Сибирские ученые предложили новую технологию охлаждения алмазных окон для СКИФа

Результаты опубликованы в международном журнале Interfacial Phenomena and Heat Transfer.

"Тончайшие алмазные пленки устанавливаются в месте вывода синхротронного излучения (СИ) из фронтенда (оборудования для вывода СИ из накопительного кольца - ИФ) на экспериментальную станцию и принимают на себя экстремальную тепловую нагрузку, нагреваясь выше 300 градусов Цельсия. Новая система охлаждения существенно повысит срок службы этих элементов и в перспективе позволит повысить яркость излучения", - говорится в сообщении.

Алмазные окна устанавливаются в узлах вывода СИ из области высокого вакуума на исследовательские станции, что позволяет пропустить пучок СИ без потери герметичности накопительного кольца, при этом на алмазных окнах для станций первой очереди применяется традиционная система охлаждения, при которой алмазное окно с помощью сварки или пайки закрепляется на медных элементах (фланцах), в которых проходит канал для циркуляции охлаждающей жидкости (воды).

Однако со временем сварочный шов деградирует, кристаллы алмаза под воздействием повышенных температур могут изменить структуру с монокристаллической на поликристаллическую, что существенно снизит качество пучка СИ.

"Мы предложили новую систему охлаждения алмазных окон, при которой алмазное окно закрепляется на фланце при помощи жидкометаллической пленки. Жидкий металл уплотняет конструкцию, не требует ни пайки, ни сварки, при этом обеспечивает надежный тепловой контакт и достаточное вакуумное уплотнение", - говорит научный сотрудник ЦКП "СКИФ", ведущий инженер лаборатории интенсификации процессов теплообмена Института теплофизики СО РАН Максим Пуховой.

Ученые создали 3D-модель предложенной технологии охлаждения, на ее основе провели тепловые и прочностные расчеты и определили параметры конструкции, которые обеспечат требуемое охлаждение и его надежность без превышения пороговых величин термической деформации. На 3D-модели было показано, что система охлаждения эффективно отводит тепло, позволяя не превышать максимальную температуру алмазной пластины в 542,6C, и выдерживает давление около 800 Мпа.

Помимо тепловой и прочностной нагрузки необходимо учитывать температуру стенок миниканала для циркуляции воды. Она не должна превышать 96°С. Это гарантирует отсутствие вскипания воды и связанной с этим вибрации оптической системы.

Исследователи продолжают работу над повышением эффективности системы охлаждения оптических элементов в источнике синхротронного излучения. В частности, выполняются расчеты и 3D-моделирование охлаждающих систем с использованием разных охлаждающих жидкостей, начальные температуры которых могут варьироваться от -90С до +7С.

В перспективе это позволит увеличить отводимую от алмазных окон тепловую мощность и снизить опасность возникновения аварийных ситуаций.

Строительство синхротрона СКИФ началось в окрестностях наукограда Кольцово в Новосибирской области, недалеко от ГНЦ "Вектор", 25 августа 2021 года.

Согласно уточненному плану строительства ЦКП "СКИФ", запуск установки с шестью станциями первой очереди запланирован на конец 2025 года, по первоначальному плану - на конец 2024 года.

В состав ЦКП "СКИФ" по первоначальному проекту войдут 30 экспериментальных станций, 14 из которых будут использовать излучение вставных устройств (размещаемых в прямолинейных участках основного кольца длиной 4-6 метров), а 16 разместятся на пучках, формируемых поворотными магнитами.

На станциях планируется изучать структуры биополимеров, механизмы функционирования живых организмов, передачу наследственной информации, механизм действия лекарственных препаратов, создание новых материалов, исследование быстротекущих процессов и так далее.

СКИФ станет первым в мире источником синхротронного излучения поколения 4+ с энергией 3 ГэВ.

Строительство ЦКП "СКИФ" изначально оценивалось в 37,1 млрд рублей, на данный момент окончательная стоимость всего проекта составляет более 50 млрд рублей.