исследования каскада с целью выяснения его максимальной мощности, КПД и обеспечения устойчивой работы в различных режимах.

Результаты измерений и расчета параметров каскада при суммарном напряжении на резонаторах 6500 кВ приведены в таблице (7.7)2.

Таблица (7.7)2.

Работу выполнили сотрудники В.С.Арбузов, Э.И.Горникер, Е.В.Козырев, A.A.Koндаков, А.М.Пилан, В.Г. Ческидов.