Физика

Миссия протонного ускорителя

В городе Протвино, расположенном в 120 км к югу от столицы на стыке Московской, Калужской и Тульской областей, работает крупнейший в России ускоритель протонов У-70. Введенный в эксплуатацию 14 октября 1967 г., он и сегодня служит базой для экспериментов по физике элементарных частиц, решения прикладных задач в интересах высокотехнологичных отраслей отечественной науки и техники.

Путь в микромир

Ускоритель предназначен для изучения фундаментальных свойств материи. Объекты таких исследований находятся в мелкомасштабной части быстросжимающейся пространственной шкалы "молекула - атом - атомное ядро - нуклоны (протоны и нейтроны) - элементарные частицы", где характерные размеры сокращаются в 101 раз и достигают 10" м. Простейшее представление об этой установке дает устройство электронно-лучевой трубки телевизора - кинескопа. Один из его элементов - катод, разогреваемый нитью накала, служит источником электронов. Проникая через узкое отверстие в ускоряющее электрическое поле, они приобретают под влиянием разности потенциалов между электродами дополнительную энергию, измеряемую в электронвольтах (эВ). В кинескопе оно создается статическим напряжением -20 кВ. Чтобы "зажечь" экран, покрытый люминофором - веществом, светящимся при попадании на него пучка электронов, достаточно энергии в 20 кэВ. Образно говоря, электронно-лучевая трубка и есть простейший линейный ускоритель, разгоняющий электроны до определенной кинетической энергии.

Как оказалось, ускоренные пучки хорошо подходят для "прощупывания" микрообъектов, изучения их ассортимента и свойств. Но для этого нужна энергия в десятки, сотни и даже тысячи ГэВ. Первыми источниками излучений достаточно высокой энергии служили

missiya-protonnogo-uskoritelya
Схема ускорителей заряженных частиц, входящих в состав У-70.

природные радиоактивные вещества. Но они во многом ограничивали исследователей. В 1930-х годах ученые начали работать над созданием установок, которые могли бы давать более энергичные и управляемые пучки. Специалистам хорошо известна так называемая "диаграмма Ливингстона"*. Она показывает: с 1930-х годов мощность таких машин увеличивалась более чем в 30 раз каждые 10 лет. Сегодня на них можно получать пучки заряженных частиц с энергиями в диапазоне от тысяч до нескольких триллионов электрон вольт.

Нетрудно понять: чем больше энергия, которую мы хотим сообщить частицам, тем длиннее должен быть линейный ускоритель - десятки, а то и сотни метров. Но это не всегда возможно на практике. Поэтому их удобнее "сворачивать" в кольцо, заставляя частицы многократно проходить участки, где действует ускоряющее электрическое поле. Для удержания пучков на орбите используют сильные поворотные и фокусирующие магниты, обеспечивающие исключительно высокую точность полей и их стабильность во времени.

Именно размер и стоимость магнитной структуры ускорителя часто ограничивают предельно достижимую энергию.

Что происходит далее? Сформированный машиной сгусток частиц (обычно электронов или более тяжелых протонов) направляют на специально подобранную, исходя из задач эксперимента, мишень, при соударении с которой рождаются вторичные частицы. С помощью детекторов их регистрируют, определяют массу, электрический заряд, скорость и другие характеристики. Затем путем сложной математической обработки информации на ЭВМ делают выводы о свойствах субъядерных частиц и их взаимодействиях. Здесь ученые и добывают новые знания - самый ценный продукт их деятельности.

Вместо неподвижной мишени можно использовать и встречный пучок частиц. Машины, построенные на этих принципах, называют коллайдерами. Наиболее известный - Большой адронный коллайдер** - работает в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН, Женева). Этот кольцевой ускоритель и накопитель встречных пучков протонов с проектной энергией каждого в 7 ТэВ, расположенный на границе Швейцарии и Франции, - самая крупная экспериментальная установка в мире, введенная в эксплуатацию в 2009 г.

Наша страна, с середины 1940-х годов разрабатывающая и строящая свои ускорители, много лет занимала лидирующие позиции в физике высоких энергий. В частности, мировым рекордсменом был вошедший в строй в 1956 г. в подмосковной Дубне синхрофазотрон (энергия протонов 10 ГэВ, длина орбиты около 200 м, вес кольцевого электромагнита 40 тыс. т)***. Затем в 1967 г. эстафету подхватил наш протонный синхротрон У-70 с длиной орбиты чуть менее 1,5 км, разгоняющий пучок до 70 ГэВ, державший лидерство почти 5 лет, пока в 1972 г. в Национальной лаборатории им Э. Ферми (США) не построили машину на энергию 200 ГэВ.

"Всем миром"

У-70 - базовая установка Института физики высоких энергий, созданного в ноябре 1963 г. для изучения фундаментальных свойств материи. Неоценимый вклад в его организацию внес известный теоретик Анатолий Логунов (академик с 1972 г.), ставший первым директором. Правда, решение о сооружении здесь ускорителя Совет Министров СССР принял задолго до образования центра - в марте 1958 г. физическая часть проекта, выполненного под руководством члена-корреспондента АН СССР Василия Владимирского, предполагала создание протонного синхротрона на энергию 50 ГэВ. Позднее выяснилось: в такой машине с жесткой фокусировкой можно успешно преодолеть так называемую "критическую энергию", на которой возможна потеря пучка, что позволило поднять основной параметр синхротрона до 70 ГэВ.

Еще одно существенное изменение проекта коснулось системы вывода ускоренных частиц на внешние мишени. Для размещения необходимого оборудования длины двух прямолинейных промежутков каждого из 12 элементов магнитной структуры (областей, где, в частности, создается ускоряющее электрическое поле) увеличили до 4,8 м за счет небольшого уменьшения длины части магнитных блоков и расстояния между ними.

В качестве инжектора - своеобразного "насоса" для ввода заряженных частиц - выбрали линейный ускоритель Альвареца****. Его выходная энергия 100 МэВ обеспечивала достаточную для экспериментов проектную интенсивность пучка: 10 " протонов за цикл.

В январе 1960 г. на площадке в Протвино развернулась гигантская стройка: сооружение самой машины, лабораторных и технологических корпусов, оснащенных новейшим оборудованием. Это почти втрое увеличило стоимость проекта, но не помешало его продвижению.

Комплекс, можно сказать, возводили "всем миром": в работах было задействовано около тысячи (!) отечественных проектных, строительных, монтажных организаций и промышленных предприятий. Среди них крупнейшие московские: Институт радиотехники и электроники АН СССР, Государственный специализированный проектный институт и Всероссийский научно-исследовательский проектно-конструкторский институт "Тяжпромэлектропроект" им. Ф. Б. Якубовского, а также ленинградские: Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д. В. Ефремова и Институт мощного радиостроения. И 14 октября 1967 г. на У-70 зарегистрировали ускорение протонов до предельной энергии в 76 ГэВ с интенсивностью 3 * 109 частиц в цикл. Тогда это был рекордный показатель в мире. Не случайно в 1970 г. участники работ получили Ленинскую и две Государственных премий СССР в области науки и техники.

Программу исследований на установке определял сформировавшийся в центре Научно-координационный совет, в состав которого входили известные специалисты из Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ), Физического института им. П. Н. Лебедева АН СССР, Института теоретической и экспериментальной физики им. А. И. Алиханова, Института атомной энергии им. И. В. Курчатова (Москва), Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова, Московского инженерно-физического института.

Уникальный ускорительный комплекс практически сразу стал центром коллективного пользования. Десятки групп ученых, представлявших отечественные институты и зарубежные лаборатории, ставили на нем эксперименты. К его ресурсам получили доступ физики США, Франции, Италии, Японии. Только с Европейским центром ядерных исследований институт выполнил 6 крупных научных программ. Это был период, когда западные физики создавали уникальное оборудование и системы и везли их в нашу страну для опытов на крупнейшем в мире ускорителе протонов. Еще больше работ было выполнено с участием представителей стран социалистического содружества, работающих в ОИЯИ. Рядом с нашими специалистами, вклад которых в исследовательскую программу составлял около 30% (по использованному времени), трудились экспериментаторы всех без исключения научных центров и лабораторий страны, где изучали свойства элементарных частиц.

В глубь материи

Заметим: все предшествующие протонные ускорители и у нас, и за рубежом "обгоняли" экспериментальную программу, т.е. первое время работали практически при пустых экспериментальных залах. А для У-70 ее подготовили (в том числе усилиями Научно-координационного совета) загодя - к запуску машины, благодаря чему специалисты приступили к опытам практически сразу же после получения первых пучков.

И еще. Наша установка превышала энергию ускорителей, действовавших тогда в США и Западной Европе, "только" в 2,5 раза, и это не у всех ученых вызывало энтузиазм. Пессимисты утверждали: новых открытий следует ожидать, лишь шагнув вперед на порядок величины. Однако физика в области энергий У-70, обеспечивающей изучение явлений на расстояниях до 2 * 1015 см, что в десятки раз меньше размеров нуклона и соответствует кварковому уровню строения адронов, оказалась весьма плодотворной.

Словом, уже в первые три года машина стала интенсивно выдавать научную "продукцию", а ряд результатов оказался настолько неожиданным и интересным, что ближайшую международную тематическую конференцию (Лунд, Швеция, 1969 г.), где они были озвучены, в западной прессе назвали "русской".

Эксперименты с ядрами антивещества, начатые вскоре после пуска ускорителя, привели к обнаружению в 1970 г. антигелия-3 ( Не) - второго элемента в таблице Менделеева, ядро которого состоит из двух антипротонов и одного антинейтрона. Это подтвердило теоретическую концепцию существования антивещества, высказанную английским физиком, одним из создателей квантовой механики Полем Дираком еще в 1931 г. Полученные данные зарегистрированы как открытия. Позже, в 1973 г., исследователи нашли и зафиксировали ядра антитрития, содержащего 1 антипротон и 2 антинейтрона. Отметим: это были первые искусственно созданные "настоящие" ядра антивещества, в отличие от антидейтрона, обладающего малой энергией связи.

missiya-protonnogo-uskoritelya
Схема расположения элементов ускорительного комплекса У-70

В ходе опытов в области энергий выше 20 ГэВ физики обнаружили ранее неизвестное явление: не ожидавшееся "унылое" падение полных сечений адронных взаимодействий (важнейших величин, определяющих ход реакции двух сталкивающихся частиц), что предсказывала господствовавшая в то время теория полюсов, а их неожиданный рост с увеличением энергии. Это открытие, зарегистрированное в 1973 г. и названное "серпуховским эффектом", вызвало сенсацию и привело к пересмотру теории, объясняющей взаимодействие частиц при высоких энергиях. В течение трех последовавших лет в печати появилось более 200 публикаций на данную тему. Подтвержденное последующими измерениями на протонном кольцевом ускорителе в Национальной лаборатории им. Э. Ферми и в ЦЕРНе, это явление до сих пор ожидает своего теоретического истолкования.

С запуском У-70 появилась возможность экспериментального изучения так называемых инклюзивных реакций соударения адронов в диапазоне энергий, который ранее был недоступен. Это привело к открытию закона масштабной инвариантности во взаимодействиях адронов, ставшему одним из первых экспериментальных свидетельств в пользу составного кваркового строения нуклонов. Оно служит основой при решении практических задач: проектировании крупных установок сверхвысоких энергий, расчетах биологической защиты в условиях радиации.

Нельзя не сказать о наиболее значимом достижении последних десятилетий в физике и технике пучков заряженных частиц - открытии явления высокочастотной квадрупольной (от лат. quadrum - четырехугольник, квадрат и греч. polos - полюс) фокусировки, получившего международное название RFQ (Radio-Frequency Quadrupole). Авторы - член-корреспондент АН СССР Василий Владимирский, доктор технических наук Илья Капчинский из Института теоретической и экспериментальной физики и доктор технических наук Владимир Тепляков, сотрудник нашего института, предложили использовать этот метод для предварительного ускорения протонов. Первую в мире полномасштабную установку с RFQ разработали и создали в нашем институте в 1977 г. Сегодня это важнейшая технологическая система практически любого протонного или ионного ускорителя в мире.

Всего же на ускорителе в Протвино выполнено более 200 экспериментов, сделано 8 открытий. Работы сотрудников удостоены 14 высших Государственных премий СССР и РФ.

Мегаинструмент для большой науки

Название У-70 обычно используют в двух смыслах - узком и широком. В первом случае речь идет только об основном 1,5-километровом протонном синхротроне. Однако гораздо чаще специалисты толкуют его расширительно, подразумевая под ним весь ускорительный, экспериментальный и инженерно-технический комплекс нашего института. А это сложный, многокомпонентный и масштабный объект, в состав которого входят четыре протонных (ионных) резонансных ускорителя (сам У-70, цепочка инжекторов - вспомогательных установок, готовящих пучок для основного ускорителя: И-100, Урал-30, быстроциклический промежуточный бустер У-1,5) и разветвленная, протяженная сеть каналов транспортировки и формирования выведенных пучков различных сортов и энергий. Кроме того, мы располагаем парком крупных физических установок, работающих на эксперимент. Каждая из них имеет свое, порой необычное имя - ОКА, ВЕС, СВД, ФСДС, СПАСЧАРМ, СПИН, ГИПЕРОН, содержащее информацию об используемой методике (например, в аббревиатуре "ОКА" зашифрованы опыты с каонами*****, в установке "ВЕС", предназначенной для исследования частиц в адронных взаимодействиях, скрыто словосочетание "вершинный спектрометр"). Работоспособность этого комплекса поддерживает инженерная инфраструктура специального назначения с мощным криогенным оборудованием, системами электрического питания, охлаждения обессоленной водой, радиационной безопасности и контроля. Все перечисленные составляющие, объединенные в единый технологический каскад, и образуют крупнейший в России ускоритель заряженных частиц.

Когда-то он работал четыре сеанса в год, теперь - два по 800 - 1500 ч каждый. В эти периоды действует принцип "24 * 7", т.е. и персонал, и техника трудятся 24 ч в сутки 7 дней в неделю. В одном сеансе может быть задействовано до 9 экспериментальных установок, из них 7 обычно получают пучок одновременно в каждом цикле ускорения.

Комплекс У-70 - прежде всего "поставщик" пучков экспериментаторам, но он еще и уникальный испытательный стенд для практического изучения разнообразных аспектов физики заряженных частиц и техники ускорителей. Поэтому в каждом сеансе примерно неделю машинного времени мы отводим на решение задач самого ускорительного комплекса. А это, в свою очередь, расширяет горизонты будущих прикладных и фундаментальных работ на выведенных пучках высоких энергий.

Ориентиры на завтра

У-70 и сегодня, спустя 40 с лишним лет после создания, входит в десятку самых крупных машин в мире. Кстати, ускорители такого класса, несмотря на то, что их делают на пределе технических возможностей своего времени, не "списывают" по мере старения - напротив, их постоянно модернизируют, подстраивая под новые задачи.

Например, сейчас в институте реализуют программу ускорения легких ионов, в частности, ядер углерода. Это нужно не только физикам, но и медикам. Так, последние несколько лет коллектив под руководством начальника лаборатории, кандидата физико-математических наук Юрия Антипова совместно с коллегами из Обнинского медицинского радиологического научного центра РАМН трудятся над тем, чтобы использовать наш ускоритель для решения задач клинической онкологии. Ионная лучевая терапия - наиболее перспективный и активно внедряемый в медицинскую практику метод лечения раковых заболеваний: в отличие от рентгеновских, фотонных и электронных излучателей он позволяет лучше распределять дозы и увеличивает повреждающий клетки опухолей эффект, практически не затрагивая окружающие здоровые ткани. С середины 1990-х его успешно используют в ведущих клиниках мира. И в нашем институте есть все условия для практического освоения этой передовой технологии.

Значительную часть пути мы уже прошли. В канун 2007 г. впервые осуществили проводку протонов по новому каналу транспортировки пучка, соединяющему 100-метровое кольцо промежуточного бустера У-1,5 с установкой И-100. А в начале 2008 г. осуществили ускорение в бустере до энергии 450 МэВ на нуклон и вывод на внешний поглотитель дейтронов - ядер тяжелого изотопа водорода. В 2009 г. успешно перевели их из У-1,5 в основное кольцо, получив длительную циркуляцию. С точки зрения физики процесса, дейтроны - полные аналоги ядер углерода, поэтому теперь технических препятствий для получения углеродных пучков нет. Впереди - практическая отработка режимов накопления легких ионов в кольцевом ускорителе У-70, а затем их медленный вывод в один из экспериментальных залов института, где будут созданы помещения для медицинских процедурных кабин.

Подчеркнем: реальные затраты на этот лечебный центр за счет использования существующей инфраструктуры составят 20% от объема средств, которые потребовались бы на создание подобного объекта с нуля. Важно, что он вкупе с другими, действующими в Москве, Дубне, Обнинске, Троицке и Санкт-Петербурге, будет продвигать высокие технологии в медицинскую практику и обеспечивать насущные потребности отечественного здравоохранения.

Кроме того, институт прорабатывает варианты создания импульсного нейтронного источника с использованием пучков У-70, а также новой экспериментальной зоны пучков промежуточных энергий, выведенных потребителям напрямую из бустера У-1,5 без последующего ускорения в основном синхротроне. Эти направления диверсификации позволят резко увеличить долю инновационных проектов с достаточно быстрой окупаемостью. В долгосрочной перспективе рассматриваем и строительство сверхпроводящего ускорителя протонов на энергию ~100 ГэВ с интенсивностью до 10'4 частиц в импульсе. А это - совсем иные возможности для изучения физики элементарных частиц на отечественной экспериментальной базе.

Мировой опыт показывает: кольцевые ускорители с фиксированной мишенью в диапазоне энергий до 50 - 70 ГэВ хорошо работают на фундаментальные исследования, создание современной техники и ядерных энергетических технологий будущего. Именно по этой причине в США уже есть протонные синхротроны BNL AGS и FNAL Ml, Япония завершает строительство ускорительного комплекса J-PARC, а Германия приступает к сооружению установок SIS-100 и SIS-300. Это свидетельствует о востребованности и большом потенциале машин такого класса, к которому принадлежит и протонный синхротрон У-70.

* Названа по имени американского физика Стэнли Ливингстона, построившего вместе с Эрнестом Лоуренсом в 1932 г. первый циклический протонный ускоритель - циклотрон на энергию 1,2 МэВ, который, по сути, был настольным прибором.

** См.: Л. Смирнова. Мегапроект XXI в. - Наука в России, 2009, N 5.

*** См.: А. Сисакян. Мировая слава Дубны. - Наука в России, 2006, N 2.

**** Назван в честь американского физика, нобелевского лауреата 1968 г. Луиса Уолтера Альвареца, по схеме которого в те годы сооружали практически все линейные ускорители протонов.

***** Каоны - группа из четырех элементарных частиц: двух заряженных и двух нейтральных.


Николай ТЮРИН, Сергей ИВАНОВ

Экспресс логистик офисный переезд москва.
Авторские права на статьи принадлежат их авторам
Проект компании Kocmi LTD