«1 2 Н. К. Абросимов, Г. Ф. Михеев РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СИНХРОЦИКЛОТРОНА ПЕТЕРБУРГСКОГО ИНСТИТУТА ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ ГАТЧИНА 2012 3 УДК 621.384.633.4 Абросимов Н. К., Михеев Г. Ф. Радиотехнические системы ...»

Николай Константинович Абросимов

(1932–2011)

1

2

Н. К. Абросимов, Г. Ф. Михеев

РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

СИНХРОЦИКЛОТРОНА

ПЕТЕРБУРГСКОГО ИНСТИТУТА

ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

ГАТЧИНА

2012

3

УДК 621.384.633.4 Абросимов Н. К., Михеев Г. Ф. Радиотехнические системы синхроциклотрона Петербургского института ядерной физики / Под науч. ред.

Г. А. Рябова. – Гатчина Ленинградской обл.: Издательство ФГБУ «ПИЯФ», 2012. – 340 с.

Научный редактор кандидат технических наук

Г. А. Рябов Печатается по решению Ученого совета Петербургского института ядерной физики им. Б. П. Константинова от 15.11.2012 г.

© ФГБУ «ПИЯФ», ISBN 978-5-86763-301- От составителя В апреле 2012 года исполнилось 80 лет со дня рождения Николая Константиновича Абросимова, бессменного руководителя Ускорительного отдела Петербургского института ядерной физики с 1957 по 2011 год и одного из непосредственных создателей крупнейшего в мире ускорителя – синхроциклотрона на энергию ускоренных протонов 1 ГэВ ПИЯФ.

Научно-технический совет Ускорительного отдела по инициативе Г. А. Рябова поручил мне собрать воедино и опубликовать научно-технические материалы из работ и лекций Н. К. Абросимова по теме «Радиотехнические системы синхроциклотрона Петербургского института ядерной физики».

В настоящем сборнике использованы некоторые главы из курса лекций Н. К. Абросимова, прочитанных им в 90-х годах для сотрудников Политехнического института, а также курс лекций по теме «Радиотехнические системы синхроциклотрона» для сотрудников Ускорительного отдела ПИЯФ. В сборник включены также некоторые материалы лекций, прочитанных Н. К. Абросимовым во время зимних школ, на которые ежегодно приезжают слушатели – физики и ускорительщики из всех научно-физических центров России и зарубежа, а также лекции, прочитанные им на научных семинарах Ускорительного отдела ПИЯФ. В книгу помещены также сведения о радиотехнических системах синхроциклотрона ПИЯФ, опубликованные Н. К. Абросимовым в научных сборниках, в материалах всесоюзных и международных конференций по ускорителям заряженных частиц, в препринтах ПИЯФ, в авторских свидетельствах и других его работах. В сборник включены и некоторые сведения из докторской диссертации Н. К. Абросимова «Создание и дальнейшее усовершенствование синхроциклотрона на энергию 1 ГэВ ПИЯФ РАН», защищенной им на Ученом совете Научно-исследовательского института физической аппаратуры им. Д. В. Ефремова (НИИЭФА) в 2004 году.

По существу, настоящий сборник является монографией и включает в себя следующие тематические разделы:

синхроциклотрон 1 ГэВ ПИЯФ: общая характеристика ускорителя, этап строительства и запуск;

принципы ускорения ионов в циклических ускорителях;

высокочастотная ускоряющая система синхроциклотрона 1 ГэВ ПИЯФ;

программа модернизации и усовершенствования синхроциклотрона.

Важно отметить, что приводимые в настоящем сборнике материалы являются лишь частью научного наследия Н. К. Абросимова и кроме радиотехнических аспектов ускорительной техники Николай Константинович занимался проблемами движения заряженных частиц в азимутальнонеоднородных магнитных полях, проблемами оптики и транспортировки частиц, созданием - и -мезонных каналов. Отдельными темами является вклад Н. К. Абросимова в разработку и создание в ПИЯФ медицинского комплекса адронной терапии и конструирование изохронного циклотрона Ц-80. Общий список научно-технических публикаций Н. К. Абросимова содержит приблизительно 230 наименований. Физики делятся на теоретиков и экспериментаторов, и только некоторые из них сочетают в себе и то и другое. Я считаю, что к этой редкой группе и принадлежал Николай Константинович, а перечисленный круг его научных интересов отражает темперамент этого выдающегося человека.

Настоящий сборник адресован широкому кругу читателей, но в первую очередь он будет интересен молодым физикам, продолжателям нашего дела. Сборник содержит широкий круг теоретических и практических сведений о синхроциклотроне ПИЯФ и будет полезен для инженерного персонала, работающего в Ускорительном отделе ПИЯФ и обслуживающего синхроциклотрон, в частности, при подготовке к сдаче квалификационного экзамена на право обслуживания такого сложного инженерного и физического сооружения, каким является синхроциклотрон ПИЯФ. Книга будет интересна и широкому кругу специалистов по ускорительной технике, т. к. содержит оригинальные сведения по радиотехническим системам ускорителя, увеличению надежности и улучшению качества его работы и, в частности, повышению интенсивности его пучка. Большинство новых технических решений защищены авторскими свидетельствами.

В сборнике приведены обширные ссылки на авторские публикации по рассматриваемым вопросам. Практически все эти публикации написаны Н. К. Абросимовым совместно со мной.

Николай Константинович был жизнерадостным и остроумным человеком. Многие из его высказываний запомнились коллегам и стали институтским фольклором. Некоторые его замечания я позволил себе включить в настоящую монографию.

Материал настоящего сборника предназначен будущему поколению специалистов по ускорителям и, может быть, новым менеджерамруководителям для лучшего понимания предмета, которым они будут руководить.

1–4 главы книги содержат общеизвестные, а часто и тривиальные сведения, но в процессе редактирования было решено их оставить для того, чтобы облегчить молодым сотрудникам восприятие материала и не обращаться к дополнительным учебникам и справочникам.

Последующие 5–7 главы содержат подробные и скрупулезно собранные по отчетам и разрозненным публикациям сведения о радиотехнических системах синхроциклотрона ПИЯФ и являются своего рода энциклопедией по высокочастотным системам.

Вкрапленные в текст лирические отступления Г. Ф. Михеева призваны дать представление о личности автора, оживить строго научный материал и облегчить его усвоение.

Николай Константинович Абросимов был всесторонним специалистом, он внес большой вклад не только в радиотехнические системы, но и в теорию движения частиц в ускорителях. По этим вопросам в разное время им было прочитано ряд курсов в Ускорительном отделе ПИЯФ и в ЛПИ. У составителя и редактора есть мечта подготовить и написать курс по динамике частиц, но это зависит во многом от востребованности такого труда и возможности уделить этому вопросу время и силы.

заведующий Лабораторией физики и техники ускорителей ПИЯФ, Памяти Николая Константиновича Абросимова 24 февраля 2011 года ушел из жизни главный научный сотрудник Петербургского института ядерной физики им. Б. П. Константинова доктор технических наук Николай Константинович Абросимов – человек, отдавший всю свою сознательную жизнь служению науке.

Николай Константинович принимал активное участие в создании проекта синхроциклотрона ПИЯФ, участвовал непосредственно в строительстве и монтаже ускорителя, руководил работами по совершенствованию его конструкции и созданию трактов пучков различных частиц высоких энергий, генерируемых синхроциклотроном.

Статья опубликована в газете: Гатчинская правда. 2011. 30 апреля. № 3–4 («Научные среды», ред. О. С. Волкова).

В 1959 году, после пуска реактора BВP-M, была создана технологическая группа по реализации проекта нового ускорителя – синхроциклотрона на энергию протонов 1 ГэВ. Научным руководителем группы был назначен заведующий Циклотронной лабораторией Ленинградского физико-технического института им. А. Ф. Иоффе АН СССР (ФТИ) доктор физико-математических наук Д. Г. Алхазов, его заместителем – сотрудник Циклотронной лаборатории Н. К. Абросимов. В эту группу, по рекомендации академика А. П. Комара, был включен и я, как имеющий опыт работы по наладке и эксплуатации электронного синхротрона ФТИ на энергию 100 МэВ.

Следует отметить, что синхроциклотрон ПИЯФ был спроектирован на энергию протонов, пожалуй, максимально возможную для ускорителя такого типа. Масса протона, достигшего такой энергии, увеличивается более чем в два раза, что требует соответствующего изменения частоты высокочастотного ускоряющего напряжения на ускоряющем электроде.

Такое перекрытие не может быть обеспечено простой геометрической емкостью вращающегося вариатора, что потребовало разработки специальной схемы вариатора, где перекрытие по емкости обеспечивается переменно последовательным включением элементов индуктивности с целью получения большей эффективной емкости вблизи резонанса с рабочей частотой. Конечно, это возможно лишь за счет увеличения напряжения в зазорах геометрической емкости.

Во время разработки проекта (1957–1959) в мире существовали три крупных синхроциклотрона с энергией протонов до 740 МэВ: Беркли, США; Дубна, СССР; ЦЕРН, Женева. У этих ускорителей вариаторы имеют простую конструкцию – чисто геометрическую емкость (переменный вращающийся конденсатор), и, по мере увеличения емкости до максимально возможной, напряжение на вариаторах уменьшается с понижением рабочей частоты системы, что позволило иметь относительно большое напряжение на дуанте (до 50 кВ) в 1/4-волновом моде колебаний. На вариаторе частоты синхроциклотрона ПИЯФ напряжение в зазорах геометрической емкости с понижением частоты, наоборот, увеличивается и достигает значительно большей величины. Это привело к тому, что мы не смогли получить ускоряющее напряжение на дуанте более 20 кВ, что привело к значительному снижению количества захваченных в ускорение частиц.

Энергия протонов при пуске ускорителя в 1967 году достигла лишь 750 МэВ. Поэтому главной задачей, над которой пришлось работать в течение двух лет, было обеспечить проектную энергию – 1 ГэВ. При этом пришлось существенно изменить конструкцию вариатора частоты и систему обратной связи высокочастотного генератора. Вращающийся вариатор обратной связи был заменен стационарной системой двух фидеров обратной связи (защищено авторским свидетельством на изобретение).

Необходимый диапазон вариации частоты ускоряющего напряжения был получен, энергия протонов 1 ГэВ была достигнута.

Николай Константинович сформулировал ряд проблем, связанных с увеличением тока ускоренных частиц, которые также были решены.

Была разработана оригинальная система фокусировки (специальный фокусирующий электрод в центральной области), позволившая увеличить до трех раз количество захваченных протонов в режиме ускорения. Система зарегистрирована в качестве изобретения.

Была разработана и создана широкоапертурная система вывода внутреннего пучка протонов, позволившая вывести до 30 % внутреннего пучка, в то время как на вышеперечисленных ускорителях выводилось не более 10 %. При этом геометрические параметры выведенного пучка были значительно лучше (меньше поперечное сечение и большая плотность тока пучка).

При разработке системы растяжки во времени выведенного пучка была разработана оригинальная схема синхронизации частоты и фазы генератора растяжки с частотой и фазой генератора ускоряющей системы, которая позволила обеспечить переход частиц из основного режима ускорения в режим временной растяжки со 100%-ной эффективностью, в то время как на других ускорителях это происходило с потерей до 50 % частиц. Эта система также получила свидетельство на изобретение.

Таким образом, осуществление этих работ позволило получить выведенный ток пучка, не уступающий по величине другим ускорителям.

При этом качество выведенного пучка было выше (меньшее поперечное сечение пучка, т. е. большая плотность и равномерная растяжка пучка во времени на весь обратный цикл хода частоты). Это было важно для физических работ, применяющих электронные детекторные системы.

Николай Константинович руководил работами по созданию трактов вторичных частиц: мезонных каналов, каналов нейтронных пучков, специальных медицинских протонных трактов.

Для получения нейтронов высокой энергии (до 1 ГэВ) было создано специальное устройство для сброса протонов на внутреннюю мишень, которая генерировала нейтроны, – ГНЕЙС. Надо отметить, что энергия протонов и соответствующая энергия нейтронов на нашем ускорителе близка к энергии частиц радиационного пояса Земли, что весьма важно для испытания аппаратуры на радиационную устойчивость в космических полетах. Сейчас, когда стало ясно, что ряд спутников вышел из строя из-за повышенной радиации при пересечении радиационного пояса Земли, это становится особенно ценным.

Для быстрого сброса протонов на внутреннюю мишень были применены ускоряющие пластины системы временной растяжки пучка с помощью подачи высоковольтного импульса напряжения до 80 кВ, причем схема была разработана так, чтобы эти режимы могли осуществляться одновременно без предварительных переключений (на этот способ также было получено авторское свидетельство).

Под руководством Николая Константиновича была организована группа по созданию пузырьковой водородно-дейтериевой камеры, на которой были выполнены первые эксперименты на пучках ускорителя, и, хотя в настоящее время камера не работает, записанная на пленке информация обрабатывается до сих пор и имеются интересные результаты исследований по физике рождения мезона в нуклон-нуклонном взаимодействии.

Следует отметить, что группа научных сотрудников, основной состав которой работал над созданием ПВДК, вошла в состав Лаборатории криогенной и сверхпроводящей техники, где они успешно работают и в настоящее время над проблемами -катализа и изучением ядерных взаимодействий с поляризованными частицами с целью возможного применения этих процессов в холодном синтезе ядер.

В заключение хотел бы подчеркнуть, что Николай Константинович около 20 лет работал на посту заместителя директора института, отвечая за финансовую деятельность. Именно благодаря его эффективной работе в самое тяжелое время перестройки институт сумел не только выжить, но имел возможность, экономно расходуя выделенные средства, выполнять основные задачи научной программы.

Имя Николая Константиновича навечно останется в памяти сотрудников Петербургского института ядерной физики им. Б. П. Константинова.

ведущий научный сотрудник Отделения физики высоких энергий ПИЯФ, Николай Константинович был создателем и неизменным руководителем Ускорительного отдела на протяжении более 50 лет. Сначала это была скромная технологическая группа в лаборатории Д. Г. Алхазова, а затем она превратилась в отдел, включающий 150 человек, для обслуживания и развития ускорительного комплекса.

Статья опубликована в газете: Гатчинская правда. 2011. 30 апреля. № 3–4 («Научные среды», ред. О. С. Волкова).

История создания нашего ускорителя носила драматический характер. Как всегда строительство запаздывало, проект устаревал, некоторые вопросы работы ускорителя оставались неясными, и по этим причинам комиссии из Академии наук под руководством В. П. Джелепова и В. П. Дмитриевского предлагали остановить выполнение проекта из-за его неосуществимости. Академик Флеров предлагал переделать ускоритель под циклотрон тяжелых ионов. Тем не менее дирекция института и Ускорительный отдел решили взять на себя всю ответственность и довести строительство и наладку ускорителя своими силами. Был решен на уровне изобретений ряд вопросов ускорительной техники, в частности, создание высокочастотной системы, и ускоритель был запущен.

Наш ускоритель действительно уникальная машина. Это:

самый большой в мире синхроциклотрон;

самый большой в мире диапазон вариации частоты в высокочастотной системе – невозможно построить синхроциклотрон на более высокую энергию;

уникальная электростатическая фокусирующая система в центре, позволившая повысить интенсивность пучка в 3-5 раз;

оригинальная система медленного вывода пучка;

рекордная по эффективности система вывода.

После запуска последовали работы по созданию экспериментального комплекса синхроциклотрона. Получены пучки протонов, пионов и мезонов. Создан центр протонной терапии, спектрометра ГНЕЙС, Лаборатории ИРИС и др. Все это позволило создать ускорительный комплекс, который является одним из активно действующих в стране уже в течение 40 с лишним лет. И все это сделано коллективом под руководством Н. К. Абросимова. Ускорительный комплекс является рукотворным памятником деятельности Николая Константиновича, и он еще долго будет служить людям.

Николай Константинович был уникальной личностью. Его характеризовал широкий и фундаментальный подход к решаемым проблемам.

Не все, наверное, знают, что он обладал выдающимися математическими способностями и мог бы сделать карьеру как специалист в математической или теоретической физике. В отличие от академических ученых Николай Константинович не гнушался решением практических вопросов.

С ним можно было обсудить как теорему Лиувилля, имеющую важное применение в теории ускорителей, так и технические и организационные проблемы. Он обладал педагогическим даром: создал курс по ускорителям и читал его в ЛПИ и в Ускорительном отделе. К сожалению, курс остался неопубликованным.

Будучи заместителем директора, он в трудные годы командовал финансами института и распределял жилую площадь. Ясно, что не все были довольны принимаемыми решениями, но у Абросимова не было личных врагов. Занимая высокий административный пост, он не стал бюрократом и оставался простым и доступным человеком. Его любили и уважали все, кто имел с ним дело.

заведующий Лабораторией физики и техники ускорителей ПИЯФ, Николая Константиновича Абросимова Николай Константинович Абросимов родился 28 апреля 1932 года в Ленинграде. Родители: отец – Константин Иванович, инженер на заводе им. И. В. Сталина, мать – Екатерина Петровна, инженер-конструктор на заводе «Электросила» им. С. М. Кирова.

В начале войны, в 1941 году, Николай Константинович вместе с матерью был эвакуирован в Свердловскую область, станция Егоршино.

Отец погиб в блокадном Ленинграде при бомбежке.

В 1944–1945 годах одновременно с учебой в средней школе Николай Константинович работал слесарем на военном заводе. Вернулся в Ленинград в 1945 году и вновь работал слесарем на заводе «Электросила». Из воспоминаний Николая Константиновича:

«Представьте себе картину: мне 12-13 лет, а я уже слесарь на военном заводе. Что я там делал для фронта – не знаю, но четко помню, что, как только мастер участка выходил из цеха, я начинал мастерить пистолет и финский нож – мечту всех мальчишек военного времени».

В 1950 году Николай Константинович окончил среднюю школу и поступил, после сдачи вступительных экзаменов, на физико-механический факультет Ленинградского политехнического института им. М. И. Калинина – ЛПИ.

Это было начало атомного века и создания собственной атомной промышленности. Слова «Хиросима» и «холодная война» были на слуху, и учиться на физика-атомщика было заманчиво и престижно. Я учился вместе с Николаем Константиновичем на одном курсе, на одной специальности. Тогда все было засекречено, нам преподавали «секретные»

курсы, конспекты этих лекций в прошнурованных тетрадях с печатями и грифом «секретно» мы обязаны были сдавать в Первый отдел под расписку после каждой прослушанной лекции. Лекции нам читали известные ученые тех времен: профессор А. Ф. Чудновский, профессор С. Е. Бре-слер, академик В. М. Тучкевич, член-корреспондент АН СССР Г. А. Грин-берг, академик А. П. Комар, академик Б. П. Константинов и другие.

В 1956 году Николай Константинович с красным дипломом окончил учебу по специальности «техническая физика» с присвоением квалификации «инженер-исследователь».

Идиотизм секретности имел для нас и положительную сторону – наша специальность была освобождена от обязательной учебы на военной кафедре. Где-то там, в министерстве Берии, посчитали: нечего отвлекать молодых физиков-атомщиков от учебы – пусть куют атомный щит нашей Родины. Представьте ситуацию: все группы на курсе ходят на лекции военной кафедры, сдают экзамены и отправляются в летние военные лагеря на сборы, а мы отдыхаем на даче! Забавно отметить, что большинство выпускников одновременно с дипломом об окончании института получили военные билеты с присвоением им воинского звания «младший лейтенант», а выпускники нашей специальности получили военные билеты и звание «солдат необученный». Но это был уже 1956 год – начало хрущевской оттепели. Имен наших отцов атомной и водородной бомбы мы еще не знали, хотя знали американских:

Ферми, Оппенгеймера, Теллера. Не знали и о роли в нашем атомном проекте Л. Д. Ландау и И. Е. Тамма, хотя по их учебникам нам читались лекции и мы сдавали экзамены.

Выбирать место работы тогда было нельзя. По окончании института, в 1956 году, все выпускники курса были направлены на «атомные»

предприятия – строить ускорители и реакторы, и большинство из них стали известными специалистами и учеными. Однако двое из них – сталинские стипендиаты – за хорошие успехи в учебе были направлены ассистентами на кафедры альма-матер: Николай Константинович – на кафедру математики, я – на кафедру физики.

В 1957 году мы оба с большим трудом и при содействии директора А. П. Комара перевелись на работу в Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе (ФТИ): Николай Константинович – в Циклотронную лабораторию профессора Д. Г. Алхазова, я – в Синхротронную лабораторию академика А. П. Комара.

В это время уже существовал филиал ФТИ в Гатчине, который в 1971 году был преобразован в самостоятельное учреждение – Ленинградский институт ядерной физики им. Б. П. Константинова АН СССР (ЛИЯФ, позднее – ПИЯФ).

Заметим, что лаборатория А. П. Комара впоследствии выросла и стала основным отделом ПИЯФ – Отделом физики высоких энергий, руководимым членом-корреспондентом РАН А. А. Воробьевым. Сотрудники этого отдела были основными физиками-экспериментаторами на синхроциклотроне 1 ГэВ и выполнили на нем ряд уникальных экспериментов.

В 1957 году, сразу же после перехода на работу в ФТИ, Н. К. Абросимов был включен в состав государственной комиссии по подготовке проекта-задания на сооружение самого большого в мире синхроциклотрона на энергию протонов 1 ГэВ.

Место для строительства ускорителя и реактора ВВР-М выбирали в основном КГБ и военные, и лучшего места, чем уникальная историческая Орлова роща, они не нашли. Проектировали ускоритель в НИИЭФА им. Д. В. Ефремова, где, между прочим, работали многие из выпускников нашего курса, а изготовляли синхроциклотрон на заводе «Электросила»

и в мастерских НИИЭФА. Строили здания и сооружали синхроциклотрон силами военных стройбатов. Синхроциклотрон был запущен в 1967 году.

Все эти и последующие годы Николай Константинович – бессменный руководитель всех работ по сооружению и эксплуатации синхроциклотрона.

В ПИЯФ Николай Константинович прошел всю цепочку должностей: инженер, младший научный сотрудник, старший инженер, начальник службы, заместитель главного инженера синхроциклотрона, главный инженер синхроциклотрона. С 1979 года – заведующий Ускорительным отделом ПИЯФ. С 1986 по 2006 год – в течение двадцати лет – заместитель директора ПИЯФ по научной работе.

В тяжелые годы перестройки ему удалось успешно руководить ПИЯФ, сохранить коллектив института и его финансовую и научную независимость. Отметим, что в эти годы в институте продолжалась эксплуатация синхроциклотрона и строительство реактора ПИК.

Николай Константинович – автор около 150 научных публикаций и 8 авторских свидетельств на изобретение.

В 1989 году Николай Константинович защитил кандидатскую диссертацию по теме «Разработка методов расчета магнитооптических систем для формирования пучков -мезонов и создание -мезонного канала синхроциклотрона ЛИЯФ АН СССР».

В 2004 году Николай Константинович защитил докторскую диссертацию по теме «Создание и дальнейшее усовершенствование синхроциклотрона на энергию 1 ГэВ ПИЯФ РАН».

Н. К. Абросимов является инициатором и создателем в ПИЯФ медицинского протонного комплекса, а также сооружения изохронного циклотрона Ц-80 для производства изотопов и лечения больных.

Николай Константинович имеет правительственные награды, из них главные – орден Трудового Красного Знамени, медаль «За доблестный труд в Великой Отечественной войне», и еще 4 медали: «В память 250-летия Ленинграда», «За доблестный труд. В ознаменование 100-летия со дня рождения В. И. Ленина», «За трудовую доблесть»

и «Сорок лет победы в Великой Отечественной войне»; награжден дипломом и знаком «Почетный изобретатель СССР».

Не могу не отметить забавный случай из биографии Николая Константиновича. Несмотря на его многочисленные заслуги, ордена и почетные грамоты, ему вынесли строгий партийный выговор, правда, «без занесения» с формулировкой: «За поверхностную оценку политических и моральных качеств бывшего главного инженера Ускорительного отдела А. В. Куликова при рассмотрении его характеристики для поездки за границу». В 1985 году, во время служебной командировки в США, А. В. Куликов остался работать в Стенфордской лаборатории им. Лоуренса, на самом большом в мире линейном ускорителе протонов.

А. В. Куликов внес большой вклад в сооружение синхроциклотрона и является соавтором Н. К. Абросимова во многих научных публикациях.

У Николая Константиновича есть дочь – Татьяна Николаевна 1960 года рождения. Внуки учатся и уже работают.

Жена Николая Константиновича – Людмила Анисимовна Колесникова – была заведующей информационно-общественным центром ПИЯФ, редактором тематического выпуска «Научные среды» газеты «Гатчинская правда». Она старейший член Союза писателей и журналистов Санкт-Петербурга, автор литературных и биографических публикаций, в частности об академике Б. П. Константинове и профессоре А. А. Ансельме. Людмила Анисимовна – член международных организаций:

WIN – «Женщины в ядерной энергетике» (Швейцария), «Женщины Социал-демократического конгресса» (Россия).

В последние годы жизнь Николая Константиновича была осложнена тяжелой болезнью жены. Самоотверженно помогая ей, Николай Константинович продолжал работать в Ускорительном отделе.

24 февраля 2011 года после непродолжительной болезни Николай Константинович скончался в Гатчинской ЦРБ. Похоронен в СанктПетербурге, на Киновеевском кладбище, рядом с родителями.

Товарищи и сотрудники ПИЯФ уважали и любили Николая Константиновича за его человеческие качества и научные заслуги.

В день рождения Николая Константиновича, 28 апреля, – а это всегда между Пасхой и Днем космонавтики – наш отдел собирался в его кабинете и отмечал появление новорожденного. И вот к 80-летнему юбилею мы впервые без Николая Константиновича.

Некоторые сведения из истории развития Ускорители заряженных частиц, генерирующие пучки высокой энергии частиц, наряду с исследовательскими реакторами, которые создают мощные потоки нейтронов, составляют экспериментальную базу ядерной физики и физики элементарных частиц.

Одним из методов исследования свойств и внутреннего строения атомных ядер является облучение их потоком электронов, протонов или других частиц и последующий анализ продуктов, вызванных этим облучением ядерных реакций. Измеряя массы вылетевших продуктов ядерной реакции, их энергию, углы вылета по отношению к первичным частицам и другие параметры, можно сделать вывод о внутреннем устройстве и характеристиках исследуемых ядер. Чем выше энергия сталкивающихся частиц, тем более глубокие тайны микромира открываются в этих исследованиях.

Ускорители возникли как установки для физических исследований в области физики ядра и элементарных частиц, и их дальнейшее развитие почти целиком определялось требованиями бурно развивающейся ядерной физики. Первым ускорителем, построенным для ядерных исследований, был каскадный генератор с ускорительной трубкой на энергию протонов 0,7 МэВ, созданный в Англии Дж. Д. Кокрофтом и Э. Т. С. Уолтоном в 1932 году. С помощью этого ускорителя впервые была осуществлена искусственным путем ядерная реакция р + Li 2Не. За эту работу авторы были удостоены Нобелевской премии. В том же году в Беркли (США) был построен первый резонансный циклический ускоритель циклотрон на энергию протонов 1,2 МэВ, принцип действия которого был предложен в 1930 году Э. Лоуренсом. Впоследствии Лоуренс за развитие ускорительной техники также был удостоен Нобелевской премии. В 1940 году Д. Керстом (США) был построен первый циклический ускоритель электронов – бетатрон на энергию 2,3 МэВ.

В СССР первый циклотрон был построен перед Второй мировой войной в РИАН (Ленинград). В конце войны был создан циклотрон Института атомной энергии им. И. В. Курчатова (Москва) и циклотрон Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе (Ленинград). На них выполнялся ряд работ, в том числе и по созданию ядерного оружия.

Развитие фундаментальных и прикладных исследований атомного ядра требовало от ускорительной техники все более высоких энергий ускоряемых частиц и более высоких интенсивностей получаемых пучков.

Это стимулировало поиск новых методов ускорения заряженных частиц и технических возможностей для создания все более крупных ускорителей. Каждый новый ускоритель являлся для своего времени уникальным инженерным сооружением, для создания которого требовалось решить целый ряд сложных научных и технических проблем. Мощным толчком для дальнейшего развития ускорительной техники явилось открытие В. И. Векслером и Э. М. Макмилланом в 1945 году принципа автофазировки, на котором основано целое направление ускорительной техники – резонансные ускорители. Через год, используя этот принцип, Ф. К. Говард и Д. Е. Барнс построили первый электронный синхротрон. Первый протонный синхротрон (Космотрон) на энергию 3 ГэВ был построен в США в 1953 году.

После Второй мировой войны начало развиваться новое направление ускорительной техники – линейные ускорители. Принцип линейного ускорителя был предложен еще в 1924 году Э. Изингом. Однако в то время в связи с низким уровнем развития радиоэлектроники метрового и дециметрового диапазона линейные ускорители казались бесперспективными. После окончания войны в связи с развитием радиолокации такая техника была создана, и это послужило толчком для интенсивного развития линейных ускорителей. В 1944 году Л. Альварец в США построил протонный линейный ускоритель на энергию 32 МэВ. В том же году в Стенфорде (США) был построен первый электронный линейный ускоритель.

В 1954 году Н. Кристофилосом и независимо от него Е. Д. Курантом, М. С. Ливингстоном и Х. С. Снайдерсом был предложен принцип знакопеременной (сильной) фокусировки, который открыл новую эру в ускорительной технике. При использовании этого принципа был построен ряд гигантских ускорителей в США, СССР и других странах. Так, в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН), расположенном в Швейцарии, был построен целый ряд протонных синхротронов со знакопеременной фокусировкой, самый большой из которых имеет энергию 450 ГэВ и диаметр кольца 2,2 км. В США, близ Чикаго, в Лаборатории им. Ферми, работает протонный синхротрон на энергию около 1 000 ГэВ, периметр кольца которого составляет около 10 км. Также был задуман и начал строиться сверхгигантский протонный синхротрон-накопитель с энергией 20 ГэВ и диаметром кольца около 30 км (строительство было приостановлено решением правительства Клинтона в 2000 году).

В нашей стране, в Протвино, вблизи Серпухова, в 1967 году был запущен протонный синхротрон со знакопеременной фокусировкой на энергию 76 ГэВ. В Протвино был запланирован ускоритель на энергию 3 000 ГэВ с диаметром кольца свыше 6 км (строительство остановлено в годы перестройки).

В конце 50-х годов появилось еще одно направление ускорительной техники – накопительные кольца для экспериментов на встречных пучках. В 1961 году появились электронные накопительные кольца в Италии (2 250 МэВ) и США (2 500 МэВ). В 1971 году в ЦЕРН было построено первое накопительное кольцо для протонов (2 30 ГэВ). Там же был запущен электрон-позитронный коллайдер на энергию 55 ГэВ с диаметром кольца свыше 8 км. Имеется крупный электрон-позитронный коллайдер в Лаборатории КЕК, в Японии.

К ускорителям на сверхвысокие энергии относятся также накопительные кольца, обеспечивающие проведение экспериментов на встречных пучках электронов, позитронов, протонов и антипротонов. Дело в том, что при взаимодействии налетающей частицы с неподвижной мишенью львиная доля энергии частицы затрачивается на передачу энергии вылетающим в результате взаимодействия продуктам ядерных превращений и только небольшая часть этой энергии затрачивается непосредственно на саму ядерную реакцию. По мере роста энергии налетающих частиц ситуация еще более ухудшается, и, например, при энергии налетающей частицы 1 000 ГэВ на саму ядерную реакцию тратится только 30 ГэВ. Поэтому оказывается несравненно более выгодным проводить эксперименты не с неподвижными мишенями, а со встречными пучками частиц. В этом случае вся энергия ускоренных частиц используется непосредственно на ядерную реакцию.

В ноябре 2009 года в ЦЕРН был запущен самый большой ускоритель – Большой адронный коллайдер (LHC). Протяженность кольцевой установки LHC ~ 27 км. Она расположена под землей на глубине ~ 100 м на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы.

Ускоренные в коллайдере пучки движутся в противоположных направлениях по двум кольцевым ускорительным «дорожкам», расположенным друг над другом. Энергия каждого из пучков ~ 7 ТэВ, а энергия их взаимодействия в системе центра масс сталкивающихся протонов составит 14 ТэВ.

Одним из важнейших направлений научной деятельности Отделения физики высоких энергий ПИЯФ является участие в экспериментах на LHC (эксперименты CHS, ATLAS, LHCb и ALICE) и в разработке и изготовлении коллайдерных мюонных детекторов и детекторов переходного излучения. Руководитель программы член-корреспондент РАН директор ОФВЭ А. А. Воробьев1.

На рис. 1 приведена схема, демонстрирующая прогресс в развитии ускорительной техники в мире и рост энергии ускоряемых пучков начиная с ее зарождения в 30-х годах и практически до конца ХХ века. Схема составлена крупнейшим теоретиком и практиком ускорительной техники М. С. Ливингстоном и носит название Livingston Chart. Схема демонстрирует экспоненциальный рост достигаемой на ускорителях энергии пучков (шкала энергии дана в логарифмическом масштабе). На схеме показано место синхроциклотрона ПИЯФ. Однако запущенный в 2009 году адронный коллайдер на энергию 14 ТэВ – LHC – находится в стороне от кривой Ливингстона.

Участие в подготовке и проведении экспериментов на LHC ПИЯФ РАН. Гатчина, 2009. 54 с.

Рис. 1. Схема прогресса ускорительной техники Наряду с физикой ядра и элементарных частиц ускорители находят применение в других областях науки, таких как физика твердого тела, химия, биология. В последнее время ускорители заряженных частиц начинают все более широко использоваться в промышленности и медицине. Так, электронные ускорители применяются для целей радиационной технологии в производстве различных полимеров, протонные ускорители используются для производства радиоактивных изотопов, которые находят применение в народном хозяйстве и медицине. Как протонные, так и электронные ускорители широко используются для лучевой терапии при лечении различных заболеваний, в том числе и рака.

В настоящее время ускорительная техника превратилась в мощную отрасль современной индустрии, использующую для своего развития самые современные достижения науки и техники.

Основные принципы ускорения заряженных частиц Ускорение заряженных частиц основано на том, что ускоряемые частицы (протон или электрон) имеют положительный или отрицательный заряд и, следовательно, подвержены действию электрических и магнитных полей. На частицу, находящуюся в электромагнитном поле, действует сила Лоренца где напряженность электрического поля; В индукция магнитного поля; v скорость частицы; с – скорость света; е – заряд частицы.

Из приведенной формулы видно, что сила, создаваемая статическим магнитным полем, всегда перпендикулярна направлению скорости частицы, следовательно, эта сила может изменить только направление скорости частицы, но не может изменить величину ее скорости, а тем самым и ее энергию.

Если частица с массой m, обладающая скоростью v, попадает в однородное постоянное магнитное поле В, силовые линии которого перпендикулярны скорости частицы, то частица в таком поле будет двигаться в плоскости, перпендикулярной магнитным силовым линиям, по окружности с радиусом R, где R определяется равенством магнитной и центростремительной сил, Здесь Е = mc2 = E0 + W – полная энергия частицы; W – кинетическая энергия; Е0 = m0c2 – энергия покоя частицы. Для протона Е0 = 938,26 МэВ, а для электрона Е0 = 0,511 МэВ. Период обращения частицы по указанной окружности будет Для заряженных частиц, движущихся в электрическом поле, справедливо соотношение где – изменение энергии ускоряемой частицы в единицу времени.

Таким образом, для ускорения, т. е. для изменения энергии частицы, необходимо иметь электрическое поле, напряженность которого совпадает с направлением скорости частицы.

Классификация по параметрам С точки зрения физика-экспериментатора, который является потребителем пучков заряженных частиц, ускоренных до высокой энергии, каждый ускоритель характеризуется следующими параметрами:

сортом ускоряемых частиц;

энергией ускоряемых частиц;

интенсивностью получаемых пучков;

энергетическим разбросом частиц в пучке;

временной структурой пучка;

геометрическими характеристиками пучка (иммитансом).

По сорту ускоряемых частиц ускорители делятся на два больших класса: электронные и протонные. К последним относятся также ускорители, ускоряющие дейтроны, альфа-частицы и тяжелые ядра. Конструктивное отличие этих классов ускорителей связано с различием массы покоя протона и электрона, что приводит к двум следствиям.

Первое из этих следствий заключается в следующем. Скорость ускоряемых частиц связана с их кинетической энергией W формулой где Е0 – энергия покоя частицы. Из этой формулы видно, что электрон, имеющий энергию покоя Е0 = 0,511 МэВ, уже при кинетической энергии в несколько МэВ является ультрарелятивистской частицей, движущейся со скоростью, близкой к скорости света. При дальнейшем ускорении электрона его скорость практически не меняется, а увеличение энергии происходит только за счет увеличения его массы. С другой стороны, протон, имеющий энергию покоя, равную Е0 = 938,26 МэВ, становится ультрарелятивистской частицей, движущейся со скоростью, близкой к скорости света, только при энергии в несколько ГэВ.

Таким образом, электронные ускорители, в отличие от протонных, имеют дело с частицами, движущимися с постоянной скоростью, почти равной скорости света. Протонные ускорители в диапазоне энергий до нескольких ГэВ ускоряют частицы, у которых скорость движения в процессе ускорения непрерывно изменяется. Поэтому конструкция протонных ускорителей при прочих равных условиях оказывается несколько более сложной, чем конструкция электронных ускорителей.

Второе следствие, вытекающее из разницы в массах электрона и протона, заключается в том, что в циклических ускорителях, в которых ускоряемые частицы за счет использования магнитных полей движутся по криволинейным траекториям, из-за наличия центростремительного ускорения частиц возникает электромагнитное излучение, носящее название синхротронного излучения. Мощность этого излучения обратно пропорциональна четвертой степени массы покоя частицы, поэтому в электронных циклических ускорителях имеется проблема восполнения потерь энергии ускоряемых частиц из-за синхротронного излучения, на что тратится очень большая энергия ускоряющих устройств. В протонных ускорителях такой проблемы нет.

Кроме первичных пучков частиц, непосредственно выводимых из ускорителя, в физических исследованиях широкое применение находят пучки вторичных частиц, получаемых при бомбардировке пучками первичных частиц различных мишеней. На протонных ускорителях это пучки нейтронов высокой энергии, пучки - и K-мезонов, пучки гиперонов, антипротонов и т. д.

Для формирования вторичных пучков создают специальные тракты пучков, состоящие из магнитов, магнитных линз, сепараторов и т. п., с помощью которых осуществляется выделение из смеси частиц, вылетающих из мишени, нужной компоненты и транспортировка полученного пучка к физической установке. Пучки вторичных частиц, в свою очередь, могут являться источником пучков третьего поколения. Так, из пучков -мезонов, образуемых в р-, N-соударениях, могут быть получены пучки -мезонов, которые образуются при распаде -мезона на -мезон и нейтрино. Для этой цели необходимо сформировать пучок -мезонов и направить его в специальное устройство – мезонный канал, с помощью которого образуемые при распаде -мезона на лету -мезоны будут собираться в единый пучок. Затем образовавшаяся смесь - и -мезонов проходит через магнитный сепаратор, и выделенный пучок -мезонов транспортируется к физической установке.

По энергии ускоряемых частиц ускорители могут быть разделены на три группы: ускорители низких энергий, ускорители средних, или промежуточных, энергий и ускорители на высокие и сверхвысокие энергии. Каждая из этих групп тесно связана с присущей ей областью физических исследований.

Ускорители низких энергий имеют конечную энергию ускоренных частиц на уровне 10 МэВ, они связаны с исследованиями в области ядерной физики и широко применяются в промышленности и медицине. Характерной здесь является энергия, равная высоте кулоновского барьера в ядрах, которая составляет около 10 МэВ. Частицы с меньшей энергией не могут вызвать ядерной реакции и не могут использоваться для исследования ядер.

Ускорители средних энергий, к которым относятся ускорители с энергией ускоряемых частиц порядка нескольких сотен МэВ, также в основном связаны с исследованиями в области ядерной физики. Характерной здесь является пороговая энергия образования -мезонов, которая при рождении -мезонов в протон-ядерных взаимодействиях составляет величину около 200 МэВ. Поэтому протонные ускорители средних энергий часто используют как мезонные фабрики, которые обеспечивают получение интенсивных пучков - и -мезонов. В настоящее время в мире работают три мезонные фабрики: изохронный циклотрон на энергию протонов 590 МэВ в Цюрихе (Швейцария), изохронный циклотрон, ускоряющий отрицательные ионы водорода, на энергию 520 МэВ в Ванкувере (Канада) и линейный протонный ускоритель на энергию 800 МэВ в ЛосАламосе (США). Продолжается создание мезонной фабрики – линейного ускорителя на энергию 600 МэВ в ИЯИ, в Троицке (Московская обл.), чье строительство было приостановлено в 90-х годах в связи с перестройкой.

Ускорители на высокие и сверхвысокие энергии ускоряют протоны и электроны до энергии в несколько ГэВ и выше.

По временной структуре пучка ускорители делятся на импульсные и непрерывного действия. Импульсные ускорители часто оказываются неудобными для физиков, т. к. большинство детекторов ядерного излучения, используемых в эксперименте, имеют конечное мертвое время, в течение которого они не могут воспринимать новые частицы. Поэтому, для того чтобы не было просчетов, средние промежутки времени между приходом частиц на детектор не должны быть меньше его мертвого времени.

В связи с этим использование импульсных ускорителей, у которых все выходящие частицы «приходят» в физическую установку в короткие промежутки времени, часто оказывается затруднительным. В ряде случаев приходится снижать интенсивность пучка, что является крайне неэффективным. Поэтому практически во всех импульсных ускорителях приходится принимать особые меры для так называемой временной растяжки пучка.

Классификация по принципу действия Электрические поля, используемые в ускорительной технике для ускорения частиц, можно условно разделить на три группы:

электростатические (постоянные во времени);

переменные во времени синусоидальные высокочастотные (ВЧ) электрические поля;

вихревые электрические поля, создаваемые за счет изменения во времени магнитных полей.

Электростатические поля обладают свойством потенциальности, т. е.

энергия, которую приобретает частица, проходя какой-либо участок поля, не зависит от пути, по которому двигалась частица, а определяется целиком только разностью потенциалов U1 – U2 между начальной и конечной точками пути:

Ускорители, в которых для ускорения частиц используются электростатические поля, носят название ускорителей прямого действия (УПД).

Конечная энергия ускоряемых частиц, которая может быть достигнута в УПД, определяется имеющейся в наличии разностью потенциалов, т. е.

в конечном итоге состоянием изоляционной техники. Пределом здесь является напряжение порядка 10–20 МВ. УПД состоят из двух основных частей: источника высокого напряжения и ускорительной трубки. В качестве источников высокого напряжения наиболее часто используются каскадный генератор или электростатический генератор Ван де Граафа.

Каскадный генератор – это выпрямитель с умножением напряжения (обычно такие генераторы строятся на напряжении порядка 1 МВ). Электростатический генератор Ван де Граафа обеспечивает ускоряющее напряжение порядка 10 МВ и более. В США и Англии имеются электростатические генераторы на напряжение 30 МВ. Генератор представляет собой изоляционную колонну, на конце которой установлен полый металлический шар. Внутри колонны установлен ленточный транспортер зарядов, с помощью которого шар может быть заряжен до высокого потенциала. Внутри колонны устанавливается также ускорительная трубка, а внутри шара – источник ионов (протонов). Все устройство для увеличения электрической прочности помещается под стальной колпак, в котором под давлением находится газ SF6 (элегаз), обладающий высокой электрической прочностью.

В последнее время для ускорения тяжелых ионов или протонов стали использоваться так называемые тандем-генераторы, принцип работы которых заключается в следующем. На заземленном конце ускоряющей трубки ускорителя Ван де Граафа устанавливается ионный источник отрицательно заряженных ионов. Эти ионы проходят ускорительную трубку до шара и ускоряются до энергии q1U, где q1 – заряд иона. Внутри шара ионы проходят через фольгу, где происходит их обдирка и они превращаются в положительно заряженные ионы с зарядом q2. Затем они поворачиваются с помощью магнита на 180 и вновь ускоряются, проходя ускорительную трубку от шара до заземленного конца, и приобретают при этом энергию q2U. Таким образом, полная энергия частицы оказывается равной W = (q1 + q2)U.

Переменные во времени ВЧ электрические поля уже не обладают свойством потенциальности, поэтому при использовании таких полей в ускорителях конечная энергия частиц, в принципе, ничем не ограничена. Пределы по конечной энергии частиц здесь определяются только техническими и экономическими соображениями.

Ускорители, в которых используются ВЧ электрические поля, носят название резонансных. Для того чтобы пояснить принцип работы этих ускорителей, введем условный термин «ускоряющая станция», или «ускоряющая ячейка». Под «ускоряющей станцией» будем понимать некоторое устройство, внутри которого тем или иным способом создается ВЧ электромагнитное поле. Вид и конструкция «ускоряющей ячейки»

нам сейчас не важны, будем представлять ее в виде ящика с двумя отверстиями в противоположных стенках, через которые входит и выходит частица. Внутри «ящика» имеется ВЧ электромагнитное поле, вне «ящика»

поля нет. Будем предполагать, что время пролета частицы через ускоряющую станцию мало по сравнению с периодом ВЧ-колебаний.

Тогда приращение энергии, которое получит частица при прохождении ускоряющей станции, может быть записано в виде где U0 – амплитуда ускоряющего напряжения в станции, а – фаза электрического поля в момент прохождения частицы. В зависимости от приращение энергии частицы может изменяться в пределах от – еU до еU0, и, следовательно, частица в зависимости от знака сos может либо ускоряться, либо замедляться. Приращение энергии частицы при прохождении одной ускорительной станции обычно невелико – порядка десятков или сотен кэВ. Для получения более высокой энергии можно поступить двумя путями.

Первый путь состоит в том, что можно изготовить достаточно много однотипных ускоряющих ячеек и установить их в линию друг за другом так, чтобы ускоряемая частица последовательно прошла через каждую ячейку. Конечная энергия частиц будет равна сумме энергий, полученных частицей в каждой ускоряющей ячейке, По этому принципу строятся так называемые линейные ускорители.

Второй путь заключается в том, что для получения высокой энергии ускоряемых частиц можно обойтись одной ускоряющей ячейкой (или несколькими), но заставить частицу проходить эту ячейку многократно.

Это возможно осуществить с помощью соответствующих магнитных полей, создаваемых одним или несколькими специальными магнитами.

После каждого прохождения ускоряющей ячейки частица попадает в магнитное поле, движется в этом поле по замкнутой круговой траектории и, совершив в магнитном поле оборот на 360, вновь проходит через ускоряющую ячейку. Ускорители, построенные по этому принципу, носят название циклических. Конечная энергия частицы определяется в этом случае произведением приращения энергии за один оборот и количеством оборотов.

Третий вид электрических полей, используемых в ускорительной технике, – это вихревые магнитные поля, которые возникают при изменении магнитного потока в каком-либо железном или ферритовом сердечнике. Ускорители, в которых для ускорения частиц используются вихревые электрические поля, носят название индукционных. Существуют циклические индукционные ускорители, примером которых является хорошо известный бетатрон, и линейные индукционные ускорители.

Предельная энергия для синхроциклотронов Бурное развитие физики ядра и элементарных частиц все время ставило перед ускорительной техникой все новые и новые требования к увеличению энергии и интенсивности ускоряемых пучков. В соответствии с этими требованиями развитие ускорительной физики и техники шло по двум путям: создание сильноточных ускорителей с большой интенсивностью ускоряемых пучков и создание ускорителей на высокие и сверхвысокие энергии.

Увеличение энергии частиц, ускоряемых в циклическом ускорителе, связано с увеличением (В)max ускорителя, где – радиус кривизны траектории частицы, т. е. величина, пропорциональная размеру ускорителя, а B – максимальное значение индукции магнитного поля, которое может быть достигнуто в электромагните ускорителя. При использовании электромагнитов, магнитопроводы которых изготовлены из малоуглеродистой стали, величина B ограничена значениями порядка 15–18 кГс. При использовании безжелезных магнитов с обмотками из свехпроводящего кабеля B может достигать значений порядка 50 кГс. В таблице представлены величины для различных энергий ускоряемых протонов при В = 18 и 50 кГс, рассчитанные по формуле Величины для различных энергий ускоряемых протонов Самый большой в мире электромагнит с круглым полюсом – это электромагнит синхроциклотрона ПИЯФ с диаметром полюса 6,85 м и весом 8 000 т, предназначенный для ускорения протонов до энергии 1 ГэВ. Так как вес электромагнита приблизительно пропорционален кубу диаметра полюса, то становится ясно, что создавать электромагниты с диаметром полюса больше 7 м становится невыгодным. В связи с этим ускорители с энергией частиц выше 1 ГэВ создаются на основе кольцевых малоапертурных магнитных систем, дающих значительный выигрыш в весе магнитов по сравнению с магнитами со сплошным круглым полюсом.

Система единиц, используемая в ускорительной технике В научной литературе по ускорителям авторами разных стран используются разные системы единиц. Так, например, широко применяется в физике система единиц Гаусса, в которой механические величины измеряются в единицах CGS, электрические величины (заряд, разность потенциалов, сила электрического тока и напряженность электрического поля) – в системе CGS (Е), а магнитные величины – в системе CGS (М).

Напряженность магнитного поля измеряется здесь в эрстедах (Э), индукция магнитного поля – в гауссах (Гс), магнитный поток – в максвеллах (Мкс).

На практике широко используется система СИ, в которой заряд измеряется в кулонах (Кл), разность потенциалов – в вольтах (В), сила тока – в амперах (А), напряженность электрического поля – в вольтах на метр (В / м), напряженность магнитного поля – в амперах на метр (А / м), индукция магнитного поля – в теслах (Тл) и магнитный поток – в веберах (Вб).

Имеют место соотношения:

В ядерной физике и ускорительной технике принято измерять энергию частиц во внесистемных единицах: мегаэлектронвольтах (1 МэВ = 1,6022 · 10–6 эрг), гигаэлектронвольтах и тераэлектронвольтах, а импульс частицы, соответственно, в мегаэлектронвольтах на секунду (МэВ / c), гигаэлектронвольтах на секунду (ГэВ / c) и тераэлектронвольтах на секунду (ТэВ / c). В этом случае произведение рс, имеющее размерность энергии, также измеряется в мегаэлектронвольтах, гигаэлектронвольтах и тераэлектронвольтах.

Интенсивность пучков частиц измеряется обычно в частицах на секунду (част. / с). Интенсивность пучков заряженных частиц можно измерять также в микроамперах или миллиамперах:

Приведем также часто встречающиеся в ядерной физике постоянные величины:

энергия покоя протона масса покоя протона энергия покоя электрона масса покоя электрона элементарный электрический заряд электрическая постоянная магнитная постоянная Николай Константинович как-то предложил дополнить Международную систему единиц СИ новой единицей. «Единица порядочности – это Тамм», – такое определение ввел в науку известный генетик вавиловской школы Владимир Павлович Эфроимсон, получивший 10 лет лагерей за «лженауку» генетику.

Академик Игорь Евгеньевич Тамм (Нобелевская премия 1958 года), физик-теоретик, создатель водородной бомбы совместно с А. Д. Сахаровым и др. По учебнику И. Е. Тамма «Основы теории электричества»

Николай Константинович сдавал экзамен по электродинамике на 3-м курсе физмеха Политехнического института.

Между прочим, у ускорительщиков есть собственная единица интенсивности – Векслер (1 протон в 1 сезон). История «введения» этой единицы связана с тем, что на синхроциклотроне 10 ГэВ в Дубне, научным руководителем которого был Векслер, не была получена проектная интенсивность.

Необходимо отдавать себе отчет, что основное назначение ускорителя на большие энергии, на создание которых требуются немалые интеллектуальные и финансовые затраты, – это фундаментальные исследования, относящиеся к познанию нашего мира. Именно ускорители позволяют нам увидеть и, возможно, понять, что это там, за горизонтом?

Гринберг А. П. Методы ускорения заряженных частиц. М.–Л., 1950.

Ливингстон М. С. Ускорители. М., 1956.

Комар Е. Г. Ускорители заряженных частиц. М., 1964.

Яблоков Б. Н. Ускорители. М., 1962.

синхроциклотрона ПИЯФ. Программа развития 1.1. История вопроса В середине 50-х годов было принято правительственное решение о создании филиала Ленинградского физико-технического института им. А. Ф. Иоффе АН СССР (ФТИ), в который предполагалось перевести все исследования в области физики ядра и элементарных частиц. Местом расположения филиала был выбран город Гатчина Ленинградской области. В качестве основных базовых экспериментальных установок филиала ФТИ было решено построить модернизированный исследовательский реактор ВВР-М мощностью 10 МВт и самый крупный в своем классе синхроциклотрон на рекордную для этого типа ускорителей энергию ускоряемых протонов 1 ГэВ. Исследовательский реактор института был пущен в эксплуатацию в 1959 году, ускоритель – в 1970 году. После завершения строительства, в 1971 году, филиал ФТИ был преобразован в самостоятельный Ленинградский, теперь Петербургский, институт ядерной физики им. Б. П. Константинова (ПИЯФ).

С принятием правительственного решения о сооружении синхроциклотрона в Гатчине у института возникла задача разработать общую концепцию создания ускорителя и связанного с ним экспериментального комплекса и наметить программу физических исследований и прикладных работ, которые планировалось проводить на пучках нового ускорителя. Согласно этой концепции синхроциклотрон на энергию протонов 1 ГэВ должен был стать базовой экспериментальной установкой института, предназначенной для широкого использования в исследованиях структуры атомных ядер и механизма ядерных реакций, в изучении свойств и взаимодействий элементарных частиц, в исследованиях в области физики твердого тела, а также в области радиобиологии, радиационной медицины и прикладной физики. Ускоритель должен был также стать полигоном для отработки аппаратуры и методик регистрации ядерных излучений, предназначенных для использования на ускорителях высоких и сверхвысоких энергий как у нас в стране, так и за рубежом. Широкий диапазон исследований определил в качестве основного требования к ускорителю его универсальность и оснащенность различными трактами пучков. При этом основное внимание при создании ускорителя и его экспериментального комплекса должно было быть уделено созданию интенсивного внешнего протонного пучка с малым энергетическим разбросом, малым иммитансом и хорошими временными характеристиками. Кроме внешних протонных пучков необходимо было создать интенсивные пучки частиц второго поколения:

- и -мезонов и нейтронов.

Экспериментальный комплекс ускорителя должен был быть оснащен удобными экспериментальными залами и надежной радиационной защитой.

1.2. Крупнейшие синхроциклотроны мира В период разработки проекта и сооружения синхроциклотрона ситуация с протонными ускорителями средних (промежуточных) энергий складывалась следующим образом. В различных лабораториях мира в это время уже действовало порядка десяти синхроциклотронов. К наиболее крупным из них относились:

184-дюймовый синхроциклотрон Калифорнийского университета США на энергию протонов 740 МэВ1 (один из первых синхроциклотронов);

синхроциклотрон ЛЯП ОИЯИ в Дубне на энергию протонов 680 МэВ2 (рис. 1.1а, б);

синхроциклотрон ЦЕРН в Женеве (Швейцария) на энергию протонов 600 МэВ3 (рис. 1.2а, б);

аналогичный ускорителю ЦЕРН синхроциклотрон SREL в г. Ньюпорт (США) на энергию протонов 600 МэВ4.

Brobeck W. M., Lawrence E. O. et al. // Phys. Rev. 1947. V. 71, No. 7. P. 449.

Ефремов Д. В., Мещеряков М. Г., Джелепов В. П. и др. // АЭ. 1956. № 4. С. 5.

Gentner W. et al. // Philips Technical Review. 1961. V. 22. P. 141.

Cyclotrons-1978, 8 Int. Conf. on Cyclotrons and Тheir Applications, FM-11. Indiana, USA, 1978.

Рис. 1.1. Синхроциклотрон (фазотрон) 680 МэВ (ОИЯИ, Дубна):

а) общий вид (после его реконструкции в фазотрон с пространственной вариацией магнитного поля); б) схема синхроциклотрона. 1 – электромагнит; 2 – вакуумная камера; 3 – спиральные секторные накладки;

4 – выводной канал; 5 – С-электрод системы временной растяжки пучка;

6 – переходный отсек от дуанта к вариатору частоты; 7 – вариатор частоты; 8 – оконечный каскад генератора ВЧ для питания дуанта; 9 – вакуумный насос; 10, 11 – диагностические и мишенные пробники;

12 – фокусирующие линзы выводного тракта протонного пучка Рис. 1.2. Синхроциклотрон 600 МэВ (ЦЕРН, Женева):

а) общий вид (до реконструкции его вариатора частоты камертонного типа и перехода на вращающийся многолопастный вариатор); б) схема синхроциклотрона. 1 – катушки электропитания магнита; 2 – полюсные наконечники; 3 – шиммирующие накладки; 4 – ионный источник;

5 – дуант; 6 – малый антидуант; 7 – антидуантная рамка; 8 – переходный патрубок от дуанта к вариатору; 9 – кожух вариатора частоты; 10 – оконечный каскад генератора ВЧ для питания дуанта; 11 – вакуумные насосы В 1975 году был запущен еще один крупный синхроциклотрон на энергию протонов 570 МэВ Лаборатории НЕВИС (США)1.

Основным недостатком этих ускорителей была относительно малая интенсивность ускоряемого пучка, составляющая величину порядка 1 мкА, что было связано в первую очередь с малой амплитудой ускоряющего напряжения и недостаточной вертикальной фокусировкой в центральной области ускорителя, где действуют дефокусирующие силы пространственного заряда пучка. Другим недостатком этих ускорителей был слишком малый коэффициент вывода пучка из ускорительной камеры, находящийся на уровне порядка 5 %, что также было связано с малой амплитудой ускоряющего напряжения и обусловленным этим обстоятельством малым шагом орбит на последних радиусах, где начинается вывод пучка. В связи с этим, с целью повышения интенсивности пучка, в ЛЯП ОИЯИ2 и в ЦЕРН3 начали разрабатываться проекты реконструкции работающих там синхроциклотронов, направленные на увеличение амплитуды ускоряющего напряжения за счет коренной перестройки ВЧсистем, улучшения вертикальной фокусировки в центральной области ускорителя и повышение эффективности вывода пучка из ускорительной камеры. В это же время начало развиваться новое направление ускорителей средних энергий – мезонные фабрики, основанные на базе изохронных циклотронов или сильноточных протонных линейных ускорителей с интенсивностью пучка в сотни мкА. Началась разработка проектов изохронных циклотронов в Виллигене (Швейцария) на энергию 590 МэВ и в Ванкувере (Канада) на энергию 520 МэВ5. В Лос-Аламосе (США) началась разработка мезонной фабрики на основе линейного протонного ускорителя на энергию 800 МэВ6. Аналогичный проект на энергию протонов 600 МэВ стал разрабатываться в ИЯИ РАН, в городе Троицке (Московская обл.)7.

В этой ситуации перед нами встала задача разработки общей концепции создания синхроциклотрона на энергию протонов 1 ГэВ и связанного с ним экспериментального комплекса, с тем чтобы по отдельным Cyclotrons-1978, 8 Int. Conf. on Cyclotrons and Тheir Applications, FM-9. Indiana, USA, 1978.

Proposal for the Ivprovement of the 600 MeV Syncro-Cyclotron. MSC Internal Report 67-5, 1967.

Willax H. A. // Proc. of the Int. Cyclotron Conf. CERN 63-19, 1963. P. 386.

Haddock R. P. et al. // Тр. Междунар. конф. по ускорителям высокой энергии.

М., 1964. С. 568.

Knapp E. A. et al. // Proc. of 1966 Linear Acc. Conf. Los Alamos (LA-3609), 1966. P. 83.

Мурин Б. П. // Тр. III Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц.

М., 1973. Т. 1. С. 234–248.

направлениям обеспечить его конкурентоспособность среди реконструируемых синхроциклотронов и вновь сооружаемых мезонных фабрик.

В табл. 1.1 представлены параметры крупных синхроциклотронов до реконструкции, в табл. 1.2 и 1.3 представлены параметры крупных синхроциклотронов и мезонных фабрик после реконструкции.

Параметры крупных синхроциклотронов до реконструкции ЛЯП ОИЯИ, Россия ЦЕРН, Швейцария LBI, Калифорния, США SREL, Ньюпорт, Вирджиния, Параметры крупных синхроциклотронов после реконструкции ОИЯИ, Дубна, Россия ЦЕРН, Швейцария Параметры мезонных фабрик после реконструкции TRIUMF, Ванциклотрон кувер, Канада LAMPF, Тип ускорителя и энергия ускоряемых протонов были определены правительственным постановлением и обсуждению не подлежали. Ускоритель задумывался как экспериментальная база для фундаментальных и прикладных исследований во вновь сооружаемом Институте ядерной физики АН СССР в Гатчине. Поэтому, для того чтобы определить основные параметры сооружаемого ускорителя, необходимо было сформулировать задачи, которые можно было бы решать на его пучках. Этому предшествовала большая работа, которая была проведена в физических лабораториях ФТИ и его гатчинском филиале.

Использование синхроциклотрона на энергию протонов 1 ГэВ включало в себя следующие направления:

исследования в области ядерной физики;

исследования в области физики элементарных частиц;

исследования в области физики твердого тела с использованием ядерно-физических методов;

исследования явления -катализа реакций термоядерного синтеза;

исследования в области утилизации отходов ядерной промышленности;

использование ускоренных протонов для медицинских целей;

испытания радиационной стойкости изделий электронной промышленности, предназначенных для использования в космической технике;

отработка регистрирующей аппаратуры и методик для использования в исследованиях на отечественных и зарубежных ускорителях на высокие и сверхвысокие энергии.

1.3. Программа физических исследований на синхроциклотроне ПИЯФ В институте был проведен анализ тенденций развития физики ядра и элементарных частиц, который показал, что, хотя на мезонных фабриках интенсивность протонного пучка значительно выше, чем на синхроциклотронах, за счет более высокой энергии ускоряемых протонов, при наличии хорошей моноэнергетичности и специфичной временной структуры пучка, в целом ряде направлений исследований, не требующих высокой интенсивности пучка, синхроциклотрон с энергией протонов 1 ГэВ может найти достойное применение в современных экспериментальных исследованиях. Энергия протонов 1 ГэВ даже при не очень высокой интенсивности пучка является наиболее оптимальной для исследования структуры ядер и распределений ядерной материи методом упругого и квазиупругого рассеяния. Эта область энергий является идеальной для описания многократного рассеяния теории Глаубера – Ситенко1, что в сочетании с хорошей моноэнергетичностью пучка и достаточно высоким коэффициентом временного заполнения пучка делает синхроциклотрон на энергию протонов 1 ГэВ полезным в современных ядерных исследованиях. При энергии 1 ГэВ спин-спиновые члены амплитуды протон-нуклонного взаимодействия при малых углах рассеяния относительно малы, что упрощает анализ экспериментальных данных и уменьшает неопределенность в параметрах исследуемых ядер.

Синхроциклотрон на энергию протонов 1 ГэВ может иметь большие перспективы, в частности, для получения и исследования короткоживущих нейтронно-дефицитных ядер, удаленных от полосы бета-стабильности, которые, в силу их малых периодов полураспада и небольших сечений образования, не могли быть исследованы существовавшими в то время экспериментальными методами. Наибольший интерес для понимания природы ядерных сил вызывает вопрос о свойствах ядер на границе бета-стабильности и возможности обнаружения у этих нуклидов протонной и двухпротонной радиоактивности, испускания запаздывающих протонов, запаздывающего деления и других экзотических видов распада, которые энергетически невозможны для нуклидов вблизи дорожки бетастабильности2.

В области физики элементарных частиц синхроциклотрон на энергию протонов 1 ГэВ может эффективно использоваться для исследования протон-протонного и пион-протонного взаимодействий3. При этом исБелостоцкий С. Л. и др. // Письма в ЖЭТФ. 1973. Т. 17. С. 101–102.

Berlovich E. Y. et al. // Proc. EMIS-8 Conf. Sweden, 1973. P. 349.

Гордеев В. А. и др. // ПТЭ. 1976. Вып. 2. С. 25.

следования пион-протонного взаимодействия могут быть проведены в области энергий -мезонов вплоть до 750 МэВ, недоступных на других синхроциклотронах и мезонных фабриках. В результате этих исследований можно будет получить новые точные данные, которые восполнят пробел в мировом банке данных. Эти данные послужат основой для проведения соответствующего фазового анализа пион-нуклонного рассеяния и позволят уточнить фундаментальные константы, связанные с -, N-резонансами. Для реализации этой возможности необходимо создать на базе синхроциклотрона -мезонный канал высокой энергии, формирующий пучок -мезонов, вылетающих из мезонообразующей мишени под нулевым углом. Большой интерес представляют также исследования -мезонов1, образующихся при взаимодействии протонов с ядрами.

Синхроциклотрон с энергией протонов 1 ГэВ в силу специфической временной структуры пучка может быть успешно использован для создания импульсных нейтронных пучков, необходимых для измерения сечений взаимодействия нейтронов с ядрами с помощью нейтронной времяпролетной спектроскопии. Большое практическое значение для ядерной промышленности имеют измерения энергетической зависимости полных сечений деления урана и трансурановых элементов протонами. Эти данные необходимы для создания управляемых ядерных систем (ADS) и трансмутации ядерных отходов. Для обеспечения этих работ необходимо создание пучка протонов с переменной энергией от 200 до 1 000 МэВ.

Пучки –-мезонов низкой энергии необходимы, например, для исследования явления dd-, pd- и dt-катализа реакций термоядерного синтеза в различных смесях изотопов водорода, а также процессов мюонного захвата. Пучки +-мезонов необходимы для исследований магнитных фазовых переходов в магнетиках и сверхпроводниках с использованием SR-метода. Для формирования пучков -мезонов, образующихся при распаде -мезонов на лету, необходимо создание специализированного -мезонного канала.

Медицинское использование протонного пучка синхроциклотрона могло быть осуществлено в двух направлениях:

1) протонно-лучевая терапия;

2) разработка методов получения радиофармацевтических препаратов, меченных радиоактивными ядрами, для диагностики различных заболеваний.

Lopatin I. V. et al. // Proc. Int. Conf. on Physics with GeV-Particle Beems. August 22–25, 1994. Julich, Germany. P. 120.

Энергия протонов 1 ГэВ представляет интерес также и для исследования радиационной стойкости изделий электронной техники, используемой для космических исследований, и военной техники.

Исходя из опыта эксплуатации действующих синхроциклотронов и основываясь на прогнозе дальнейшего развития физики ядра и элементарных частиц, основные требования к синхроциклотрону ФТИ (ПИЯФ) на стадии разработки проекта были сформулированы следующим образом:

достаточно высокая интенсивность ускоряемого протонного пучка, на уровне нескольких мкА;

высокоэффективная система вывода протонного пучка из ускорительной камеры с эффективностью вывода не менее 30 %;

малый иммитанс и малый энергетический разброс протонов в выведенном пучке;

система временной растяжки как внутреннего, так и внешнего протонного пучка с коэффициентом временного заполнения пучка система однооборотного сброса протонного пучка на внутреннюю мишень для получения импульсного пучка испарительных нейтронов, необходимого для создания на его базе нейтронного спектрометра по времени пролета;

комплекс стационарных трактов протонных пучков разного назначения и пучков вторичных частиц: нейтронов и - и -мезонов;

хорошие эксплуатационные характеристики и стабильность работы ускорителя.

Для эффективного использования синхроциклотрона в разных направлениях фундаментальных и прикладных исследований экспериментальный комплекс синхроциклотрона должен включать в себя:

экспериментальный зал для размещения экспериментального оборудования с целью проведения научных и прикладных исследований на пучках синхроциклотрона;

выведенный из ускорительной камеры протонный пучок полной интенсивности для исследования структуры атомных ядер и прикладных исследований;

малый радиационный фон и наличие эффективной радиационной защиты в экспериментальном зале, в месте установки аппаратуры для физических исследований;

пучки -мезонов обоих знаков зарядов в широком диапазоне энергий;

-мезонный канал для получения чистых пучков -мезонов обоих медицинский протонный комплекс для целей протонной терапии;

лабораторию для исследования в линию с протонным пучком короткоживущих изотопов, удаленных от полосы бета-стабильности;

нейтронный спектрометр по времени пролета.

Дальнейшая многолетняя эксплуатация синхроциклотрона ФТИ (ПИЯФ) подтвердила правильность сформулированных выше исходных требований к ускорителю. Реализация этих требований обеспечила широкое и эффективное использование синхроциклотрона ПИЯФ на энергию протонов 1 ГэВ в научных и прикладных исследованиях, проводимых институтом в области физики ядра и элементарных частиц, в физике твердого тела, медицины и других направлениях1.

Ведущая роль в разработке физической программы на синхроциклотроне ПИЯФ и дальнейшей ее успешной реализации принадлежит членукорреспонденту РАН, профессору А. А. Воробьеву.

1.4. Этап строительства и запуска синхроциклотрона ПИЯФ Разработка, сооружение, наладка и ввод в эксплуатацию синхроциклотрона (1970) были произведены филиалом ФТИ и Научно-исследовательским институтом электрофизической аппаратуры им. Д. В. Ефремова (НИИЭФА) [1, 2]. Конструкция и компоновка основных узлов синхроциклотрона по техническому заданию филиала ФТИ были разработаны в НИИЭФА при участии сотрудников филиала ФТИ. Была разработана конструкция электромагнита и ускорительной камеры, выбрана схема, и разработана конструкция ряда узлов ВЧ-системы, а также ряд вспомогательных систем: вакуумная система, система электропитания и водоохлаждения узлов ускорителя, электромагниты и линзы для создания трактов пучков. От НИИЭФА в разработке проекта непосредственное участие принимали Е. Г. Комар, И. Ф. Малышев, Б. В. Рождественский, И. М. Ройфе, Е. В. Середенко, А. Т. Чесноков, Н. А. Моносзон, И. В. Гусев и В. И. Перeгуд.

Формирование магнитного поля ускорителя, разработка ряда узлов ВЧ-системы, создание системы вывода пучка из ускорительной камеры, системы временной растяжки пучка, электростатической фокусировки в центральной области ускорителя, а также создание экспериментального комплекса синхроциклотрона и системы разводки и транспортировки пучков было осуществлено филиалом ФТИ. Дальнейшее усовершенствоОсновные направления научной деятельности Отделения физики высоких энергий ПИЯФ РАН: сб. Гатчина, 1996–2010 гг.

вание ускорителя после его ввода в эксплуатацию осуществлялось силами филиала ФТИ.

Николай Константинович Абросимов с 1959 года являлся одним из руководителей работ филиала ФТИ по разработке и сооружению синхроциклотрона ПИЯФ, а с 1971 по 2011 год являлся заведующим Ускорительным отделом ПИЯФ, который осуществляет эксплуатацию и дальнейшее усовершенствование ускорителя и его экспериментального комплекса.

Ведущими участниками работ по созданию синхроциклотрона от ФТИ были Д. Г. Алхазов, Д. М. Каминкер, А. П. Комар, Н. К. Абросимов, Н. Н. Чернов, А. В. Куликов, Г. А. Рябов, В. А. Елисеев, С. П. Дмитриев, Г. Ф. Михеев. На более поздних этапах к этой работе подключились Ю. Т. Миронов и В. И. Шалманов.

Проект здания синхроциклотрона и его технологических систем по техническому заданию филиала ФТИ был разработан в Ленинградском проектном институте (теперь – ГУП ГИ ВНИПИЭТ), проект систем электропитания и нестандартного электротехнического оборудования разработали НИИЭФА и ГПИ «Тяжпромэлектропроект». Строительство синхроциклотрона было начато в 1957 году силами военных строителей, и уже в 1964 году были построены все здания ускорительного комплекса и закончен монтаж основного оборудования и систем электропитания.

Изготовление нестандартного оборудования синхроциклотрона осуществлено на заводе ЛЭЗ ЛЕО «Электросила».

Сооружение самого крупного в мире синхроциклотрона потребовало решения целого комплекса научно-технических проблем, сложность которых была обусловлена в первую очередь высокой проектной энергией ускоряемых протонов – 1 ГэВ, которая для ускорителя типа синхроциклотрон является, по-видимому, предельной. К числу этих проблем следует отнести создание самого большого в мире электромагнита со сплошным полюсом с магнитной жесткостью на последнем рабочем радиусе 57 кГс м, что соответствует конечной энергии протонов 1 ГэВ;

распределения азимутально-симметричного магнитного поля с точностью 10–4;

ВЧ резонансной системы синхроциклотрона с рекордным перекрытием по частоте ускоряющего напряжения, равным 2,3;

высокоэффективной (с коэффициентом вывода 30 %) системы вывода пучка из ускорительной камеры;

высокоэффективной системы временной растяжки пучка;

импульсного дефлектора для однооборотного сброса пучка внутри камеры на нейтронообразующую мишень;

оригинальной трехэлектродной электростатической фокусирующей системы для центральной области ускорителя, обеспечивающей повышение интенсивности ускоряемого пучка до 3,5 мкА;

системы разводки и транспортировки пучков;

экспериментального комплекса синхроциклотрона для проведения на пучках ускорителя научных и прикладных работ.

Решение этих проблем потребовало поиска принципиально новых подходов к созданию ряда узлов и систем ускорителя. Многие из найденных в ходе разработки ускорителя технических решений были защищены авторскими свидетельствами.

Сложной технической проблемой было создание электромагнита синхроциклотрона и формирование в зазоре электромагнита заданного распределения магнитного поля, необходимого для обеспечения устойчивого движения протонов при их ускорении до конечной энергии 1 ГэВ.

Электромагнит синхроциклотрона, разработанный НИИЭФА, является самым большим в мире электромагнитом со сплошным полюсом. Диаметр полюсных наконечников магнита – 6,85 м, зазор между полюсами (без шиммов) – 0,5 м, индукция магнитного поля в центре – 1,9 Тл, внешние габариты магнита – 16,5 7,8 10 м3, масса магнитопровода – 7 800 т, мощность электропитания – 1 МВт.

Формирование магнитного поля синхроциклотрона было проведено сотрудниками филиала ФТИ в 1964–1965 годах. При этом основное внимание было обращено на получение достаточно малых амплитуд бетатронных колебаний, отсутствие резонансов бетатронных колебаний и увеличение вертикальной фокусировки в центральной области ускорителя, что потребовало разработки и изготовления специального комплекса измерительной аппаратуры на базе автоматизированного ЯМР-магнитометра и термостатированных датчиков Холла, а также создания автоматизированной координатной системы для перемещения датчиков в зазоре электромагнита. В связи с большим объемом измерений процесс измерений параметров поля был полностью автоматизирован. Такая система автоматизации измерений была создана в нашей стране впервые.

Наиболее серьезная проблема заключалась в создании ВЧ-системы синхроциклотрона с перекрытием по частоте, равным 2,3, что явилось следствием высокой для этого типа ускорителей конечной энергии ускоряемых протонов 1 ГэВ. Такое перекрытие не было достигнуто нигде в мире, и для решения этой проблемы потребовался поиск принципиально новых решений как для выбора конструктивной схемы резонансной системы, так и для выбора схемы вариатора частоты.

Конструкция ВЧ-системы была разработана в НИИЭФА. Она включала в себя полуволновую резонансную систему синхроциклотрона, состоящую из дуанта и подсоединенных непосредственно к хвостовой части дуанта двух вращающихся вариаторов частоты. Рекордное перекрытие по частоте ускоряющего напряжения, равное 2,3, было достигнуто за счет соответствующего выбора формы дуанта и способа подключения вариаторов частоты к дуанту. Для увеличения перекрытия по емкости в схеме вариаторов частоты использовались дополнительные статорные пакеты, подключенные к дуанту через дополнительные индуктивности. Большая сложность ВЧ-системы и невозможность в связи с этим определения всех необходимых параметров системы расчетным путем потребовали проведения работ по доводке системы до проектных параметров на соответствующих макетах. С целью ускорения и удешевления работ доводка изготовленной на заводе ЛЭЗ ЛЕО «Электросила»

ВЧ-системы до проектных параметров была осуществлена на реальной системе на месте ее монтажа в Гатчине. Работы были проведены в 1967– 1970 годах, в ходе которых была тщательно проанализирована принципиальная схема и конструкция резонансной системы, и на основе проведенного анализа в конструкцию системы были внесены необходимые изменения, которые позволили довести систему до проектных параметров. Для увеличения коэффициента перекрытия по емкости были внесены изменения в конструкцию индуктивных элементов вариаторов частоты. С целью обеспечения устойчивого возбуждения ВЧ-системы во всем рабочем диапазоне частот и подавления поперечных мод колебаний дуанта была разработана статическая двухфидерная система связи лампового блока генератора с резонансной системой. По материалам этих разработок оформлено два авторских свидетельства.

Ведущая роль в проведении работ по наладке ВЧ ускоряющей системы синхроциклотрона принадлежит Н. К. Абросимову, А. В. Куликову, Н. Н. Чернову, С. П. Дмитриеву, Г. Ф. Михееву, А. Г. Котову, В. К.

Волкову, С. А. Королеву и др. От НИИЭФА активно участвовал Е. В. Середенко.

Не менее сложные проблемы были решены при создании вакуумной ускорительной камеры с объемом около 35 м3 и рабочим вакуумом 2 · 10–6 мм рт. ст. (1,5 · 10–8 Па). Верхней и нижней крышками камеры являются полюса магнита. Боковые стенки из алюминиевого сплава съемные, и на них устанавливаются механизмы камеры. Камера имеет откатываемый отсек, в котором закреплен дуант и установлены заземленные части вариаторов частоты. Камера откачивается 4 высоковакуумными паромасляными насосами типов ВА-40 и ВА-8-4. Общая скорость откачки составляет 36 000 л / с. Форвакуумная откачка обеспечивается 7 насосами типа ВН-7 Г. Для уменьшения времени откачки до рабочего вакуума в дальнейшем были установлены дополнительно насосы типа ВН-6.

Следующей по важности проблемой явилось создание системы эффективного вывода протонного пучка из ускорительной камеры. Обычно на всех синхроциклотронах, запущенных до 1970 года, для вывода пучка из ускорительной камеры использовались регенеративные системы вывода. Эффективность вывода этих систем не превышала 5-6 %. В связи с этим путем расчета на ЭВМ большого количества траекторий в выводной системе был проведен анализ потерь пучка в процессе вывода. Расчеты проводились с учетом экспериментально измеренного реального распределения частиц внутреннего пучка на последних радиусах по амплитудам и фазам радиальных и вертикальных бетатронных колебаний.

На основе этого анализа была разработана и осуществлена широкоапертурная регенеративная система вывода, оптическая ось которой выбрана не из условия прохождения по ней равновесной частицы, как это делалось раньше, а из условия прохождения частицы, находящейся в максимуме плотности частиц в фазовом пространстве. С тем чтобы исключить влияние выводной системы на движение протонов внутри ускорительной камеры, система была тщательно заэкранирована с помощью магнитных экранов. В результате после запуска ускорителя была получена рекордная для того времени эффективность вывода протонов, составляющая 30 %.

Огромный объем работ по шиммированию магнитного поля синхроциклотрона и системы вывода его пучка был выполнен группой молодых сотрудников Ускорительного отдела в составе Г. А. Бублика, В. А. Елисеева, И. А. Петрова, И. И. Ткача, возглавляемой Г. А. Рябовым.

Осуществление высокого коэффициента вывода пучка из ускорительной камеры коренным образом изменило концепцию создания на синхроциклотроне ПИЯФ пучков - и -мезонов. В связи с этим мы смогли отказаться от мезонных мишеней, традиционно устанавливаемых внутри ускорительной камеры, и полностью перейти без потери интенсивности на более эффективные внешние мезонообразующие мишени.

По завершении комплекса работ по наладке узлов ускорителя в году был осуществлен ввод синхроциклотрона в эксплуатацию [3–5].

Акт приемки в эксплуатацию синхроциклотрона ФТИ им. А. Ф. Иоффе АН СССР от 27 февраля 1970 года подписала государственная комиссия, в состав которой входили председатель член-корреспондент АН СССР В. П. Джелепов, член-корреспондент АН СССР директор ФТИ АН СССР В. М. Тучкевич, доктор физико-математических наук заместитель директора ФТИ АН СССР Д. М. Каминкер, главный инженер синхроциклотрона ФТИ АН СССР Н. К. Абросимов, доктор технических наук директор НИИЭФА Е. Г. Комар и др. Акт утвержден вице-президентом АН СССР академиком М. Д. Миллионщиковым. C этого времени ускоритель начал работать на физический эксперимент от 4 000 до 6 000 часов в год. С вводом синхроциклотрона в эксплуатацию было завершено создание первой очереди ускорительной базы ПИЯФ, на основе которой было обеспечено на длительную перспективу проведение фундаментальных и прикладных исследований по планам института в различных областях физики, медицины и радиационной технологии.

1.5. Программа усовершенствования синхроциклотрона ПИЯФ и развитие его экспериментальной базы После пуска синхроциклотрона в эксплуатацию параллельно с интенсивной работой на физический эксперимент на нем проводилась программа усовершенствования, которая была направлена на увеличение интенсивности и качества пучка, создание новых трактов пучков, а также улучшение эксплуатационных характеристик ускорителя и повышение надежности его работы. В процессе сооружения и наладки синхроциклотрона, параллельно с работами по его пуску, в институте разрабатывалась программа научных и прикладных исследований на пучках ускорителя и создавалось соответствующее экспериментальное оборудование.

В 1972 году была введена в эксплуатацию разработанная в ПИЯФ система временной растяжки пучка с использованием С-электрода, которая позволила увеличить макроскопический коэффициент временного заполнения пучка с 1,4 до 50 %. В системе используется 3/4-волновая резонансная линия с ферритовым вариатором частоты. В отличие от аналогичных систем временной растяжки пучка, используемых на других ускорителях, на синхроциклотроне ПИЯФ была введена система синхронизации напряжения на С-электроде по частоте и фазе с ускоряющим напряжением на основном дуанте. Это позволило обеспечить практически 100%-ный переход частиц из режима ускорения основным дуантом в режим ускорения с помощью С-электрода. Результаты этой работы защищены авторским свидетельством.

В 1973 году был создан и введен в действие совмещенный с системой временной растяжки пучка импульсный дефлектор для однооборотного сброса протонного пучка на внутреннюю нейтронообразующую мишень. В качестве вертикального дефлектора был использован С-электрод, у которого верхняя и нижняя пластины были разъединены.

С помощью этого дефлектора был получен импульсный пучок испарительных нейтронов с энергетическим спектром от нескольких эВ до 1 МэВ и длительностью импульса 7–30 нс. Впоследствии на основе этого пучка в ПИЯФ был создан нейтронный спектрометр по времени пролета ГНЕЙС с базой 40 м.

В 1974 году на синхроциклотроне были установлены разработанные и изготовленные в ПИЯФ модернизированные вариаторы частоты. При этом была значительно повышена надежность работы ускорителя и сокращено время, необходимое для проведения ревизии ВЧ-системы. После установки новых вариаторов время работы ускорителя на физический эксперимент было доведено до уровня 6 000 часов в год.

В 1977 году на синхроциклотроне была осуществлена программа повышения интенсивности ускоряемого протонного пучка за счет увеличения вертикальной фокусировки в центральной области ускорителя, где ограничение интенсивности определяется силами пространственного заряда пучка. С этой целью в центральной области ускорителя была установлена разработанная в ПИЯФ новая трехэлектродная электростатическая фокусирующая система, с помощью которой интенсивность внутреннего пучка была доведена до 3,5 мкА. Интенсивность выведенного из ускорительной камеры пучка составила при этом 1 мкА. Это значительно расширило экспериментальные возможности синхроциклотрона.

На новую фокусирующую систему было получено авторское свидетельство.

Параллельно с работами по сооружению и дальнейшему усовершенствованию синхроциклотрона ПИЯФ проводились работы по созданию экспериментального комплекса ускорителя [6], оснащенного эффективной радиационной защитой, который включает в себя систему трактов пучков и ряд экспериментальных установок общего пользования. В течение 1974–1980 годов на синхроциклотроне ПИЯФ были созданы:

3 тракта протонных пучков: один для комплекса протонной терапии, второй для Лаборатории ИРИС и третий для экспериментальных установок по исследованию упругих и неупругих взаимодействий протонов с ядрами;

2 тракта для формирования -мезонных пучков высоких и низких комбинированный -мезонный канал на внешней мишени;

тракт поляризованных протонов и высокоэнергетический нейтронный тракт;

медицинский комплекс протонной терапии;

нейтронный спектрометр по времени пролета ГНЕЙС;

Лаборатория ИРИС для систематических исследований ядер, далеких от полосы бета-стабильности.

Для оснащения протонных трактов пучков были разработаны измерители профиля пучка на основе полупроводникового перехода Ge-GeS, созданы дистанционно управляемые коллиматоры протонного пучка и магниты-корректоры. Создание этих трактов и установок значительно расширило экспериментальные возможности ускорителя и программу научных и прикладных работ, выполняемых на его пучках.

В 1975 году на синхроциклотроне ПИЯФ совместно с ЦНИРРИ Минздрава СССР был создан комплекс протонной лучевой терапии, предназначенный для лечения различных заболеваний головного мозга, в частности аденом гипофиза и артериовенозных аневризм (подробно о комплексе протонной лучевой терапии рассказано в главе 2).

Как одно из ответвлений -мезонного канала был создан -мезонный канал низких энергий, на котором были сформированы пучки -мезонов низкой энергии и пучки так называемых поверхностных +-мезонов, образованных в результате распада +-мезонов, остановившихся в мезонообразующей мишени. Исследование свойств поверхностных +-мезонов послужило началом целой серии физических экспериментов по точному измерению времени жизни +- и K+-мезонов. Для расчета и оптимизации пучков частиц второго и третьего поколений в институте были разработаны основанные на методе Монте-Карло ЭВМ-программы МЕЗОН и ОПТИМУМ.

В 1975 году на синхроциклотроне была создана установка ИРИС, предназначенная для систематического исследования короткоживущих нейтронно-дефицитных ядер, далеких от полосы бета-стабильности.

Установка включает в себя экспериментальный зал с мишенной комнатой и лабораторный корпус. В экспериментальном зале ИРИС установлен магнитный масс-сепаратор, работающий в линию с протонным пучком ускорителя. Протонный пучок подается в мишенную комнату по протонному тракту, который имеет длину 60 м и оборудован 16 магнитными элементами, обеспечивающими транспортировку протонного пучка полной интенсивности с малыми потерями.

В последующие годы программа усовершенствования синхроциклотрона ПИЯФ была продолжена. Основные усилия здесь были сосредоточены на модернизации трактов пучков и оснащении их системами диагностики и управления пучком. Существенной перестройке подверглись тракт протонного пучка главного зала, тракт протонного пучка Лаборатории ИРИС, где при длине тракта 60 м была обеспечена пропускная способность более 90 %, а также медицинский протонный тракт. Появился ряд новых трактов пучков: протонный пучок малой интенсивности для испытания и калибровки проволочных ионизационных камер и специальный метрологический сертифицированный пучок для радиационных испытаний материалов и изделий, обеспечивающий облучение изделий размером от 1 до 25 см при неоднородности дозовых полей в пределах < 5 % и примеси нейтронов < 1 %.

Начиная с запуска в эксплуатацию в 1970 году, синхроциклотрон ПИЯФ постоянно эксплуатировался на физический эксперимент по ~ 5 500–6 000 часов в год, а с 1985 года – по ~ 3000 часов в год [7–9].

1. Абросимов Н. К. Синхроциклотрон ФТИ им. А. Ф. Иоффе АН СССР на энергию протонов 1 ГэВ // АЭ. 1969. Т. 27, № 6. С. 584–585.

2. Абросимов Н. К. и др. Разработка физических и инженерных основ, наладка и пуск синхроциклотрона на энергию протонов 1 ГэВ ЛИЯФ АН СССР: отчет НИИЭА – ФТИ, 09.12.1971.

3. Абросимов Н. К., Алхазов Д. Г., Дмитриев С. П., Елисеев В. А., Каминкер Д. М., Куликов А. В., Рябов Г. А., Чернов Н. Н., Гусев И. В., Комар Е. Г., Малышев И. Ф., Моносзон Н. А., Перегуд В. И., Рождественский Б. В., Ройфе И. М., Середенко Е. В., Чесноков А. Т. Синхроциклотрон ФТИ АН СССР на энергию протонов 1 ГэВ // Тр. VII Междунар.

конф. по ускорителям частиц высоких энергий. Ереван, 1970. Т. 1.

С. 317–323.

4. Абросимов Н. К., Алхазов Д. Г., Дмитриев С. П., Елисеев В. А., Каминкер Д. М., Куликов А. В., Миронов Ю. Т., Михеев Г. Ф., Рябов Г. А., Чернов Н. Н., Шалманов В. И., Комар Е. Г., Малышев И. Ф., Моносзон Н. А., Перегуд В. И., Рождественский Б. В., Ройфе И. М., Середенко Е. В. Ленинградский синхроциклотрон на энергию протонов 1 ГэВ // ЖТФ. 1971. Т. 41. Вып. 9. С. 1769–1775.

5. Абросимов Н. К., Воробьев А. А. Синхроциклотрон Ленинградского института ядерной физики им. Б. П. Константинова АН СССР // Вестник АН СССР. 1972. № 11. С. 42.

6. Абросимов Н. К., Дмитриев С. П., Елисеев В. А., Куликов А. В., Миронов Ю. Т., Михеев Г. Ф., Рябов Г. А., Чернов Н. Н. Современное состояние синхроциклотрона на энергию протонов 1 ГэВ в Гатчине // Тр. VII Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц.

Дубна, 1981. Т. 2. С. 75–79.

7. Abrossimov N. K., Dmitriev S. P., Eliseev V. A., Mikheev G. F., Riabov G. A., Chernov N. N. History and Present Status of PNPI Synchrocyclotron // PNPI XXXV. Main Scientific Activities 1971–1996. High Energy Physics. Gatchina, 1998. P. 6–17.

8. Abrossimov N. K., Dmitriev S. P., Eliseev V. A., Ivanov E. M., Mironov Yu. T., Mikheev G. F., Riabov G. A. Status Report of 1 GeV PNPI Synchrocyclotron. PNPI Research Report 1994–1995. Gatchina, 1996.

P. 262–266.

9. Абросимов Н. К., Дмитриев С. П., Елисеев В. А., Михеев Г. Ф., Рябов Г. А.

История создания и современное состояние синхроциклотрона ПИЯФ РАН // ПИЯФ XXV. Основные направления научной деятельности. Отделение физики высоких энергий. Гатчина, 1996. С. 6–18.