Ускорительная тематика

Первым главным направлением творческой деятельности РТИ с момента его образования стало создание мощных ускорителей заряженных частиц для исследований в области ядерной физики. Отметим еще раз тот факт, что Радиолаборатория А. Л. Минца из начально была создана исключительно для разработки и сооружения таких установок, а также радиотехнических, электрофизических, энергетических и других систем, входящих в их состав.

Фазотрон на энергию 680 МэВ (Дубна)
Фазотрон на энергию 680 МэВ (Дубна)

Первой крупной работой коллектива под руководством А. Л. Минца было участие в создании в Дубне в 1949 г. самого крупного в мире фазотрона (синхроциклотрона) на энергию ускоренных протонов 680 МэВ, который работает по настоящее время и является крупнейшей установкой этого типа в мире. Фазотрон был построен в рекордно короткие сроки — всего за 3 года (1946-1949 гг.).Второй выдающийся работой, в которой принимал участие коллектив в то время уже самостоятельной радиолаборатории (РАЛАН), был синхрофазотрон на энергию 10 ГэВ, что примерно в 2 раза превышало мощность соответствующего действующего американского ускорителя «Беватрон» с энергией 6 ГэВ. В других странах мира ускорительная техника подобного класса вообще отсутствовала. Впервые в мире 14 апреля 1957 г. в Институте ядерных проблем (ИЯП) в Дубне (в последующем — Объединенном институте ядерных исследований — ОИЯИ) на сооруженном синхрофазотроне был получен пучок протонов с вышеуказанной энергией.

В октябре 1961 г. был осуществлен физический пуск следующего созданного в РАИАН ускорителя — протонного синхротрона (синхрофазотрона) с жесткой фокусировкой на энергию 7 ГэВ в Москве, в Институте теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ).

В начале 60-х годов в институте были развернуты работы по автоматизации ускорителей на высокие энергии, которые в 1965 г. завершились созданием в стенах РТИ действующей модели с энергией пучка 1 ГэВ уникального по мощности «кибернетического ускорителя» на энергию ускоренных протонов 1000 ГэВ, предложенного А. Л. Минцем с соратниками.

Впервые коллектив института создал ускоритель своими силами от начала и до конца.

Сечение вакуумной камеры «кибернетического ускорителя» составляло всего 22х16 мм (в десятки раз меньше, чем вакуумные камеры работавших в то время ускорителей, что обеспечивало снижение веса магнитной системы в сотни раз; для сравнения — вес электромагнитной системы синхрофазотрона на энергию 10 ГэВ в Дубне составляет 36 000тонн, а протонного синхрофазотрона на энергию 76 ГэВ в Протвино — более 100 000 тонн). Процессы инжекции, пуска, регулирования орбиты, частоты ускоряющего поля и числа бетатронных колебаний были автоматизированы, осуществлялся функциональный контроль систем ускорителя с помощью ЭВМ.

Модель «кибернетического ускорителя» была экспериментальным полигоном для исследования автоматизированных систем, обеспечивающих процесс ускорения. На ней была показана принципиальная возможность создания ускорителя на энергию 1 000 ГэВ и более, а также высокая эффективность использования ЭВМ для ускорителей. Несмотря на серьезное отставание СССР в области вычислительной техники в те годы, приоритет РТИ АН СССР по автоматизации ускорителей официально, в публикациях, признавался зарубежными специалистами.

В октябре 1967 г. коллективом института была одержана еще одна блестящая победа на поприще создания уникальных ускорительных установок — в Институте физики высоких энергий (ИФВЭ) под Серпуховым (г. Протвино) был введен в строй крупнейший в мире по тем временам кольцевой ускоритель протонов (синхротрон) на энергию 76 ГэВ с длиной орбиты 1,5 км.

Наряду с участием в создании кольцевых ускорителей, институтом в 60-х годах были созданы также две крупные линейные протонные машины.

Первый советский линейный протонный ускоритель с жесткой фокусировкой «И-2» на энергию 24,6 МэВ с импульсным током 200 мА был запущен в 1966 г. как инжектор протонного синхротрона ИТЭФ.

Второй линейный ускоритель протонов «И-100» на энергию 100 МэВ и импульсный ток 100 мА на момент запуска в 1967 г. был самой крупной установкой этого типа в мире. Он был создан для работы в качестве инжектора протонного синхротрона ИФВЭ и обеспечил своевременный ввод в строй всего уникального ускорительного комплекса в Протвино.

В 1972-1976 гг. институтом был разработан сильноточный ускоритель протонов для Московской «Мезонной фабрики» (ММФ) Института ядерных исследований (ИЯИ) АН СССР на энергию 600 МэВ и средний ток 0,5 мА. Это и сегодня крупнейший в Европе и второй по величине в мире линейный ускоритель.

Работа над ускорителем «Мезонной фабрики» стимулировала создание в промышленности новых технологий и изделий, в частности, мощных генераторных ламп ГИ-27А, ГИ-54А, клистронов КИУ-40, триметаллических высокодобротных объемных радиотехнических резонаторов с длинами десятки метров, диаметрами 0,5-1,5 м, добротностью Q » 50 000- 70 000 на частотах метрового и дециметрового диапазонов. При таких габаритах и добротности величина возбуждаемой высокочастотной импульсной мощности в каждом объемном резонаторе составляла 5 МВт при среднем значении мощности ~0,3 МВт.

Синхрофазотрон на энергию 10 ГэВ (Дубна) Модель «кибернетического ускорителя» на энергию 1 ГэВ (РТИ, Москва)
Синхрофазотрон на энергию 10 ГэВ (Дубна)
Модель 1 ГэВ кибернетического ускорителя (Москва)

Работы коллектива института не ограничивались только протонными (кольцевыми и линейными) ускорителями. Для Института атомной энергии имени И. В. Курчатова был создан уникальный линейный ускоритель электронов (ЛУЭ) «Пламя-Факел», предназначенный для исследований по нейтронной физике и физике твердого тела, а также для решения ряда прикладных задач.

Ускоритель «Пламя-Факел» работал в режиме микросекундных и наносекундных импульсов, обеспечивая на выходе установки энергию электронного пучка 60 МэВ и силу тока до 1 А при длительности импульса 6 мкс и до 3 А при длительностях импульсов 10, 50 и 250 нс, и был сдан в эксплуатацию в 1976 г.

В институте также активно развивались прикладные работы по созданию и применению ускорителей в промышленности. Одной из первых таких работ было создание в 70-х годах промышленных ускорителей типа ЭОЛ на энергии 400-600 кэВ и ток до 100 мА, которые успешно используются промышленностью для радиационных технологий (отверждения лакокрасочных покрытий, обеззараживания сточных вод, стерилизации медицинского инструментария и др.).

Помимо развития ускорительной техники для научных исследований, промышленности и перспективных высокоэнергетических систем специального назначения в РТИ проводились также теоретические и экспериментальные работы по созданию линейного ускорителя тяжелых ионов (урана и трансурановых элементов). С помощью таких установок возможно, в принципе, получать расщепляющиеся материалы трансурановой группы с небольшими значениями критической массы. Эти работы начинались в отделе линейных ускорителей РТИ, который возглавлял выдающийся радиофизик ХХ века Мурин Б. П., руководивший (после ухода А. Л. Минца) с 1970 по1977 г. Радиотехническим институтом АН СССР. Решение о необходимости создания такого специального ускорителя многозарядных (тяжелых) ионов для синтеза (получения) трансуранов было принято еще в декабре 1955 года на совещании по ускорителям заряженных частиц. Инициатором этого решения был родной брат академика Игоря Васильевича Курчатова — Борис Васильевич Курчатов, талантливый ученый- радиохимик, работавший с 1943 года вместе с братом в Лаборатории № 2 АН СССР (впоследствии в ЛИПАН, а затем в ИАЭ им. И. В. Курчатова) над проблемой выделения и изучения плутония, а затем и создания в стране процесса промышленного его извлечения. Без этих работ Б. В. Курчатова невозможно было бы создание в СССР ядерного оружия.

Через несколько лет после начала этих исследовательских работ лаборатория, занимавшаяся разработкой такого ускорителя, перешла в другую организацию, и данная тематика в институте была закрыта.

Как известно, основой для построения ускорителей всех типов, создававшихся РТИ, являются мощные генераторы электромагнитных колебаний. В принципе, коллектив института начинал свою деятельность именно с разработки и создания таких генераторов для ускорителей различных типов. Это были широкодиапазонные ВЧ-генераторы для кольцевых и СВЧ-генераторы для линейных электронных и протонных ускорителей.

Аналогичные мощные генераторы создавались также для установок управляемого термоядерного синтеза и радиофизических установок прикладного назначения.

Серпуховский протонный синхротрон (синхрофазотрон) на энергию 76 ГэВ
Серпуховский протонный синхротрон (синхрофазотрон) на энергию 76 ГэВ

Достигнутые результаты разработок мощных радиочастотных генераторов в РТИ являются во многих случаях уникальными и по сегодняшним меркам. Так, например, в метровом диапазоне волн единичная мощность генераторов достигала 5 МВт и более в импульсе и 0,3 МВт в среднем значении. Для решения прикладных задач разрабатывались еще более мощные генераторные устройства и установки. В качестве примера на приводится фотография натурного габаритного макета разрабатывавшегося в стенах РТИ в 70-е годы (руководитель разработки Зарубин Б. Т.) ВЧ-генератора метрового диапазона с проектной импульсной мощностью в единичном устройстве около 1 ГВт (!).

Помимо создания собственно ускорительных установок институт, начав работы по автоматизации ускорителей еще в 60-х годах на модели «кибернетического ускорителя», активно продолжил их и затем воплотил полученные наработки в автоматизированных системах обработки экспериментальных данных, получаемых с физических установок, размещаемых на выходе ускорителя.

Ускоряющие резонаторы первой части ускорителя «Мезонная фабрика». Длина резонаторов — 100 м Ускоряющие резонаторы второй части ускорителя «Мезонная фабрика». Длина резонаторов — 400 м
Ускоряющие резонаторы первой части ускорителя «Мезонная фабрика». Длина резонаторов — 100 м
Ускоряющие резонаторы второй части ускорителя «Мезонная фабрика». Длина резонаторов — 400 м

В 1968 году в РТИ началась разработка автоматизированных систем обработки физической информации. В ходе этих работ институт участвовал в создании прецизионных сканирующих автоматических систем «ЭЛАС», ПУОС-2, –3, –4, «Надежда», которые по своим характеристикам были на уровне лучших мировых образцов. Системы ПУОС-4 и «ЭЛАС» были полностью разработаны в институте. Для ПУОС-4 (лазерная система с механическим сканированием луча) была разработана компьютерная система управления, позволяющая получать точность позиционирования 2 мкм. Электронно-лучевая система «ЭЛАС» позволяла в автоматизированном режиме измерять фотографии треков частиц, полученных в жидководородных камерах «Мирабель» и «Скат», с точностью 5 мкм.

В 1976 году для дальнейшего развития ускорительной техники в стране в интересах физики высоких энергий, ядерной физики, радиофизики. радиотехники, военной техники и народного хозяйства (медицины, экологии и промышленности) все работы по ускорителям заряженных частиц были переданы во вновь образованный «Научно-исследовательский институт высокоэнергетических устройств» (НИИВЭУ) (с 1977 г. — «Московский радиотехнический институт (МРТИ) АН СССР», в настоящее время МРТИ РАН).

На этом закончилась 30-летняя деятельность РТИ по разработке ускорителей заряженных частиц.

Создание почти всех вышеперечисленных ускорителей проходило в РТИ при непосредственном участии А. Л. Минца, руководившего проектированием всех радиотехнических и технологических систем, изготовлением, наладкой и вводом в эксплуатацию этих сложнейших инженерно-физических объектов, предназначенных, главным образом, для исследований микромира.

В ходе этих работ в РТИ сложился коллектив высококвалифицированных специалистов, разработавший и внедривший ряд передовых технических решений и изобретений в реализованные уникальные проекты ядерно-физических установок. Создатели этих установок по окончании их строительства и ввода в эксплуатацию отмечались высокими правительственными наградами, Государственными и Ленинскими премиями. В их числе был и академик А. Л. Минц.

Линейный ускоритель «И-100» (Серпухов) Мощный ВЧ-генератор с выходной мощностью 5 МВт Габаритный макет сверхмощного ВЧ-генератора с выходной мощностью 1 ГВт
Линейный ускоритель «И-100» (Серпухов)
Мощный ВЧ-генератор с выходной мощностью 5 МВт
Макет генератора с выходной мощностью 1 ГВт

Автор: Сухарев В.Н.