Необычный сверхпроводящий магнит разработали для ЦКП СКИФ

Специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН разработали прототип необычного сверхпроводящего эллиптического ондулятора — устройства с периодическим магнитным полем, генерирующим ондуляторное излучение (ОИ) с циркулярно-поляризованным излучением. Планируется, что данный вид магнитов будет использоваться на экспериментальных станциях Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» и позволит пользователям работать с методом рентгеновского магнитного дихроизма, необходимого для изучения веществ со сложной магнитной структурой, например, редкоземельных элементов или молекулярных магнетиков.

При движении внутри ондулятора электрон попадает в поперечное магнитное поле, изменяющееся по спирали и генерирует циркулярно-поляризованное излучение. Хотя эксперименты со спиральными ондуляторами с вращающимся магнитным полем ведутся с 1970-х годов, схема установки, предложенная в Институте, реализована впервые в мире. Результаты работы были представлены на конференции Synchrotron and Free electron laser Radiation: generation and application (SFR-2020). 

От качества магнитного поля в ондуляторе зависит качество излучения, которое получат пользователи на экспериментальных станциях, а, следовательно, и результаты их исследований. В физике точность магнитного поля в ондуляторе выражается в общепринятой величине — фазовой ошибке. Чем она меньше, тем выше яркость излучения. Среднеквадратичная ошибка три градуса вполне приемлема для многих экспериментов.

Одна из разработок специалистов ИЯФ СО РАН — эллиптический ондулятор, в котором благодаря необычной расстановке сверхпроводящих магнитных катушек, создается магнитное поле, изменяющееся по спирали вдоль ондулятора. На данный момент разработан и создан его прототип. Предполагается, что в будущем данный вид ондулятора будет использоваться на экспериментальных станциях ЦКП СКИФ.

«Сверхпроводящие катушки ставятся крест-накрест под углом 90 градусов, таким образом, выходящее, как обычно, вверх магнитное поле из нижнего ряда катушек сталкивается с противоположно направленным магнитным полем из верхнего ряда катушек, — рассказывает аспирант ИЯФ СО РАН Павел Викторович Каноник. — Встретившись, ни одно из этих полей уже не может замкнуться на самом себе, поэтому начинает искать альтернативное направление. Желание магнитного поля найти способ замкнуться создает добавочную магнитную компоненту — поперечную, что, в свою очередь, создает магнитное поле, вращающееся по спирали. Ондулятор называется эллиптическим, потому что поперечная компонента магнитного поля на 30 % меньше продольной, так что общее магнитное поле имеет форму растянутого круга, эллипса».

Вид синхротронного излучения, при котором фотоны закручиваются по спирали, необходим пользователям для работы с методом рентгеновского магнитного дихроизма. Он позволяет изучать вещества со сложной магнитной структурой, например, редкоземельные элементы, которые используются в различных отраслях техники: в радиоэлектронике, приборостроении, атомной и химической промышленности, в металлургии. Так на основе элементов неодима, иттрия, самария и других получают сплавы с рекордными магнитными свойствами для создания постоянных магнитов огромной мощности. Также современное материаловедение активно занимается созданием новых полифункциональных материалов с заданными магнитными свойствами — молекулярных магнетиков, которые обладают низкой плотностью, механической гибкостью, высокой намагниченностью, низкой магнитной анизотропией и др. Одна из основных областей применения таких материалов — молекулярная электроника, занимающаяся разработкой компактных устройств со сверхъемкой магнитной памятью.

Для того чтобы получать детальную информацию о магнитной структуре магнетиков с использованием рентгеновского излучения, необходима возможность быстрого переключения правой и левой поляризации излучения. У эллиптического ондулятора, разработанного и созданного в ИЯФ СО РАН, такая возможность предусмотрена.

«Некоторые вещества, например, редкоземельные элементы, имеют очень сложную магнитную структуру, — рассказывает советник дирекции ИЯФ СО РАН, доктор физико-математических наук Николай Александрович Мезенцев. — Для того чтобы при помощи рентгеновского излучения получать информацию только о ней, нужно уметь отделять рассеяние излучения на магнитных моментах от остальной информации — рассеяния на электронах атомов, электрическом поле ядер вещества — в данном случае ненужной. Это можно сделать при помощи переключения поляризации излучения в ондуляторе. Быстро меняя поляризацию с левой на правую и наоборот, а потом вычитая полученные результаты, мы получаем информацию только о взаимодействии фотонов с магнитным полем. Конструкция нашей системы, состоящая из двух эллиптических ондуляторов с левой и правой спиралью поля и быстрых корректоров между ними, сдвигающих орбиту летящих электронов так, что излучение экспериментатору идет то с левой, то с правой поляризацией, позволяет это делать».

В мире эксперименты со спиральными ондуляторами с циркулярно меняющимся магнитным полем ведутся уже с 1970-х годов, но переключение поляризации в них невозможный или технически очень сложный процесс. По словам специалистов ИЯФ СО РАН, предложенная в институте система сверхпроводящего ондулятора с эллиптическим полем и переключением поляризации первая в мире.

«На данный момент мы создали прототип ондулятора и получили первые экспериментальные результаты — продемонстрировали эллиптическое магнитное поле. В будущем он может быть установлен на экспериментальных станциях ЦКП СКИФ для работы с методом рентгеновского магнитного дихроизма — запрос от пользователей уже есть, и они будут довольны, ведь ИЯФ СО РАН известен во всем мире производством сверхпроводящих вигглеров, которые генерируют СИ с нужными характеристиками», — добавляет Павел Каноник.

Пресс-служба ИЯФ СО РАН