Вехи второго рождения синхрофазотрона

Опубликовано в еженедельнике ОИЯИ "Дубна"  № 12-13 (2010)

Синхрофазотрон достойно завершил свой непростой многолетний путь. В нем нашли отражение наши надежды и наши достижения. Теперь это памятник и человеку, открывшему дорогу к космическим энергиям, и многим людям, отдавшим свои знания, силы и умение служению Науке.

Открытия в ядерной физике во многом сформировали образ второй половины ХХ века. Стремительное овладение огромной энергией, скрытой в атомном ядре, и ее широкое практическое использование стало высочайшим достижением современной цивилизации. Гигантские ускорители заряженных частиц, созданные для исследований микромира, воплотившие в себе новейшие достижения науки и техники, несомненно, будут для последующих поколений человечества символами ушедшей эпохи.

Одним из таких гигантских приборов был дубненский синхрофазотрон, почти полвека служивший инструментом постижения тайн материи. Спроектированный и построенный целиком в советских институтах и промышленности сразу же после тяжелейшей в истории Великой Отечественной войны, он всегда вызывал удивление и восхищение и был своего рода визитной карточкой СССР. Переданный в 1956 году советским правительством Объединенному институту ядерных исследований, он стал базовой установкой Лаборатории высоких энергий и с 1957 года - источником протонов, ускоренных до рекордной энергии 10 ГэВ.

В гостях в Лаборатории высоких энергий директор ФНАЛ (США) профессор Г.Вильсон (в центре). Сооружается большой экспериментальный зал для работы на выведенных из синхрофазотрона пучках.Слева А.М.Балдин, справа А.А.Кузнецов.

Между тем, чтобы удовлетворять запросы и ожидания физиков, требовалось увеличить энергию и интенсивность ускоряемых частиц, повысить эффективность использования дорогостоящих уникальных ускорителей. И такие возможности вскоре появились. Был найден новый способ магнитной фокусировки ускоряемых частиц, получившей название "жесткой". Это позволило резко уменьшить размеры апертуры магнитных элементов и, соответственно, их габариты. Создание инжекторов на большие энергии, реализация ступенчатого режима ускорения позволили многократно превзойти параметры ускорителей конца 50-х - начала 60-х годов. Исключительно важным стало оснащение ускорителей резонансным высокоэффективным способом вывода ускоренных частиц.

Порог по интенсивности 10¹² р/цикл был успешно преодолен в запущенных практически одновременно (1959-1960 гг.) протонных синхротронах на 26 ГэВ в ЦЕРН и на 30 ГэВ в Брукхейвенской национальной лаборатории и достигнуты интенсивности ускоренного пучка 5x10¹² р/цикл. Новые ускорители разместили в подземных тоннелях, что с запасом обеспечивало безопасную радиационную обстановку. В 1963 году завершена модернизация предшественника синхрофазотрона - американского бэватрона на энергию 6,2 ГэВ. Сооружение над ускорителем бетонного саркофага позволило при введении в строй нового инжектора довести интенсивность ускоренных протонов до 2x10¹² р/цикл. Интенсивность ускоренного пучка в синхрофазотроне в то время не превышала 4-5x10¹⁰ р/цикл. Сложилась неприятная ситуация: дубненский синхрофазотрон фактически утратил свое значение, требовались скорейшая его модернизация и главное - значительное увеличение интенсивности ускоренных протонов.

В 1966 году специалистами ЛВЭ были определены перспективы развития исследований, связанные с предполагаемой модернизацией синхрофазотрона. Проведенные расчеты показали возможность доведения интенсивности ускоренных в синхрофазотроне частиц до 10¹⁴ р/цикл при сооружении сильноточного инжектора на энергию 100-250 МэВ. При столь значительном увеличении интенсивности ускоренного пучка необходим не только высокоэффективный вывод - потребовалось также и сооружение глобальной бетонной защиты. Проектные соображения по ее сооружению были разработаны ГСПИ. Для реализации проекта надо было остановить на два года синхрофазотрон, построить измерительный павильон для каналов вторичных частиц, физических установок, помещения для обслуживающего персонала и др. Размеры павильона были определены в 130х60 м². Программу модернизации предполагалось осуществить до 1976 года.

Ученый совет ОИЯИ одобрил программу модернизации и наметил первоочередные этапы ее реализации на 1966-1970 годы: ввод в действие нового инжектора синхрофазотрона - линейного ускорителя протонов на 20 МэВ (ЛУ-20),что позволит довести интенсивность ускоренного пучка до 10¹² р/цикл; разработку методики высокоэффективного вывода пучка протонов.

Что касается дальнейших шагов по реализации одобренной программы, то до 1970 года предстояло подготовить физическое обоснование и проектные соображения с оценкой стоимости и сроков.

К сожалению, сложившаяся обстановка не благоприятствовала проведению намеченных работ. Руководство ГКАЭ в то время уделяло особое внимание строительству серпуховского синхротрона на 70 ГэВ. Что касается судьбы синхрофазотрона, то считалось, что он себя уже оправдал: открыта новая частица - антисигма минус-гиперон, а ЛВЭ может стать хорошим источником опытных кадров для будущего ускорителя и полигоном для наладки на дубненских пучках установок, создаваемых для экспериментов на серпуховском синхротроне. Намечавшееся ГКАЭ значительное сокращение персонала ЛВЭ и ЛЯП не было поддержано дирекцией ОИЯИ, а вот весьма важный для деятельности Института объем строительства жилья был уменьшен.

И.В.Чувило - второй директор ЛВЭ - наблюдает за работой одной из камер, разрабатываемых в ЛВЭ.

Анализируя сложившуюся обстановку, А.М.Балдин, пожалуй, первым осознал, что серпуховский ускоритель не может обеспечить потребности ЛВЭ в пучках частиц и основной базой исследований ОИЯИ по физике высоких энергий на ближайшие годы должен оставаться синхрофазотрон. В 1969 году был скорректирован план развития ускорительного комплекса ЛВЭ:

1. Увеличение интенсивности ускоренного пучка протонов до 2x10¹²р/цикл - новый инжектор ЛУ-20.
2. Создание систем медленного (500 мс) и быстрого (1 мс) вывода ускоренного пучка из синхрофазотрона с эффективностью не менее 90 процентов и отказ от использования внутренних мишеней.
3. Отказ от глобальной бетонной защиты и защита только локальных участков ускорителя.
4. Сооружение измерительного корпуса для проведения исследований на выведенном пучке с площадью 130х60 м² (будущий корпус 205).

В этом случае ЛВЭ могла бы сохранить и укрепить свою роль основного центра исследований по физике высоких энергий в странах-участницах ОИЯИ:

• экспериментаторам будут предоставлены пучки, обладающие конкурентоспособными параметрами;
• обеспечено создание крупных установок, позволяющих создавать уникальные условия эксперимента и одновременно проводить "исследования на расстоянии" (снабжение стран-участниц физической информацией, подлежащей дальнейшей обработке);
• основой научной политики в Серпухове должно быть естественное развитие экспериментов, ведущихся в Дубне.

Исключительно важным для лаборатории стало осуществление режима ускорения дейтронов до максимальной энергии на дубненском синхрофазотроне в августе 1970 года. Осуществить такой режим предложили Ю.Д.Безногих, Л.П.Зиновьев, Г.С.Казанский, А.И.Михайлов, В.И.Мороз, Н.И.Павлов. Получение релятивистских дейтронов открывало возможность исследований с квазимонохроматическими пучками нейтронов (для них не существовало значительных проблем с выводом из ускорителя), а также перспективы получения поляризованных дейтронов, которые, в отличие от протонов, не деполяризуются в процессе ускорения на синхрофазотроне).

Между тем, получение релятивистских дейтронов на синхрофазотроне в то время было довольно сложной задачей, и только благодаря большому опыту и высокой квалификации персонала с этой задачей удавалось успешно справляться. Чтобы режим ускорения стал "штатным", необходимо было планомерно "расшивать" узкие места на синхрофазотроне и строго по расписанию обеспечивать пучками физиков.

По мере детального теоретического изучения взаимодействия релятивистских ядер стало ясно, что уже при энергиях синхрофазотрона можно изучать кварковую структуру ядер. Так возникло новое научное направление - релятивистская ядерная физика, в становление которой основополагающий вклад внес академик А.М.Балдин.

Для развития новой физики на синхрофазотроне потребовались пучки разного сорта ядер в широком интервале энергий. В первую очередь нужен был источник высокозарядных ионов. И нам повезло: такой источник разрабатывался в ЛЯР. Принцип его работы был предложен Е.Д.Донцом и основывался на последовательной ионизации нейтрального газа хорошо сфокусированным электронным пучком. Академик Г.Н.Флеров оказал максимальное содействие в создании такого типа источника в ЛВЭ - знаменитого КРИОНа, а профессор Е.Д.Донец с сотрудниками успешно завершили его создание. Начиная с 1977 года, с помощью нового источника были ускорены ядра углерода, а затем и другие легкие ядра, включая серу. До окончания работы синхрофазотрона в 2002 году источник безаварийно эксплуатировался на ускорителе. Оснащение инжектора рекордными по своим характеристикам источниками ионов с тех пор стало одной из главных задач лаборатории.

В 1976 году на синхрофазотроне был успешно опробован источник многозарядных ионов на твердотельном лазере, разработанный в МИФИ профессором Ю.А.Быковским с сотрудниками. С его помощью были впервые получены ядра углерода с энергией 50 ГэВ. Развитие лазерных источников было продолжено В.А.Мончинским с сотрудниками. Созданный на основе CO₂ лазера источник стал на инжекторе "штатным". Он удачно дополнил КРИОН при получении высокозарядных ионов от лазерного излучения из кристаллов или твердотельных мишеней. Большими достоинствами этого источника оказались возможность быстрого (за минуты!) перехода от ускорения одного сорта ядер к другому и его устойчивая работа в течение многих лет.

Пучок поляризованных дейтронов был получен на синхрофазотроне в 1981 году с помощью источника "Полярис", разработанного блестящим криогенщиком Ю.К.Пилипенко. Максимальное и умелое использование криогенной техники в источнике обеспечило получение рекордных по энергии и поляризации векторно- и тензорно-поляризованных дейтронов.

Начинка линейного ускорителя - инжектора синхрофазотрона. Успешный пуск этого ускорителя, созданного собственными силами, во многом определил лицо ЛВЭ.

В 1974 году с запуском нового инжектора - линейного ускорителя протонов (ЛУ-20) было "расшито" очередное узкое место при ускорении дейтронов и легких ядер. Повышение энергии инжектируемых в синхрофазотрон дейтронов с 2,5 МэВ/А до 5 МэВ/А позволило перейти с двухэтапного на обычный режим ускорения и довести интенсивность дейтронов до 10¹² р/цикл. Максимальная интенсивность протонов составила 4x10¹² р/цикл. В создании ЛУ-20 участвовали отделы, обслуживающие ускоритель, ОП ОИЯИ, а также Ленинградский завод имени Коминтерна. Основная же нагрузка легла на сектор инжекции отдела синхрофазотрона - Ю.Д.Безногих, В.А.Попов, В.Л.Степанюк, А.И.Говоров и другие.

Группа антипротонного канала: профессор М.Высочанский (ЧССР), Пин Цун Цинь (КНР), С.В.Рихвицкий, И.Н.Семенюшкин, В.М.Вишнякова (СССР).

Исключительно важной частью модернизации синхрофазотрона были разработка и создание высокоэффективной системы вывода ускоренных частиц. В 1972 году был осуществлен медленный вывод пучка в сторону измерительного павильона и корпуса 205. Длительность вывода составила 500 мс, а эффективность - 96 процентов! Это крупнейшее достижение позволило использовать достигнутую интенсивность ускоренных частиц без создания дорогостоящей глобальной защиты синхрофазотрона - замечательный итог напряженной многолетней работы И.Б.Иссинского, А.А.Смирнова, Б.В.Василишина, Е.М.Кулаковой, С.А.Новикова, В.Г.Глущенко, Б.Д.Омельченко, А.И.Михайлова, А.П.Царенкова и других сотрудников.

В 1978 году в основном выполнена программа по созданию систем вывода. Введены в эксплуатацию два медленных и один быстрый (1мс - для облучения пузырьковых камер) - выводы. Медленный и быстрый вывод могли работать в одном цикле ускорения. Наконец, в 1979 году завершается строительство большого измерительного корпуса 205. Он был общелабораторной стройкой, где под руководством главного инженера Л.Г.Макарова трудились и наши производственные отделы, и ускорительщики, и физики. Корпус был оснащен всем необходимым для проведения исследований на крупных физических установках (элементами магнитной оптики с источниками электропитания, радиационной защитой, информацией о работе систем транспортировки пучков). И все это было смонтировано, налажено и введено в эксплуатацию, а потом постоянно совершенствовалось нашими отделами, секторами и группами. Ими руководили С.А.Аверичев, В.И.Волков, В.С.Григорашенко, В.П.Заболотин, А.Д.Кириллов, Б.К.Курятников, Б.Д.Омельченко, П.А.Рукояткин, Ю.И.Тятюшкин, М.Д.Шафранов. А осуществляли оперативное управление начальники смен синхрофазотрона С.В.Федуков, А С.Исаев, В.Н.Перфеев, Е.В.Руднев, Д.И.Шерстянов.

Многие годы обновленный ускорительный комплекс в ЛВЭ ОИЯИ был единственным в мире источником релятивистских ядер и рекордных по энергии векторно- и тензорно-поляризованных дейтронов. Для исследований по релятивистской ядерной физике и другим направлениям был доступен широкий набор пучков частиц, ядер и поляризованных дейтронов (20!). Было возможно проведение одновременно до пяти экспериментов, в том числе и в online-режиме. Ускорительный комплекс работал в среднем до 4000 часов в год строго по расписанию, отказы оборудования при этом не превышали 5.6 процентов.

Незабываемые имена, незабываемые вехи второго рождения ускорителя!

Игорь СЕМЕНЮШКИН, заместитель директора ЛВЭ ОИЯИ в 1962-1988 гг.