Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) совместно со специалистами ФАУ «СибНИА им. С. А. Чаплыгина» и Института нефтегазовой геологии и геофизики имени А. А. Трофимука СО РАН (ИНГГ СО РАН) создали измерительный стенд для проверки точности и стабильности гирдеров — несущих конструкций, на которых будет установлена магнитная система накопительного кольца синхротрона Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (ЦКП «СКИФ»). От характеристик гирдеров во многом зависят различные параметры пучка в установке, в том числе его эмиттанс — параметр, который определяет уровень яркости синхротронного излучения (СИ), а значит и качество исследований пользователей ЦКП «СКИФ».
Одна из основных характеристик ЦКП «СКИФ», которая и относит этот источник СИ к установкам класса мегайсайенс и поколению «4+» — его беспрецедентно малый эмиттанс (около 73 пм·рад). Этот параметр определяет уровень яркости СИ, а значит и исследовательских возможностей ЦКП «СКИФ». Значение эмиттанса формируется с помощью магнитной структуры основного кольца ускорительного комплекса, которая разрабатывается и производится в ИЯФ СО РАН.
Основное ускорительное кольцо синхротрона СКИФ имеет кольцевую вакуумную камеру периметром 476 метров. Внутри неё почти со скоростью света будет вращаться пучок заряженных частиц и «раздавать» пользователям СИ для исследований в области структурной вирусологии, кристаллографии белков, материаловедения многих других. Благодаря параметрам излучения на СКИФ станет возможным изучать структуру объектов с нанометровым разрешением.
Одна из немаловажных конструкций, которые будут использоваться при сборке основного кольца синхротрона — это гирдеры. На этих точных и стабильных подставках длиной от 3 до 4,5 метров и весом около 5 тонн будут выставляться все магнитные элементы ускорительного кольца. На 114 гирдерах установят более 1000 магнитных элементов – фокусирующих и поворачивающих магнитов.
Гирдер с облорудованием
«Для того чтобы получить заявленные параметры пучка — около 73 пм·рад — все элементы по орбите ускорительного кольца нужно выставить с очень высокой точностью, — рассказывает старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Григорий Баранов. — Ошибка выставки магнитов относительно этой орбиты порядка 30 микрон. Выставка должна быть суперточной, практически близкой к физическому пределу. Также стоит отметить, что ускорители заряженных частиц в силу своих параметров очень чувствительны к любым возмущениям внешней среды. Из-за того, что размер пучка в ускорителе совсем маленький, то есть частицы в пучке сильно сконцентрированы, любые возмущения почвы сказываются на нем. Например, где-то проедет поезд и раскачает грунт, вибрация вызовет колебания в несколько миллиардов раз меньше метра, но это может существенно изменить параметры пучка. И гирдеры нам помогут не только быстрее выставить всю магнитную структуру, потому что на одну подставку может быть установлено несколько магнитов, но и сделать это более качественно — они помогут добиться необходимой точности выставки и защитят от естественного и техногенного вибрационного фона».
Гирдеры основного кольца синхротрона СКИФ сами по себе являются технически сложной конструкцией. Чтобы они выполняли все свои функции, при их разработке нужно учесть очень многие детали, в том числе сам материал, из которого они будут сделаны. Прототип гирдера для синхротрона был создан специалистами СибНИА совместно с ООО «Авиареставрация» и ООО «Вильде Механикс».
«После предварительной проработки нескольких вариантов конструкций и материалов выбор был остановлен на схеме, представляющей собой две параллельные силовые балки, соединённые перемычками. Опоры гирдера позволяют регулировать его положение в вертикальной и горизонтальной плоскости с требуемой точностью. Конструкция выполнена из алюминиевого сплава», — рассказывает ведущий научный сотрудник отделения динамической прочности летательных аппаратов СибНИА Егор Жуков.
Следующая задача специалистов была в том, чтобы создать измерительный стенд, на котором будут измеряться как геометрические параметры гирдера, так и основная характеристика конструкции, а именно резонансная частота.
«Около нас и предметов, нас окружающих, в общем вокруг любой механической системы, постоянно появляются колебания или вибрации естественного и техногенного фона, — поясняет Григорий Баранов. — Естественные колебания — это ветер, капли дождя, а техногенные вибрации — это проезжающий поезд, машины или рок-концерт неподалеку. Когда колебания доходят до какой-то механической системы, вот, например, до этого стола, они передаются ей, и предмет начинает вибрировать. А когда эти вибрации доходят до резонансной частоты или собственной частоты предмета, колебания сразу же кратно усиливаются, и вся конструкция начинает болтаться. Конечно, такую болтанку невооружённым глазом не увидишь, и она не мешает работать человеку, сидящему за столом, но если мы говорим о такой тонко настроенной системе, как магнитная орбита синхротрона, и пучок в ней, то в этом случае нужно учитывать и поезд, идущий в двух километрах от кольца. Так вот элемент наукоемкости при разработке и производстве гирдеров состоит в оптимизации конструкции таким образом, чтобы ее резонансные частоты были как можно выше, чтобы они были более стойкими к приходящим вибрациям».
Измерительный стенд создан на основе оборудования СибНИА и ИНГГ СО РАН. Сейчас специалисты отрабатывают методики на прототипе гирдера. В будущем на данном измерительном стенде будут проводиться измерения резонансных частот всех 114 гирдеров основного кольца синхротрона «СКИФ».
«Частотный диапазон, который мы рассматриваем, включает колебания, регистрируемые в полосе от 1 до 200 Герц, — добавляет научный сотрудник ИНГГ СО РАН и старший научный сотрудник Передовой инженерной школы НГУ Петр Дергач. — Все высокоамплитудные колебания, находящиеся ниже — это уже сигналы от землетрясений, которые приходят на всю площадку практически одновременно. Более высокочастотные колебания быстро затухают в рыхлом приповерхностном слое и не доходят до объекта. Нас прежде всего интересуют локальные источники сейсмических шумов, такие как: проезжающие неподалеку грузовые автомобили, поезда, а также промышленные объекты — именно от них приходят волны определённых частот, которые, дойдя до гирдеров, могут усилиться и нарушить стабильность пучка заряженных частиц. Поэтому нам важно понимать, какие механические колебания передаются от бетонного основания к магнитному элементу и определить их источники. Экспериментальные сейсмометрические измерения ИНГГ СО РАН производятся с использованием бескабельной телеметрической сейсморегистрирующей системы «SCOUT», приобретённой из средств гранта на обновление приборной базы научно-исследовательских институтов СО РАН».
На измерительном стенде ИЯФ СО РАН реализованы две методики измерения, что позволит верифицировать полученные результаты и быть уверенными в том, что гирдеры отвечают всем требованиям, а значит и заявленные параметры пучка будут достигнуты.
«Методика модальных испытаний гирдера заключается в следующем, — рассказывает Егор Жуков. — На гирдер и его оборудование устанавливаются акселерометры в количестве, достаточном для однозначного определения резонансных (собственных) частот и форм колебаний. Также акселерометры устанавливаются на фундамент вблизи опор для определения коэффициентов передачи колебаний от внешних источников. Испытания проводятся при плавном изменении частоты внешнего гармонического воздействия в заданном диапазоне частот с постоянной амплитудой силы. Внешнее воздействие прикладывается к различным частям конструкции, а также фундаменту при помощи электродинамических вибровозбудителей. Количество точек возбуждения колебаний и направления действия сил определяются в процессе испытаний по условиям выделения того или иного тона колебаний».
В результате работ по испытаниям прототипа гирдера специалисты ИЯФ СО РАН, СибНИА и ИНГГ СО РАН выделили резонансы на частотах близких к значениям 10 и 20 Гц и рекомендуют учитывать возможную работу промышленных установок в ближайшем окружении синхротрона на этих частотах, так как амплитуда может повыситься до критических значений, и негативно повлиять на орбиту пучка электронов основного кольца ЦКП «СКИФ».
Источник: ИЯФ СО РАН.