Создан опытный экземпляр несущей конструкции накопительного кольца СКИФ, и теперь рок-концерт не помешает исследователям
- 31.08.2023
Специалисты ФАУ «СибНИА им. С. А. Чаплыгина» совместно с ООО «Авиареставрация» и ООО «Вильде Механикс» выполнили работы по проектированию и изготовлению опытного экземпляра гирдера для модульных секций накопителя ЦКП «СКИФ». Гирдеры – несущие конструкции, 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». Проверка соответствия гирдера техническим требованиям проведена на испытательном стенде, созданном Институтом 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).
Одна из основных характеристик ЦКП «СКИФ», которая и относит данный 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 нее 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.
«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 невооруженным 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 определенных 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», приобретенной 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».
Центр коллективного пользования «СКИФ» – источник синхротронного излучения поколения 4+. Установка сооружается в Новосибирской области в рамках национального проекта «Наука и университеты» и во исполнение Указа президента России от 25 июля 2019 года.
Заказчиком и застройщиком ЦКП «СКИФ» выступает ФИЦ «Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН». Единственный исполнитель по изготовлению и запуску технологически сложного оборудования для ЦКП «СКИФ» – Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН. В настоящее время десятки организаций РФ привлечены в создание ЦКП «СКИФ». К ним относятся ООО «НПП Триада-ТВ» (Новосибирск), АО «БЭМЗ» (Бердск), ООО «Модульные системы торнадо» (Новосибирск), АО «Воткинский завод» (Воткинск), ФАУ «СибНИА им. С. А. Чаплыгина» (Новосибирск), ИГиЛ СО РАН (Новосибирск), АО «ВАКУУММАШ» (Казань), ООО «Катод» (Новосибирск), АО ВНИИНМ им. А. А. Бочвара (Москва).
На фото: гирдер с облорудованием.