Создание и дальнейшее усовершенствование синхроциклотрона на энергию 1 ГэВ ПИЯФ РАН

Введение. История вопроса.
В середине 50-х годов было принято правительственное решение о создании на базе Ленинградского Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе АН СССР (ФТИ) Филиала института, в который предполагалось перевести из ФТИ все исследования в области физики ядра и элементарных частиц. Местом создания 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 прогонов 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 РАН (11ИЯФ РАН).
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 будут проводизъея 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 исследованиях 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 эмиттансом и хорошими временными характеристиками. Кроме внешних протонных пучков необходимо было создать интенсивные пучки частиц второго поколения: лиц-мезонов и нейтронов. Экспериментальный комплекс ускорителя должен был быть оснащен удобными экспериментальными залами и надежной радиационной защитой.
В разработке, сооружении и вводе в эксплуатацию синхроциклотрона ведущая роль принадлежала Филиалу ФТИ и Научно-исследовательскому институту электрофизической аппаратуры и м. Д. В. Ефремова (НИИЭФА). Конструкция и компоновка основных узлов синхроциклотрона по техническому заданию Филиала ФТИ были разработаны в НИИЭФА при участии сотрудников Филиала ФТИ. Здесь были разработаны конструкция электромагнита и ускорительной камеры, выбрана схема и разработана конструкция ряда узлов высокочастотной системы, а также разработан ряд вспомогательных систем: вакуумная система, система электропитания и водоохлаждения узлов ускорителя, электромагниты и линзы для создания трактов пучков. Формирование магнитного поля ускорителя, разработка ряда узлов высокочастотной системы, создание системы вывода пучка из ускорительной камеры, системы временной растяжки пучка, системы электростатической фокусировки в центральной области ускорителя, а также создание экспериментального комплекса синхроциклотрона и системы разводки и транспортировки пучков было осуществлено Филиалом ФТИ. Наладка и ввод синхроциклотрона в эксплуатацию в 1970 году были произведено Филиалом ФТИ при участии сотрудников НИИЭФА. Дальнейшее усовершенствование ускорителя после его ввода в эксплуатацию осуществлялось силами Филиала ФТИ, преобразованного в 1971 году в ГІИЯФ им. Б.П.Константинова РАН.
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 «Главспецстроя», 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 сложных научно-технических проблем, сложность которых была обусловлена в первую очередь высокой проектной энергией ускоряемых протонов I 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,
• формирование с точностью на уровне 10"4 в зазоре электромагнита заданного распределения азимутально-симметричного магнитного поля,
• создание высокочастотной резонансной системы синхроциклотрона с рекордным перекрытием по частоте ускоряющего напряжения, равным 2,3,
• создание высокоэффективной системы вывода пучка из ускорительной камеры;
• создание высокоэффективной системы временной растяжки пучка,
• создание импульсного дефлектора для однооборотного сброса пучка на внутреннюю нейтронообразующую мишень,
• создание электростатической фокусирующей системы для центральной области ускорителя, где действуют силы пространственного заряда, ограничивающие интенсивность ускоряемого пучка,
• создание системы формирования и транспортировки пучков протонов и пучков вторичных частиц: нейтронов или р-мезонов,
• разработка и создание экспериментального комплекса синхроциклотрона для проведения на пучках ускорителя научных и прикладных работ.
Решение этих проблем потребовало поиск 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 устойчивою 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 шимм) 0,5 м, индукция магнитного поля в центре 1,9 Тл, внешние 1абариты магнита 16,5x7,8x10 м3, вес магнитопровода 7800 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. Жесткие ограничения на амплитуды бетатронных колебаний привели к жестким допускам на гармоники азимутальных неоднородностей вертикальной составляющей магнитного поля (первая гармоника меньше 10 4) и жестким допускам на отклонения медианной поверхности поля от средней геометрической плоскости зазора
(меньше ±0,5 см). Это в свою очередь 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. Для возможности осуществления в дальнейшем ускорения поляризованных протонов при формировании магнитного поля были учтены требования к параметрам поля, которые обеспечивают достаточно малую деполяризацию при ускорении поляризованного пучка. Эти работы подробно описаны в главе 2 диссертации.
Наиболее серьёзная проблема заключалась в создании высокочастотной системы синхроциклотрона с перекрытием по частоте, равным 2,3, что явилось следствием высокой для этого типа ускорителей конечной энергии ускоряемых протонов. Такое перекрытие по частоте ускоряющего напряжения на момент создания синхроциклотрона на энергию 1 ГэВ среди действующих синхроциклотронов не было достигнуто нигде, 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 высокочастотной системы была разработана в НИИЭФА. Она включала в себя полуволновую резонансную систему синхроциклотрона, состоящую из дуанта и подсоединенного непосредственно к хвостовой части дуанта вращающегося вариатора частоты. Рекордное перекрытие по частоте ускоряющего напряжения, равное 2,3, при сравнительно небольших перенапряжениях в районе вариатора было достигнуто за счет соответствующего выбора формы дуанта и способа подключения состоящего из двух секций вариатора частоты к дуанту. Для увеличения перекрытия по емкости в схеме вариатора частоты использовались дополнительные статорные пакеты, подключенные к дуанту через дополнительные индуктивности. Большая сложность высокочастотной системы и невозможность в связи с этим определения всех необходимых параметров системы расчетным путем потребовали проведение работ по доводке системы до проектных параметров на соответствующих макетах. С целью ускорения и удешевления работ доводка изготовленной на заводе ЛЭЗ «Электросила» высокочастотной системы до проектных параметров была осуществлена на реальной системе на месте монтажа в г. Гатчина. Работы были проведены в 1967-1970 годах совместно сотрудниками Филиала ФТИ и НИИЭФА. В ходе этой работы 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 вариатора частоты. С целью обеспечения устойчивого возбуждения высокочастотной системы во всем рабочем диапазоне частот и подавления поперечных мод колебаний дуанта была разработана статическая двухфидерная система связи лампового блока генератора с резонансной системой. Была разработана система оптимизации амплитудной программы синхроциклотрона. По материалам этих разработок оформлено два авторских свидетельства.
Подробное изложение вопросов, касающихся создания высокочастотной системы синхроциклотрона ПИЯФ, представлено в главе 3.
Не менее сложные проблемы были решены при создании вакуумной ускорительной камеры с объемом около 35 м5 и рабочим вакуумом 210'6 мм Нд (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 четырьмя высоковакуумными паромас-лянными насосами: два насоса типа ВА-40 и четыре насоса типа ВА-8-4. Общая скорость откачки составляет 36000 л/сек. Форвакуумная откачка обеспечивается семью насосами типа ВН-7 Г. Для уменьшения времени откачки до рабочего вакуума при включении ускорителя в дальнейшем были установлены дополнительно насосы типа ВН-6. Для охлаждения ловушек высоковакуумных агрегатов используются холодильные установки с жидким фреоном. В качестве Ионного источника первоначально пред-пола!-алось использовать открытый дуговой источник с горячим катодом. В дальнейшем этот источник был заменен более удобным в эксплуатации разработанным в ЛЯП ОИЯИ источником с холодным катодом с разрядом типа Пенинга.
Сложной 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 регенеративной 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 бстатронных колебаний. На основе этого анализа для синхроциклотрона на 1 ГэВ была разработана и осуществлена широкоапертурная регенеративная система вывода с
пассивным магнитным каналом, 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 магнитного канала на движение протонов внутри ускорительной камеры, магнитный канал системы вывода со стороны рабочего объема камеры был тщательно заэкранирован с помощью магнитных экранов. В результате после запуска ускорителя на разработанной в институте системе вывода была получена рекордная для того времени эффективность вывода, составляющая 30%. Вопросы вывода пучка из ускорительной камеры изложены в главе 4.
Осуществление высокого коэффициента вывода пучка из ускорительной камеры коренным образом изменило концепцию создания на синхроциклотроне Филиала ФТИ пучков я и ц-мезонов. В связи с этим мы смогли отказаться от мезонных мишеней, установленных внутри ускорительной камеры, и полностью перейти без потери интенсивности на более эффективные внешние мезонообразующие мишени.
По завершению комплекса работ по наладке узлов ускорителя в 1970 году был осуществлен ввод синхроциклотрона в эксплуатацию и, начиная с этого времени, ускоритель начал выдавать ежегодно на физический эксперимент от 4000 до 6000 часов машинного времени [1], [2], [3]. 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.
После пуска синхроциклотрона параллельно с интенсивной работой ускорителя на физический эксперимент на нем начала проводиться 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 1972 году была введена в эксплуатацию разработанная в ПИЯФ система временной растяжки пучка с использованием СИ-.электрода, которая позволила увеличить макроскопический коэффициент временного заполнения пучка с 1,4% до 50%. В качестве резонансной системы СИ-элсктрода была использована 3/4-волновая резонансная система с ферритовым вариатором частоты. В отличие от аналогичных систем временной растяжки пучка, используемых на других ускорителях, на синхроциклотроне ПИЯФ была введена система синхронизации ускоряющего напряжения на СИ-элсктроде по частоте и фазе с ускоряющим напряжением на основном дуанте. Это по-
зволило обеспечить практически 100 процентный переход частиц из режима ускорения основным дуантом в режим ускорения с помощью СИ-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 СИ-электрод, у которою за счет устранения задней боковой стенки 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 нсек. Впоследствии на основе этого пучка в ПИЯФ был создан нейтронный спектрометр по времени пролета ГНЕЙС с базой 40 м.
В 1974 году на синхроциклотроне был установлен разработанный и изготовленный в ПИЯФ модернизированный вариант вариатора частоты. Установка нового вариатора позволила несколько повысить амплитуду ускоряющего напряжения и оптимизировать частотную программу ускорителя, что дало увеличение интенсивности внутреннего пучка до 0.7 мкА (выведенный пучок до 1.2 1012 част./сек). При этом была значительно повышена надежность работы ускорителя и сокращено время, необходимое для проведения ревизии высокочастотной системы. После установки нового вариатора время работы ускорителя на физический эксперимент было доведено до уровня 6000 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 1977 году 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, оснащенного эффективной радиационной защитой, который включает в себя систему трактов пучков и ряд экспериментальных установок общего поль-
зования. В течение 1974-1980 годов на синхроциклотроне ПИЯФ были созданы [4]:
• три 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,
• два тракта для формированию к-мезонных пучков высоких и низких энергий,
• комбинированный я-р-мезонный канал на внешней мишени,
• факт поляризованных протонов и высокоэнергетический нейтронный тракт.
• медицинский комплекс протонной терапии,
• нейтронный спектрометр по времени пролета ГНЕЙС,
• комплекс ИРИС для систематических исследований ядер, далеких от полосы р-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 и в частности аденом гипофиза и артериовеноз-ных аневризм. В отличие от других отечественных и зарубежных центров протонной терапии, где для целей протонной лучевой терапии применяются протоны с энергией 70 - 200 МэВ, а для формирования глубинных дозных полей используется эффект увеличения ионизационных потерь протона в конце пробега (пик Брэгга), на синхроциклотроне ПИЯФ используются разработанная совместно с ЦНИРРИ методика облучения («Гатчинский метод») протонами с энергией 1000 МэВ напролет в сочетании с подвижной техникой облучения. Основное преимущество метода состоит в возможности формирования дозных полей малого объема с очень высоким краевым градиентом, что позволяет концентрировать поглощенную энергию облучения в очаге поражения при минимальных радиационных нагрузках на окружающие ткани. По состоянию на 1 января 2004 года курс облучения на синхроциклотроне ПИЯФ прошли более 1200 больных. Из всех больных, прошедших курс протонной терапии, 80% случаев составили больные микроаденомами гипофиза (АГ) и артериовенозными мальформациями головного мозга (АВМ). Клиническая ремиссия зафиксирована в 85% случаев. Отметим, что лечение заболеваний, требующих эктомии малых участков головного мозга размерами в несколько мм3, возможно только по «гатчинской» методике на синхроциклотроне
ПИЯФ.
Для реализации возможности дальнейшего развития протонной терапии на синхроциклотроне в Гатчине в 1987 году был разработан второй специализированный медицинский протонный тракт ускорителя, который обеспечивает вывод протонного пучка из ускорительной камеры параллельно с выводом основного пучка для физических и прикладных исследований. На основе этого тракта был разработан проект нового здания для протонной терапии с двухкабинным залом облучения, сооружение которого позволило бы в 10 раз увеличить пропускную способность медицинского центра в Гатчине и обеспечить потребности в протонной терапии всего Северо-запада РФ. Однако осуществить этот проект из-за отсутствия финансирования, к сожалению, до сих пор не удалось. С целью дальнейшего развития медицинского протонного комплекса в институте начато сооружение изохронного циклотрона отрицательных ионов водорода на энергию 80 Мэв, на котором планируется в будущем осуществить лечение поверхностных форм рака, а также рака глаза.
В 1975 году на базе синхроциклотрона ПИЯФ был создан нейтронный спектрометр по времени пролета ГНЕЙС с пролетной базой 40 м, предназначенный для исследования взаимодействия нейтронов с атомными ядрами в диапазоне энергий от 10'2 эВ до сотни МэВ. По принятому для характеристики нейтронных источников и врсмяпро-летных спектромеїров на их базе коэффициенту качества спектрометр ГНЕЙС является одной из лучших установок этого типа в нашей стране и за рубежом.
В 1980 году был введен в эксплуатацию ц-мезонный канал синхроциклотрона. Высокий коэффициент вывода протонного пучка из ускорительной камеры сделал возможным создать ц-мезонный канал на внешней мезонообразующей мишени, что в свою очередь обеспечило возможность получение интенсивных пучков положительных л и ц-мезонов малой энергии. Канал обеспечивает пучки сепарированных ц - мезонов обоих знаков в диапазоне импульсов 29-150 МэВ/с с интенсивностью на уровне 104-105 част./ см2сек.С вводом в действие ц-мезонного канала на синхроциклотроне ПИЯФ начались исследования явления ц-катализа реакций термоядерного синтеза и исследования в области физики твердого тела с помощью метода вращения спина р-мезона (рБК-метод).
Как одно из ответвлений ц-мезонного канала был создан я-мезонный канал низких энергий, на котором были сформированы пучки я-мезоннов низкой энергии и пучки гак называемых поверхностных рч-мезонов, образованных в результате распада л*-мезонов, остановившихся в мезонообразующей мишени. Исследование свойств по-
верх постных -мезонов послужило началом целой серии физических экспериментов по точному измерению времени жизни я‘ и К+-мезонов. Для расчета и оптимизации пучков частиц второго и третьего поколения в институте были разработаны основанные на методе Монте-Карло ЭВМ-программы МЕЗОН и ОПТИМУМ.
В 1975 году на синхроциклотроне была создан исследовательский комплекс ИРИС, предназначенный для систематического исследования короткоживущих нейтронодефицитных ядер, далеких от полосы р-стабильности. Комплекс включает в себя экспериментальный зал с мишенной комнатой и лабораторный корпус. В экспериментальном зале ИРИС установлен разработанный в институте магнитный масс-сспаратор, работающий в линию с протонным пучком ускорителя. Протонный пучок подается в мишенную комнату по протонному тракту, который имеет длину 60 метров 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 комплекса 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 испытания материалов и изделий, обеспечивающий облучение изделий размером от 1 до 25 см при неоднородности дозовых полей в пределах < 5 % и примеси нейтронов < 1 %.
На пучках синхроциклотрона проводится широкая программа научных и прикладных исследований по планам Российской Академии наук. При проведении экспериментальной программы на синхроциклотроне коллектив ученых ПИЯФ сотрудничает с большинством научных центров данного профиля, как в России, так и за рубежом.
К научным организациям России, с которыми в использованиии синхроциклотрона взаимодействует наш институт, являются: РНЦ Курчатовский институт, РИАН им
В.Г.Хлопина, ОИЯИ, ИТЭФ, ВНИИЭФ (Саров) МФТИ, ЦНИРРИ М3 РФ, ГНЦ ФЭИ, ЦНИИ “Электронстандарт”, НПО “Специализированные электронные системы” (Москва), НИИ Приборов (г. Лыткарино), МИСИС, Стерлитамакский филиал Академии Наук Республики Башкортостан (СФАНБ) и другие.
К зарубежным научным центрам, с которыми мы струдничаем, относятся: Кали-
12
форнийский Университет (США), Абилинский университет (США); Институт физики излучений ядерной физики Бонского Университета (Германия); Брукхейвснская На-* циональная Лаборатория (США); Институт Пауля Шерера PSI (Швейцария), КФК
(Юлих, Германия); GSI (Дармштадт, Германия); ISOLDE (CERN, Швейцария); Резер-фордовская Лаборатория (Англия); Аргонская Национальная Лаборатория (США); GANIL (Каен, Франция); Центр ядерных данных NDC/JAERI (Токаймуре, Япония); Исследовательский центр ядерной физики (Осака, Япония); Лундский Университет (Швеция); ONERA (Тулуза, Франция); Университет Ювяскюля (Финляндия); SATURN (Сакле, Франция); FNAL (США) и другие.
В настоящее время синхроциклотрон ПИЯФ на энергию протонов 1 ГэВ остается одним из активно действующих протонных ускорителей средних энергий в России и успешно эксплуатируется, обеспечивая выполнение плана научно-исследовательских и .ц прикладных работ института. В 1996 году синхроциклотрон ПИЯФ решением Мин-
ПромНауки РФ получил статус уникальной установки Российской Федерации национальной значимости.
*
13
Глава 1. Постановка задачи
В период разработки проекта и сооружения синхроциклотрона ФТИ ситуация с протонными ускорителями средних (промежуточных) энергий складывалась следующим образом. С одной стороны, в различных лабораториях мира в это время уже действовало более десятка синхроциклотронов. К наиболее крупным из них относились
• один из первых синхроциклотронов-184 дюймовый синхроциклотрон Калифорнийского университета США на энергию протонов 740 МэВ1,
• синхроциклотрон ЛЯП ОИЯИ в г. Дубна на энергию 680 МэВ2,
• синхроциклотрон ЦЕРН, Женева Швейцария, на энергию 600 МэВ3 и
• аналогичный ускорителю ЦЕРН синхроциклотрон БІ^ЕЬ, Ньюпорт, США, на энергию 600 МэВ4.
В 1975 году был запушен еще один крупный синхроциклотрон на энергию 570 МэВ лаборатории НЕВИС, США5
Основные параметры крупных синхроциклотронов до реконструкции
Таблица 1.1
♦
Место установки Энер- гия (МэВ) Диаметр полюса (м) Интенсивность пучка внутри камеры (мкА) Интенсивность выведенного пучка (част/сек) Г од пуска
ЛЯП ОИЯИ, Дубна, Россия 680 6 2,3 4-10м 1956
CERN, Швейцария 600 5 1,3 5,7 -10П 1957
LBI, Калифорния, США 740 4,7 0,8 6-10и 1946
SREL, Ньюпорт, Верд-жиния, США 600 5 2,5 6-Ю1' 1965
Основным недостатком этих ускорителей была относительно малая интенсив-
' Brobeck W.M. Lawrence Е.О. ei al, Phys. Rev. 71. № 7, p. 449. 1947
1 Ефремов Д.В., Мещеряков М.Г..Джелепов В.П.и др., АЭ, № 4, стр.5, 1956 г.
J W. Centner et al. Philips Technical Review, v. 22, p. 141, 1961.
*Cyclotrons-1978, 8 International Conference on Cyclotrons and Thcir Applications, FM-11.Indiana.USA, 1978
5 Cyclotrons-1978, 8 International Conference on Cyclotrons and Thcir Applications, FM-9,Indiana,USA, 1978
ность ускоряемого пучка, составляющая величину порядка 1 мкА, что было связано в первую очередь с малой амплитудой ускоряющего напряжения и недостаточной вертикальной фокусировкой ускоряемых частиц в центральной области ускорителя, где действуют ограничивающие интенсивность 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 ОИЯИ 6и в ЦЕРН 7 начали разрабатываться проекты реконструкции работающих там синхроциклотронов, направленные на увеличение амплитуды ускоряющего напряжения за счет коренной перестройки высокочастотных систем, улучшения вертикальной фокусировки в центральной области ускорителя и повышение эффективности вывода пучка из ускорительной камеры. С другой стороны в это 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 МэВ8 и в Ванкувере, Канада, на энергию 520 МэВ9. В Лос-Аламосе, США, началась разработка мезонной фабрики на основе линейного протонного ускорителя на энергию 800 МэВ10. Аналогичный проект на энергию протонов 600 МэВ стал разрабатываться в ИЯИ РАН в городе Троицке под Москвой".
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 направлениям обеспечить его конкурентоспособность среди реконструируемых синхроциклотронов и вновь сооружаемых мезонных фабрик. В таблицах 1.2 и соответственно 1.3 представлены параметры крупных синхроциклотронов и мезонных фабрик.
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
6А.А.Глазов и др., АЭ, том 27, сзр.Циюиь 1969).
I Proposal for the ivprovement of the 600 MeV Syncro-Cyclotron, MSC Internal report 67-5, 1967.
8 H.A.Willax, Proc. of the Intern. Cyclotron Conf., CERN, 1963, CERN 63-19, p.386.
4 R.P.Haddock et al. Труды Международной конференции по ускорителям высокой энергии, Дубна 1963, стр.568, М., 1964
10 E.A.Knapp et al., Proc.of 1966 Linear Acc. Conf., Los Alamos (LA-3609), p.83 (1966).
II Б.П.Мурин, Труды 111 Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, М. 1973, том 1,стр. 234-248.
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 Филиала в г.Гатчина.
Крупные синхроциклотроны после реконструкции
Таблица 1.2
Место установки Энергия (МэВ) Диаметр полюса (м) Интенсивность внутри камеры (мкА) Интенсивность выведенного пучка (част/сек) Год пуска после реконструкции
ЛЯП ОИЯИ, Дубна, Россия 660 6 6,4 2-Ю13 1984
CERN, Швейцария 600 5 1,3 5,7-1011 1975
Мезонные фабрики
Таблица 1.3
Место установки Энергия (МэВ) Тип ускорителя Интенсивность (мкА) Год пуска
PSI, Вилли-ген Швейцария 590 Изохронный циклотрон 1000 1974
TRIUMF, Ванкувер, Канада 520 Изохронный циклотрон Н - ионов 400 1974
LAMPF, Лос- Аламос, США 800 Линейный ускоритель 1000 1972
ИЛИ, Троицк, Россия 600 Линейный ускоритель 500 ?
Направления использования синхроциклотрона на энергию протонов 1 ГэВ можно было подразделить на следующие категории
• исследования в области ядерной физики,
• исследования в области физики элементарных частиц,
• исследования в области физики твердого тела с использованием ядерно-физических методов,
• исследования явления мю-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.
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, тем не менее, за счет более высокой энергии ускоряемых протонов, при наличии хорошей моноэнергетичности и специфичной временной структуре 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 I ГэВ даже при не очень высокой интенсивности пучка является оптимальной для исследования структуры ядер и распределений ядерной материи методом упругого и квазиупругого рассеяния. Эта область энергий является идеальной при использовании для описания многократного рассеяния теории Глаубера-Ситенко12, 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.
Определенные перспективы синхроциклотрон на энергию протонов 1 ГэВ может иметь, в частности, для получения и исследования короткоживущих нейтронодефицитных ядер, удаленных от полосы р-стабильности, которые в силу их малых периодов полураспада и небольших сечений образования не могли быть исследованы существовавшими к тому времени 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 двухпротон-
12 СЛ.Бслостоцкий, Г.Д.Алхазо», Г.М.Амальский, А.А.Воробьев. Ю.В.Доценко, Письма в ЖЭТФ, 1973, т.17, стр. 101«102
ной радиоактивности, испускания запаздывающих протонов, запаздывающего деления и других экзотических видов распада, которые энергетически невозможны для нуклидов вблизи дорожки ß-стабильности13.
В области физики элементарных частиц синхроциклотрон на энергию протонов 1 ГэВ может эффективно использоваться для исследования протон-протонного и пион-протонного взаимодействия14. При этом исследования пион-протонного взаимодействия могут быть проведены в области энергий л-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 в области энергий, где такие данные практически отсутствуют. Эта данные послужат основой для проведения соответствующего фазового анализа пион-нуклонного рассеяния и позволят уточнить фундаментальные константы, связанные с nN-резонансами. Для реализации этой возможности необходимо создать на базе синхроциклотрона л-мезонный канал высокой энергии, формирующий пучок л-мезонов, вылетающих из мезонообразующей мишени под нулевым углом. Большой интерес представляют также исследования К*-мезонов15 и грмезонов16, образуемых 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 низкой энергии, необходимых для измерения сечений взаимодействия нейтронов с ядрами с помощью нейтронной времяпролстноЙ 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 1000 МэВ.
Пучки р'-мезонов низкой энергии необходимы, например, для исследования явления ddp, pdp и dtp-катализа реакций термоядерного синтеза в различных смесях изотопов водорода, а также процессов мюонного захвата. Пучки р*-мезонов необходимы для исследований магнитных фазовых переходов в магнетиках и сверхпроводниках с
,J E.Y.Berlovich. ЕЛ.Ignatenko, Yu.N.Novikov, Ргос. EMfS-8 Comf., Sweden. 1973, р.349/
14 В.А.Гордеев, Л.Б.Гриднсв, В.П.Коптев, С.П.Круглов, Л.А.Кузьмин, И.В.Лопатин, ГГТЭ, 1076, Вып.2, стр.25.
15 В.П.Коптев и др.. ЖЭТФ, 1988 г.,том 94, стр.1.
16I V.Lopatin at al. Ргос. Int. Conf. on Phydics with GcV-particIc Bcems, 22-25 August 1994, Julich, Germany, World Scientific, p. 120
использованием рБЯ-метода. Для формирования пучков р-мезонов, образующихся при распаде я-мезонов налету, необходимо создание специализированного р-мезонного канала.
Медицинское использование протонного пучка синхроциклотрона могло быть осуществлено в двух направлениях:
• протонно-лучевая терапия,
• разработка методов получения радиофармацевтических препаратов, меченных радиоактивными ядрами для целей диагностики различных заболеваний.
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 сооружения синхроциклотрона и его дальнейшего усовершенствования были сформулированы нами следующим образом:
• достаточно высокая интенсивность ускоряемого протонного пучка, которая должна быть, которая должна быть на уровне не менее нескольких микроампер;
• высокоэффективная система вывода протонного пучка из ускорительной камеры с эффективностью вывода не менее 30%;
• малый эмиттанс и малый энергетический разброс протонов в выведенном пучке;
• наличие системы временной растяжки как внутреннего, так и внешнего протонного пучка с коэффициентом временного заполнения пучка не менее 50 %;
• наличие системы однооборотного сброса протонного пучка на внутреннюю мишень для получения импульсного пучка испарительных нейтронов, необходимого для создания на его базе нейтронного спектрометра но времени пролета,
• наличие комплекса стационарных трактов протонных пучков разного назначения и пучков вторичных частиц: нейтронов ипиц - 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 для проведения научных и прикладных исследований на пучках синхроциклотрона,
• выведенный из ускорительной камеры протонный пучок полной интенсивности для исследования структуры атомных ядер и прикладных исследований,
• наличие эффективной радиационной защиты и малый радиационный фон в экспериментальном зале в месте установки аппаратуры для физических исследований;
• медицинский протонный комплекс для целей протонной терапии,
• лабораторию для исследования «в линию» с протонным пучком короткоживу-щих изотопов, удаленных от полосы р-стабильности,
• нейтронный спектрометр по времени пролета.
Дальнейшая многолетняя эксплуатация синхроциклотрона ФТИ (ПИЯФ) подтвердила правильность сформулированных выше исходных требований к ускорителю и связанному с ним экспериментальному комплексу17. Реализация этих требований обеспечила широкое и эффективное использование синхроциклотрона на энергию протонов 1 ГэВ ПИЯФ в научных и прикладных исследованиях, проводимых институтом в области физики ядра и элементарных частиц, в физике твердого тела, медицины и других направлениях.
Решение научных и научно-технических проблем, связанных с практической реализацией сформулированных выше исходных требований к синхроциклотрону ПИЯФ, и составляет содержание настоящей диссертации.
17 Сборник ПИЯФ XXV Основные направления научной деятельности Отделения Физики Высоких Энергий ПИЯФ РАН. Гатчина, 1996 год
20
Глава 2. Формирование магнитного поля синхроциклотрона
2.1. Введение
Одной из наиболее важных научно-технических проблем, которые нужно было решить при сооружении синхроциклотрона на энергию 1 ГэВ, было создание электромагнита с заданным распределением магнитного поля, обеспечивающего ускорение протонов до энергии 1 ГэВ с возможно большей интенсивностью и малым эмиттансом пучка. От выбора параметров распределения магнитного поля и точности, с которой эти параметры реализуются, зависят такие важные характеристики ускорителя как интенсивность ускоряемого пучка, его эмиттанс и монохроматичность, эффективность инжекции и вывода пучка, свойства вторичных пучков. Параметрами магнитного поля в значительной степени определяются и параметры других систем синхроциклотрона, в частности, параметры его высокочастотной системы, системы временной растяжки пучка, системы вывода пучка из ускорительной камеры и ряда других систем. К моменту начала работ по формированию магнитного поля синхроциклотрона ПИЯФ уже был накоплен большой опыт по измерению и шиммированию магнитных полей циклотронов и синхроциклотронов с аксиально-симметричным магнитным полем1819,20,21.
Таблица 2.1
Электромагниты крупных синхроциклотронов
Ускоритель Диаметр полюса (м) За- зор (м) Поле в центре (Тл) Конеч- ный радиус (м) Поле на конечном радиусе _ (Тл) _ Мощ- ность пита- ния (МВт) Вес магнита (т)
Калифорнийский университет 4,8 0,35 2,34 2,08 2,227 2,5 4000
ЛЯП ОИЯИ до реконструкции 6,0 0,6 1,73 2,77 1,59 1,0 7000
ЦЕРН до реконструкции 5,0 0,45 1,94 2,26 1,81 0,8 2500
♦
Стали появляться работы по формированию магнитных полей изохронных циклотронов с азимутальной вариацией магнитного поля22,23 В таблице 2.1 представлены данные об электромагнитах крупных синхроциклотронов, имеющих параметры, близкие к параметрам электромагнита синхроциклотрона ПИЯФ.
Электромагнит синхроциклотрона ПИЯФ под названием электромагнит Е-9, был разработан в НИИЭФА 24'25 и изготовлен на заводе ЛЭЗ ЛЭО «Электросила». Основные параметры электромагнита представлены в таблице 2.2. Магнитопровод электромагнита Ш-образной конструкции, включающий в себя верхнюю и нижнюю балки и боковые стойки, изготовлен из конструкционной стали БСтЗ и набран из листов толщиной 30 мм. Листы собраны в пакеты с помощью электрозаклепок. Вес каждого пакета не превышает 100 т. Сердечник электромагнита собран из дисков толщиной 300 мм и диаметром 7 м. Каждый диск по условиям транспортировки разделен на два полудиска. Верхний и нижний полюсные наконечники набраны из 2-х дисков (четырех полудис-ков) толщиной 300 мм и диаметром 6,85 м, между которыми имеется шиммировочиый зазор 30 мм. Зазор между полюсами 500 мм. Диски полюсных наконечников, обращенные к камере, являются одновременно крышками вакуумной камеры.
Основные параметры электромагнита Е-9
Таблица 2.2
Диаметр полюса магнита 6,85 м
Зазор между полюсами (без шимм) 0,5 м
Индукция магнитного поля в центре зазора 1,9 Тл
Число витков основной обмотки 264 (22x12)
Номинальный ток питания основной обмотки 4600 А
Напряжение питания 200 В
Число витков дополнительной обмотки 48 (2x24)
Ток дополнительной обмотки 600 А
Вес магнитопровода 7800 т
Вес основной обмотки (А1) 120т
” Данилов В.И.,Заплатнн Н.Л., Рыбалко B.C., Саркисян Л.Л., Формирование аксиально-симметричных магнитных полей при помощи кольцевых uiHMM, Ускорители, М.,Атомиэлат, 1960 г. стр.73-89
19 Muller W., WolfT W., (CERN, Apr. 23-26 ,1963), Geneva. 1963, p.398-404.
20 Hedin В., Препринт CERN 55-3, Geneva, 1955.
21 Blcwctt M.H., IEEE Trans. Nucl. Sci. 1965, NS-12. 3, 317-326.
22 Василевская Д.П. и др., АЭ, 1960, т.8, №3,201-208.
2' А.В.Степанов, Автореф. дисс., Дубна, 1966, 14 стр.. Библ.: 10 назв.
24 Б.Е.Грицков и др., Труды VII Международной конференции по ускорителям частиц высокой энергии, Ереван, т. 1, стр. 356, 1970 г.
25 Б.Е.Грицков и др., ЖТФ, т.41,№ 9, стр. 1776, 1971 г.