Создание и дальнейшее усовершенствование синхроциклотрона на энергию 1 ГэВ ПИЯФ РАН тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

На правах рукописи

СОЗДАНИЕ И ДАЛЬНЕЙШЕЕ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИНХРОЦИКЛОТРОНА НА ЭНЕРГИЮ 1 ГэВ ПИЯФ РАН

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Работа выполнена в Петербургском институте ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Найденов В.О., доктор физико-математических наук Оганесян Р.Ц., доктор технических наук Степанов А.В.

Ведущая организация: Лаборатория ядерных проблем ОИЯИ.

Защита состоится « » Н-% . 2004 г. в /4 на заседании

диссертационного совета Д201.006.01 при Научно-исследовательском институте электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова в Доме ученых НИИЭФА по адресу: 196641, Санкт-Петербург, п. Металлострой, ул. Полевая, д. 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Научно-исследовательского института электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова.

Автореферат разослан « »_2004 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы

Среди приоритетных направлений научных исследований в области физики ядра и элементарных частиц, физики твердого тела, а также среди прикладных исследований в области ядерной энергетики, радиационной технологии и медицины важное место принадлежит исследованиям с использованием пучков, получаемых на протонных ускорителях промежуточных энергий. Хотя на мезонных фабриках интенсивность протонного пучка значительно выше, чем на синхроциклотронах, тем не менее за счет более высокой энергии ускоряемых протонов в целом ряде направлений исследований, не требующих высокой интенсивности пучка, синхроциклотрон с энергией протонов 1 ГэВ находит достойное применение в современных научных и прикладных исследованиях.

Энергия протонов 1 ГэВ 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-Ситенко, что в сочетании с хорошей моноэнергетичностью пучка (0.03%), получаемой за счет временной привязки к моменту вывода пучка из ускорительной камеры, делает синхроциклотрон на энергию протонов 1 ГэВ полезным в современных ядерных исследованиях. В настоящее время этот метод совместно с японским Исследовательским центром ядерной физики в г. Осака используется для-исследования влияния ядерной среды на нуклон-нуклонные взаимодействия.

Одним из перспективных направлений использования протонного пучка синхроциклотрона ПИЯФ являются, в частности, исследования на магнитном сепараторе установки ИРИС короткоживущих нейтроно-дефицитных ядер, удаленных от полосы Р-стабильности. Развитие на установке ИРИС лазерных ионных источников и высокотемпературных мишеней позволяет данной установке быть конкурентоспособной и успешно проводить совместные исследования с мировыми лидерами этого направления, такими как ИЗОЛЬДА в Церне.

В области физики элементарных частиц синхроциклотрон на энергию протонов 1 ГэВ эффективно используется для исследования протон-протонного и пион-протонного взаимодействий в области энергий вплоть до 750 МэВ, недоступных на других синхроциклотронах и мезонных фабриках. Эти данные служат основой для проведения соответствующего фазового анализа пион-нуклонного рассеяния и позволяют уточнить фундаментальные константы, связанные с яИ-резонансами. Большой интерес представляют также исследования образуемых при взаимодействии протонов с ядрами. В этих работах на синхроциклотроне ПИЯФ принимают участие ученые из ряда научных центров Германии и США.

Синхроциклотрон с энергией протонов 1 ГэВ в силу специфической временной структуры пучка успешно

I БИБЛИОТЕКА

¿ЧДК&У

нейтронных пучков низкои энергии с длительностью несколько наносекунд, необходимых для измерения сечений взаимодействия нейтронов с ядрами с помощью нейтронной времяпролетной спектроскопии.

Пучки (Г-мезонов низкой энергии используются для исследования явления (Мц-, р(1ц- и (11ц-катализа реакций термоядерного синтеза в различных смесях изотопов водорода, а также процессов мюонного захвата. Пучки ц+-мезонов находят применение для исследований магнитных фазовых переходов в магнетиках и сверхпроводниках с использованием

Большое народнохозяйственное значение имеет медицинское использование протонного пучка с энергией 1 ГэВ для целей протонно-лучевой терапии при лечении различных заболеваний головного мозга. Протоны с энергией 1 ГэВ представляют интерес также и для исследования радиационной стойкости изделий электронной техники, используемых для космических исследований и в военной технике.

Цели и задачи работы

Целью и задачами диссертационной работы являлись:

1. Комплексный анализ факторов, определяющих основные параметры ускоряемого пучка в ускорителе типа синхроциклотрон, и разработка на основе результатов этого анализа общей концепции создания в качестве базовой экспериментальной установки ПИЯФ РАН синхроциклотрона на энергию протонов 1 ГэВ и связанного с ним экспериментального комплекса с широким набором пучков и экспериментальных установок.

2. Выбор на основе разработанной концепции физико-технических параметров и конструкторских решений основных систем ускорителя и его экспериментального комплекса.

3. Разработка и создание ряда основных систем ускорителя и его экспериментального комплекса, в том числе:

• разработка автоматизированного комплекса аппаратуры для магнитных измерений,

• формирование магнитного поля ускорителя,

• разработка нового вариатора частоты высокочастотной системы ускорителя,

• разработка системы связи резонансной системы ускорителя с ламповым блоком высокочастотного генератора, разработка системы вывода пучка из ускорительной камеры и системы временной растяжки пучка,

• разработка системы формирования и разводки пучков ускорителя,

• разработка зданий для размещения синхроциклотрона, его технологического оборудования и экспериментальных установок,

• разработка радиационной защиты ускорителя, участие в разработке ряда экспериментальных установок, в том числе нейтронного спектрометра ГНЕЙС, комплекса протонной терапии и комплекса лаборатории ИРИС.

4. Практическая реализация проведенных разработок при сооружении в ПИЯФ РАН синхроциклотрона на энергию протонов 1 ГэВ.

Научная новизна

В ПИЯФ РАН впервые в мировой практике был создан самый крупный в мире уникальный синхроциклотрон на рекордную для этого типа ускорителей энергию ускоренных протонов 1 ГэВ, оснащенный современными трактами пучков и экспериментальными установками. Синхроциклотрон с 1970 года по настоящее время успешно эксплуатируется в ПИЯФ им. Б.П. Константинова РАН. При создании и запуске ускорителя был решен ряд новых научно-технических проблем:

• Сформулированы требования к параметрам распределения аксиально-симметричного магнитного поля синхроциклотрона на энергию 1 ГэВ, оценены допуски на эти параметры, разработан комплекс измерительной аппаратуры и с высокой точностью на уровне проведено формирование заданного распределения магнитного поля ускорителя.

• Проведено шиммирование гармоник магнитного поля, обеспечивающее малую (на уровне 10%) деполяризацию в случае ускорения в будущем на синхроциклотроне ПИЯФ поляризованного пучка протонов.

• Сформулированы требования к параметрам высокочастотной системы синхроциклотрона и совместно с НИИЭФА им. Д.В. Ефремова создана уникальная высокочастотная система синхроциклотрона с рекордным, равным 2,3 , перекрытием по частоте ускоряющего напряжения. Входящие в нее система прямой и обратной связи и система оптимизации амплитудной программы синхроциклотрона защищены авторскими свидетельствами.

• Разработана и внедрена широкоапертурная регенеративная система вывода пучка из камеры ускорителя с рекордной на момент внедрения эффективностью вывода, составляющей 30%.

• Разработана и введена в эксплуатацию уникальная система временной растяжки ускоряемого протонного пучка с помощью СИ-электрода, отличающаяся от обычно используемых систем наличием синхронизации частоты и фазы ускоряющего напряжения на основном дуанте и на СИ-электроде в момент перехода от ускорения основным дуантом к ускорению СИ-электродом. Предложенная система синхронизации защищена авторским свидетельством.

• Разработана и внедрена система однооборотного сброса ускоренного протонного пучка на внутреннюю нейтронообразующую мишень для получения импульсного низкоэнергетичного пучка нейтронов, что позволило создать на его основе уникальный по разрешению нейтронный спектрометр по времени пролета ГНЕЙС.

• Впервые в практике создания синхроциклотронов разработана и защищена авторским свидетельством трехэлектродная электростатическая фокусирующая система в центральной области ускорителя, которая позволила

увеличить интенсивность ускоряемого пучка в 10 раз и выйти по интенсивности ускоряемого пучка для ускорителей данного типа на мировой уровень.

• Создан экспериментальный комплекс синхроциклотрона, включающий в себя систему трактов пучков протонов и пучков вторичных частиц (медицинский тракт для протонной терапии,

канал сепарированных и импульсный нейтронный пучок для

нейтронного спектрометра по времени пролета ГНЕЙС), которые значительно расширили экспериментальные возможности ускорителя для научных исследований и прикладных работ.

Практическая ценность

Проведенные исследования и разработки создали основу для сооружения в Петербургском институте ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН самого крупного в мире уникального синхроциклотрона на рекордную для этого типа ускорителей энергию ускоряемых протонов 1 ГэВ, который составляет основу ускорительной экспериментальной базы института. В настоящее время синхроциклотрон ПИЯФ РАН является активно действующим ускорителем средних энергий в России и успешно эксплуатируется, обеспечивая выполнение плана научно-исследовательских и прикладных работ института. На его пучках совместно с учеными ПИЯФ РАН активно работают ученые ряда ядерных научных центров России, а также ученые ряда лабораторий США, Швейцарии, Германии, Франции, Японии и других стран. В 1996 году синхроциклотрон ПИЯФ РАН решением МинПромНауки РФ получил статус уникальной установки Российской Федерации национальной значимости.

Автор выносит на защиту:

1. Разработку общей концепции создания синхроциклотрона на энергию протонов 1 ГэВ как базовой установки института для фундаментальных физических и прикладных исследований.

2. Разработку общей концепции и практическое осуществление экспериментального комплекса синхроциклотрона.

3. Выбор параметров, разработку и практическое осуществление ряда основных систем синхроциклотрона, включающих в себя:

• магнитное поле синхроциклотрона,

• систему связи резонансной системы ускорителя с ламповым блоком высокочастотного генератора,

• широкоапертурную регенеративную систему вывода частиц га ускорительной камеры с рекордным для этого типа ускорителей коэффициентом вывода,

• оригинальную систему временной растяжки пучка с помощью СИ-электрода, совмещенную с системой однооборотного сброса протонного пучка на внутреннюю нейтронообразующую мишень,

• трехэлектродную систему электростатической фокусировки пучка в центральной области ускорителя,

• экспериментальный комплекс синхроциклотрона с широким набором пучков и установок для проведения научных и прикладных исследований.

Сообщения и публикации по теме диссертации

• Работы, составляющие основное содержание диссертации, в количестве 38 опубликованы:

• в отечественных журналах: ЖТФ, «Вестник АН СССР», «Атомная энергия», «Приборы и техника эксперимента», «Медицинская радиология», «Вопросы атомной науки и техники»; (ВАНТ),

• в Трудах IV и VII Международных конференций по ускорителям частиц высоких энергий (Дубна, 1963 и Ереван, 1969),

• в Трудах II—VII и X Всесоюзных совещаний по ускорителям заряженных частиц,

• в Материалах Всесоюзных совещаний по нейтронной физике,

• в зарубежном журнале «Nuclear Instruments and Methods».

В состав опубликованных работ автора входят также 6 авторских свидетельств на изобретение.

Структура диссертации

Диссертация изложена на 234 страницах, состоит из введения, семи глав, заключения и приложения. Диссертация содержит 79 рисунков, 17 таблиц и список статей автора, на которых основана диссертация, включающий' 38 наименований. Список ссылок на работы других авторов содержит 158' наименований.

Содержание работы

Во введении к диссертации дается историческая справка об основных этапах создания синхроциклотрона на энергию протонов 1 ГэВ ПИЯФ РАН.

Синхроциклотрон на энергию протонов 1 ГэВ проектировался как базовая экспериментальная установка гатчинского Филиала Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе АН СССР, предназначенная 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. 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: -мезонов и нейтронов.

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

В разработке, сооружении и вводу в эксплуатацию синхроциклотрона ведущая роль принадлежала Филиалу ФТИ и Научно-исследовательскому институту электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова (НИИЭФА). Конструкция и компоновка основных узлов синхроциклотрона 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 были осуществлены Филиалом ФТИ. Наладка и ввод синхроциклотрона в эксплуатацию в 1970 году были произведены Филиалом ФТИ при участии сотрудников НИИЭФА. Дальнейшее усовершенствование ускорителя после его ввода в эксплуатацию осуществлялось силами Филиала ФТИ, преобразованного в 1971 году в Петербургский институт ядерной физики (ПИЯФ) им. Б.П. Константинова РАН.

Сооружение самого крупного в мире и уникального по своим параметрам синхроциклотрона потребовало решения целого комплекса сложных 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. Решение этих проблем потребовало принципиально новых подходов к созданию ряда узлов и систем ускорителя. Многие из найденных в ходе разработки ускорителя технических решений были защищены авторскими свидетельствами.

С вводом синхроциклотрона в эксплуатацию было завершено создание первой очереди ускорительной базы ПИЯФ РАН, 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- 3].

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 и экспериментальных установок, а также улучшение эксплуатационных характеристик ускорителя и повышение надежности его работы.

В первой главе диссертации рассмотрены вопросы, связанные с концепцией создания синхроциклотрона и выбором параметров ускорителя и его систем.

Исходя из опыта эксплуатации действующих синхроциклотронов и осно-

вываясь на прогнозе дальнейшего развития физики ядра и элементарных частиц, основные требования к синхроциклотрону ФТИ (ПИЯФ) на стадии разработки проекта были сформулированы нами следующим образом: •' достаточно высокая интенсивность ускоряемого протонного пучка, которая должна быть на уровне не менее нескольких микроампер;

• наличие высокоэффективной системы вывода протонного пучка из ускорительной камеры с эффективностью вывода не менее 30%;

• наличие системы временной растяжки пучка с коэффициентом временного заполнения пучка не менее 50 %;

• малые эмиттанс и энергетический разброс протонов в выведенном пучке;

• • наличие комплекса стационарных трактов протонных пучков разного

назначения и пучков вторичных частиц: нейтронов и я- и ц-мезонов;

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

• хорошие эксплуатационные характеристики и стабильность работы ускорителя. Экспериментальный комплекс синхроциклотрона должен был включать в себя:

• ц-мезонный канал для получения чистых пучков ц-мезонов обоих знаков заряда,

• систему для получения импульсного пучка испарительных нейтронов для создания на его базе нейтронного спектрометра по времени пролета,

• медицинский протонный комплекс для целей протонной терапии, установку для исследования «в линию» с протонным пучком короткожи-

вущих изотопов, удаленных от полосы Реализация этих требований обеспечила широкое и эффективное использование синхроциклотрона на энергию протонов 1 ГэВ ПИЯФ РАН в научных и прикладных исследованиях, проводимых институтом в области физики ядра и элементарных частиц, в физике твердого тела, медицины и других направлениях1 [4].

Во второй главе диссертации рассматриваются вопросы, связанные с формированием магнитного поля синхроциклотрона [5].

В параграфе 2.1 сформулированы основные требования к распределению магнитного поля синхроциклотрона на энергию протонов 1 ГэВ. Высокая энергия ускоряемых протонов потребовала создания уникального электромагнита с магнитной жесткостью на последнем радиусе 5,6 Тп-м. Электромагнит Е-9 для синхроциклотрона ПИЯФ, разработанный НИИЭФА2, имеет следующие параметры:

• диаметр полюса 6,85 м,

• зазор между полюсами (без шимм) 0,5 м,

1 Сборник ПИЯФ XXV, Основные направления научной деятельности ОФВЭ, Гатчина, 1996.

2 Б.Е. Грицков и др., ЖТФ, 1971, т. 41, № 9, стр. 1776.

• индукция магнитного поля в центре 1,9 Тл.

На основе анализа данных о формировании магнитного поля других синхроциклотронов требования к распределению магнитного поля синхроциклотрона ПИЯФ были сформулированы следующим образом. Распределение должно было обеспечить:

• необходимую величину магнитного поля на конечном радиусе ускорителя, обеспечивающую ускорение протонов до энергии 1 ГэВ;

• устойчивое относительно поперечных бетатронных колебаний движение ускоряемых частиц в магнитной системе ускорителя и достаточно малые амплитуды этих колебаний;

• подавление возможных резонансов бетатронных колебаний;

• подавление радиальных колебаний, возбуждаемых за счет электрического поля дуанта;

• достаточно малую деполяризацию ускоряемых частиц в случае ускорения поляризованных протонов;

• компенсацию сил пространственного заряда, расталкивающих частицы в пучке на малых радиусах ускорителя, где фокусирующие силы малы.

В параграфе 2.2 на основе общей теории бетатронных колебаний в циклических ускорителях (А.А. Коломенский и А.Н. Лебедев) проведен систематический анализ поперечной устойчивости пучка в слабофокусирую-щем ускорителе с азимутально-симметричным магнитным полем. Рассмотрены параметрические резонансы бетатронных колебаний и резонансы связи, определены ширины этих резонансов и найдены коэффициенты стабилизирующей нелинейности.

Кроме указанных резонансов для случая синхроциклотрона рассмотрена комбинация простого резонанса радиальных бетатронных колебаний и параметрического резонанса радиальных колебаний которая может

иметь место на радиусах, где величина показателя спада магнитного поля п мала. Исследован также вопрос о возбуждении биений амплитуды радиальных колебаний за счет «несимметричного ускорения», которые возникают в системе с одним дуантом за счет наличия на дуанте отрицательного смещения и возможных перекосов распределения амплитуды ускоряющего напряжения вдоль ускоряющей кромки дуанта.

Поскольку в будущем на синхроциклотроне ПИЯФ предусматривается ускорение пучков поляризованных протонов, был проведен анализ требований к параметрам магнитного поля, обеспечивающим малую резонансную деполяризацию пучка при ускорении поляризованного пучка [6]. Эти требования сводятся к ограничению на радиусах, на которых возникает резонансная деполяризация, амплитуд гармоник составляющих вектора магнитного поля В2 и Вг и их производных по г и z.

В параграфе 2.3 рассмотрены вопросы, связанные с выбором параметров и анализом допусков на параметры магнитного поля синхроциклотрона ПИЯФ.

Рабочая область значений показателя спада магнитного поля для синхроциклотрона ПИЯФ была выбрана в диапазоне от в котором отсутствуют линейные резонансы бетатронных. колебаний. Определенную опасность в этом диапазоне значений п представляет кубичный параметрический резонанс вертикальных колебаний Зу2 —1 = 0 при п =1/9, возбуждаемый

первой гармоникой величины

д2Вт дг2

Резонансы 4-го порядка при наличии

стабилизирующей нелинейности не приводят к резонансному увеличению амплитуд бетатронных колебаний.

Наличие возмущений магнитного поля, его отклонения от аксиальной симметрии и искажения медианной плоскости поля вызывают искажения осевой траектории и появление вынужденных бетатронных колебаний с частотой, кратной частоте обращения.

Ограничивая допустимые искажения осевой траектории величиной можно установить допуски на азимутальные гармоники магнитного поля в виде:

Последнее со „ (£)

выражение

может

быть

заменено

выражением

пг

ш

— Адоп > где - амплитуда I - гармоники отклонения

ЫО *

медианной поверхности поля от средней плоскости зазора.

Ограничение интенсивности пучка ускоряемых частиц за счет действия сил пространственного заряда в центральной области ускорителя приводит к необходимости формирования радиального распределения магнитного поля с максимально возможными значениями показателя спада п при радиусах порядка 2-10 см, где силы пространственного заряда действуют наиболее сильно. Это, в свою очередь, приводит к расширению (пропорционально л/к, где ) диапазона частот, при которых происходит захват частиц

(1-п)Р2

в процесс ускорения, и увеличению пропорционально К оптимального значения производной частотной программы ускорителя, что не всегда может быть обеспечено параметрами высокочастотной системы. Нами было выбрано компромиссное значение

Параграф 2.4 диссертации посвящен вопросам разработки аппаратуры для магнитных измерений. Исходя из установленных допусков на азимутальные неоднородности магнитного поля, точность измерения вертикальной компоненты поля составляет величину порядка 1 Гс (5-Ю"5 от величины поля), а точность измерения положения медианной поверхности относительно средней плоскости зазора - величину порядка 1 см.

Повышение требований к точности формирования магнитного поля ускорителя, а также большой объем измерений (5000 точек на один сеанс измерений) приводят к необходимости автоматизации процесса измерений и записи результатов магнитных измерений. С этой целью нами был разработан один из первых в нашей стране автоматизированный комплекс приборов для магнитных измерений в ускорителях циклотронного типа. Комплекс состоит из ядерного магнитометра с автоматической подстройкой частоты, который позволял производить измерение абсолютной величины поля с точностью 3-10"5, измерителя положения медианной поверхности на основе вертикально ориентированного датчика Холла, магнитометра на основе термостатированного датчика Холла для измерения неоднородных полей и автоматизированной координатной системы с устройством управления и записи результатов измерений [7].

В параграфе 2.5 представлены методика и результаты работы по формированию и коррекции магнитного поля синхроциклотрона ПИЯФ.

Формирование радиального распределения магнитного поля производилось с помощью установленных на верхний и нижний полюсы магнита кольцевых шимм, разбитых на отдельные сектора. Увеличение спада магнитного поля в центральной области магнита было достигнуто за счет установки на полюсные наконечники в центре магнита цилиндров высотой 55 и диаметром 78 мм. Усредненные величины индукции магнитного поля и показателя спада представлены на Рис. 1. Исправление азимутальных неоднородностей вертикальной компоненты магнитного поля производилось путем установки дополнительных локальных шимм. Весьма существенным оказалось влияние на магнитное поле железных конструкций находящихся вблизи зазора магнита диффузионных насосов и магнитных экранов вариаторов частоты. Провал поля за счет этих конструкций на радиусах от 1,5 до 3,2 м составил от 30 до 60 Гс с азимутальной протяженностью почти в половину полюса, что соответствует первой гармонике Этот провал компенсировался дополнительными шиммами толщиной 0,5 мм путем перемещения шимм из области максимума в область минимума гармоники.

После проведения работ по исправлению азимутальных неоднородностей и компенсации воздействия на магнитное поле кожухов вариаторов и диффузионных насосов относительная амплитуда 1-ой гармоники азимутальных неоднородностей поля составляет величину менее 2-Ю"4, амплитуды 2-ой и 3-ей гармоник - менее 4-Ю"4, а амплитуда 4-ой гармоники - менее 6-10~\

Рис 1. Усредненная по азимуту величина индукции магнитного поля <В> и показателя спада магнитного поля п в зависимости от радиуса.

Положение медианной плоскости относительно средней плоскости зазора измерялось с помощью вертикально-ориентированного датчика Холла, измеряющего радиальную компоненту поля по методу, предложенному в ОИЯИ, в котором для выделения направления оси Z магнита использовалось направление силы тяжести. Существенным источником систематических ошибок при измерении радиальной компоненты поля являлась негоризонтальность полюсов магнита, составляющая величину Т^Т-КГ4 радиана, вызванная перекосом магнита из-за неравномерной осадки фундамента магнита в процессе его монтажа. Это потребовало детальных геодезических измерений негоризонтальности полюсов и введения в результаты измерений положения медианной поверхности соответствующих поправок.

На рис. 2 представлено среднее значение <В,> радиальной составляющей поля и соответствующее ему среднее смещение медианной поверхности Из приведенных результатов видно, что среднее положение орбиты частицы отклоняется от средней геометрической плоскости не более чем на 1 см. Вклад гармоник радиальной составляющей в вынужденные вертикальные колебания пренебрежимо мал.

ZO)r

' I>,«M

s

lt. CM

-s

Рис. 2. Результаты исправления медианной поверхности.

Исходя из данный по измерению радиального спада магнитного поля, быши вычислены радиусы, на который должна наблюдаться резонансная деполяризация поляризованного пучка. Эти радиусы оказались равными 61, 83, 84, 85, 107, 211, 230, 232, 234, 255 и 316 см. При шиммировании гармоник вертикальной и радиальной составляющих магнитного поля бышо обращено особое внимание на получение малый амплитуд этих гармоник на резонансный радиусах. Суммарная деполяризация, вычисленная по результатам измерений гармоник составляющих магнитного поля, на указанный радиусах составила величину 12% и обусловлена, в первую очередь, большими амплитудами радиальных бета-тронных колебаний. Величина деполяризации квадратично зависит от амплитуд бетатронных колебаний и может быть уменьшена за счет уменьшения этих амплитуд.

В связи с тем, что в синхроциклотроне ПИЯФ полюсные наконечники являются одновременно крышками вакуумной камеры, бышо опасение, что при откачке камеры вследствие деформации крышек под действием атмосферного давления могут появиться искажения магнитного поля. Для проверки этого предположения впервые в практике создания ускорителей быша проведена серия полномасштабный магнитныж измерений при вакууме 10 мм рт. ст. в ускорительной камере. Результаты измерений показали, что искажения параметров поля, сформированного при атмосферном давлении, за счет деформации полюсов магнита при вакууме в ускорительной камере малы и не превышают заданный допусков.

В главе 3 рассмотрены вопросы, связанные с созданием высокочастотной ускоряющей системы синхроциклотрона [8], [9].

В параграфе 3.1 сформулированы основные требования к ускоряющей системе синхроциклотрона на энергию протонов 1 ГэВ.

1. Высокочастотная система должна обеспечить рабочий диапазон частот ускоряющего напряжения от 13 до 30 МГц, что соответствует перекрытию по частоте, равному 2,3.

2. Форма зависимости частоты резонансной системы от времени - частотная программа ОД и связанная с ней зависимость от времени амплитуды ускоряющего напряжения на дуанте - амплитудная программа У^) должны обеспечить: оптимальные условия для захвата частиц в режим ускорения в центре ускорителя и отсутствие фазовых потерь пучка в процессе ускорения.

3. Для получения высокой интенсивности ускоряемого пучка высокочастотная система должна обеспечить получение достаточно высокой амплитуды ускоряющего напряжения во всем диапазоне частот.

4. Высокочастотная система должна обладать высокими эксплуатационными характеристиками: отсутствием пробоев и перегревов отдельных частей системы, надежностью и стабильностью при работе в длительном режиме.

В параграфе 3.2 описан проект высокочастотной системы синхроциклотрона, разработанный в НИИЭФА3.

В ходе разработки проекта резонансной системы в НИИЭФА был проведен анализ уже существовавших к тому времени высокочастотных систем синхроциклотронов и была выбрана полуволновая система с вращающимся вариатором частоты. Схема резонансной системы синхроциклотрона ПИЯФ показана на Рис. 3. Отличительной особенностью этой схемы является способ подключения к дуанту вариатора частоты. Вариатор разбит на две сидящие на одном валу секции, подключенные непосредственно к хвостовой части дуанта. При этом ширина подключения каждой секции вариатора составляет 1/8 часть ширины хвостовой части дуанта. Такой способ подключения вариатора позволяет при достаточно большом перекрытии вариатора по емкости получить в резонансной системе необходимое перекрытие по частоте ускоряющего напряжения, равное 2,3, при относительно небольшом увеличении коэффициент трансформации напряжения от ускоряющей щели к месту подсоединения

вариатора частоты

Упрощенная схема вариатора представлена на Рис. 4. После изготовления резонансной системы на заводе и измерения параметров системы на месте монтажа оказалось, что изготовленная система не обеспечивает необходимого перекрытия по частоте ускоряющего напряжения и требует серьезной доработки. Большая сложность высокочастотной системы и невозможность в связи с этим определения всех необходимых параметров системы расчетным путем требовали проведения работ по доводке системы до проектных параметров на соответствующих макетах. С целью ускорения и удешевления работ доводка высокочастотной системы до проектных параметров была осуществлена на реальной системе после ее монтажа в вакуумной камере синхроциклотрона.

3 И.М. Ройфе и Е.В. Середенко, ЖТФ,1971,т. 41, № 9,стр.1797.

Рис. 3. Высокочастотная система синхроциклотрона.

1 - Вакуумная камера, 2 - ротор вариатора частоты,. 3 - статорные пакеты и кольца индуктивности, 4 - автогенератор ВЧ, 5 - фидеры прямой связи, 6 - фидеры обратной связи, 7 - дуант, 8 - ионный источник Пеннинга, 9 - кожух вариатора, 10 - дуантный емкостной пакет пластин вариатора, 11 - индуктивный емкостной пакет вариатора,

12 - заземляющий емкостной пакет пластин, 13 - регулируемые пластины плакировки камеры.

Рис. 4 Упрощенная эквивалентная схема вариатора частоты.

1-Дуантный пакет, 2-дуант, 3-земляные пакеты, 4-индуктивные пакеты, 5-индуктивные кольца.

В параграфе 3.3 представлены результаты работы по доработке высокочастотной системы синхроциклотрона ПИЯФ на месте монтажа и вводу ее в эксплуатацию. В ходе этой работы была тщательно проанализирована проектная схема и конструкция резонансной системы и вариатора, и на основе проведенного анализа было решено сохранить принципиальную схему резонансной системы и вариатора частоты, предложенные НИИЭФА, и внести в конструкцию системы необходимые изменения, которые позволили бы довести эту систему до проектных параметров. Основные принципиальные изменения, которые были введены в изготовленную на заводе высокочастотную систему при запуске синхроциклотрона ПИЯФ, следующие:

• увеличение коэффициента перекрытия ускоряющей системы по частоте,

• подавление паразитных резонансов камеры и вариатора частоты,

• создание системы прямой и обратной связи лампового блока генератора частоты и резонансной системы.

Для увеличения коэффициента перекрытия вариатора частоты было необходимо уменьшить начальную эффективную емкость вариатора и увеличить его конечную емкость. Детальный анализ схемы вариатора показал, что это может быть осуществлено за счет одновременного увеличения последовательной индуктивности Ц, и уменьшения шунтирующей индуктивности Ь2. В соответствии с этим была произведена конструктивная переделка элементов вариатора. За счет соответствующего выбора величин входящих в состав вариатора индуктивностей удалось добиться необходимой величины перекрытия вариатора по емкости, которая составляет величину 44.

При наладке резонансной системы синхроциклотрона выяснилось наличие в системе ряда паразитных резонансов, попадающих внутрь рабочего диапазона частот и вызывающих разрывы частотной программы ускорителя. К этим резонансам относятся:

• объемный резонанс камеры типаЕою при частоте 27 МГц,

• продольный и кольцевой моды колебаний вариатора при частоте 25,5 и 21 МГц,

• поперечные моды колебаний дуанта в диапазоне 25-15 МГц.

Вывести частоту объемного резонанса камеры за пределы рабочего диапазона не удалось. Исследование этого резонанса показало, что тщательное симметрирование дуанта и плакировок камеры по вертикали с помощью предусмотренных проектом камеры подвижных пластин плакировки камеры в хвостовой части дуанта устраняет возможность возбуждения этого резонанса. Для оперативного контроля за возбуждением объемного резонанса камеры управление приводом положения этих пластин было вынесено на пульт управления синхроциклотроном.

Устранение влияния продольного и кольцевого резонансов вариатора при частоте 25,5 и 21 МГц потребовало значительно больших усилий. Если продольный резонанс ротора удалось сместить за границу рабочего диапазона за счет увеличения величины емкости установленных на концах ротора полицилиндрических конденсаторов, то для ликвидации разрывов частотной

программы из-за паразитного кольцевого резонанса вариатора не нашлось никакого другого способа, кроме полной переделки земляных пакетов вариатора. Вместо 78-градусных земляных пакетов были изготовлены новые 36-градусные земляные пакеты, которые были установлены таким образом, чтобы величина емкости ротора вариатора на землю увеличивалась при увеличении угла поворота ротора. При этом частоты паразитных резонансов вариатора стали зависеть от угла поворота. Положение новых земляных пакетов было выбрано так, чтобы паразитные резонансы все время были выше рабочей частоты резонансной системы. Устранение продольного и кольцевого резо-нансов за счет уменьшения емкости ротора вариатора на землю привело к увеличению высокочастотного напряжения на роторе и во избежание пробоев полицилиндрических конденсаторов повлекло за собой некоторое снижение ускоряющего напряжения.

/? а с

Рис. 5. Система связи резонансной системы с ламповым блоком генератора.

Для возбуждения высокочастотной системы была разработана симметричная система прямой и обратной связи с использованием коаксиальных фидеров, Рис. 5. При создании этой системы удалось одновременно решить и

задачу подавления поперечных мод колебаний дуанта, частоты которых попадают внутрь рабочего диапазона, и обеспечить надежное возбуждение высокочастотного генератора во всем диапазоне частот при постоянной величине напряжения на ускоряющей кромке дуанта.

Напряжение обратной связи в этой системе с помощью Т-образного фидера обратной связи берется из двух точек резонансной системы, расположенных симметрично относительно продольной оси дуанта и подается на катод генераторной лампы. В этом случае напряжения в обеих точках для основного продольного мода колебаний находятся в одинаковых фазах, а напряжения для поперечных мод колебаний находятся в противофазе и гасят друг друга. Таким образом, условия для возбуждения генератора на поперечных модах колебаний дуанта полностью устраняются. Параметры фидеров - длина и волновое сопротивление, а также места их подсоединения к резонансной системе - были выбраны расчетным путем и промоделированы. Для коррекции фазовых характеристик системы связи на анодном и катодном концах фидеров связи использованы заземляющие емкости. На. Рис. 6 представлена зависимость величины Ц(и) от угла поворота ротора вариатора а. Из рисунка видно, что и(14°)

с помощью созданной системы связи лампового блока генератора с резонансной системой во всем диапазоне частот обеспечивается постоянство ускоряющего напряжения в пределах 30%, что является вполне приемлемой величиной. На систему связи было получено авторское свидетельство [10].

/<?• л' го• гг ¡от лг

Рис. 6. Зависимость ускоряющего напряжения от угла поворота ротора вариатора.

После внесения в высокочастотную систему необходимых конструктивных изменений в 1970 году был осуществлен запуск синхроциклотрона ПИЯФ и ввод его в эксплуатацию.

В параграфе 3.4 описаны работы по модернизации ускоряющей системы синхроциклотрона. После ввода синхроциклотрона ПИЯФ в эксплуатацию параллельно с выполнением физических исследований на пучках синхроциклотрона проводились работы по дальнейшей модернизации высокочастотной системы. Цели модернизации:

• оптимизация частотной программы ускорителя,

• повышение ускоряющего напряжения,

• улучшение защиты узла подшипников вариатора.

В ходе модернизации высокочастотной системы с учетом опыта эксплуатации вариатора прежней конструкции был разработан и изготовлен новый вариатор частоты.

Форма частотной программы была частично исправлена путем изготовления новых индуктивных пакетов с лопатками сложного профиля, найденного путем моделирования и ряда проб. Получившаяся при этом зависимость частотной программы {Ц от угла а представлена на Рис. 7. Величина произ-

аг

водной в районе захвата при этом изменилась незначительно, но в диапазоне углов 20 -36° форма частотной программы приблизилась к расчетной. После исправления формы частотной программы число оборотов ротора, вариатора, соответствующая наибольшей интенсивности пучка, увеличилось с 300 до 500 об/мин.

Рис. 7. Частотная программа синхроциклотрона и паразитные резонансы.

^сдо - расчетная оптимальная частотная программа, ^ и {' — частотная программа

до и после работ по ее оптимизации, ^ - паразитный объемный резонанс камеры; - паразитные поперечные моды колебаний резонансной системы.

В новом вариаторе с целью уменьшения начальной емкости вариатора 36 -градусные дуантные пакеты были заменены заново изготовленными 18 -градусными. Это уменьшило начальную емкость дуантных пакетов примерно с 275 пкФ (на один вариатор) до 150 пкФ и, соответственно, увеличило

максимальную частоту резонансной системы и величину в районе захвата.

da

Исследования возможностей повышения ускоряющего напряжения на дуанте показали, что основным фактором, ограничивающим увеличение ускоряющего напряжения, является повышенное напряжение на роторе вариатора в нижней части диапазона, которое при ускоряющем напряжении 8 кВ достигает 2,5 кВ, что при зазорах между полицилиндрами 1 мм вызывает пробои и электроэррозию поверхностей полицилиндров и подшипников вариатора. С целью уменьшения напряжения на роторе вариатора была разработана принципиально новая конструкция дополнительного заземления ротора при помощи двух дисков диаметром 1 м, насаженных по краям вала ротора и имеющих зазор 1 мм с ответной земляной поверхностью кожуха вариатора (см. Рис. 8). С этой же целью были изготовлены новые полицилиндрические конденсаторы с более развитой поверхностью, что позволило увеличить емкость одного блока конденсаторов с 5000 до 7000 пкф. Важным следствием увеличения емкости полицилиндрических конденсаторов явились более надежная защита подшипников вариатора от протекания высокочастотных токов и сдвиг продольных паразитных резонансов вариатора за пределы рабочей частотной программы. Суммарная емкость заземления ротора в нижней части диапазона увеличилась при этом до 22000 пкф, и за счет этого нижняя частота диапазона уменьшилась на 0,3 МГц.

Рис. 8. Общий вид ротора вариатора с дисками, насаженными по краям вала.

19

В параграфе 3.5 представлены результаты исследований по оптимизации амплитудной программы синхроциклотрона [11].

Для формирования оптимальной амплитудной программы, соответствующей реально существующей частотной программе, использовался метод оптимизации непосредственно по интенсивности выведенного пучка. Для этого весь интервал изменения угла поворота ротора вариатора а разбивался на 32 угловых интервала. На каждом из этих интервалов амплитуда ускоряющего напряжения оперативно уменьшалась до тех пор, пока это уменьшение не начинало сказываться на интенсивности ускоряемого пучка. Полученный таким образом закон изменения можно интерпретировать как оптимальный. Для оптимизации амплитудной программы ускорителя был использован манипулятор анодного напряжения, который обеспечивает оперативную возможность регулировки закона изменения анодного напряжения методом широтно-импульсной модуляции.

Внедрение системы оптимизации амплитудной программы синхроциклотрона позволило существенно уменьшить мощность, рассеиваемую в вариаторе частоты, уменьшить число пробоев и тем самым повысить надежность работы ускорителя.

Глава 4 посвящена вопросам вывода ускоренного пучка из ускорительной камеры. Основные трудности осуществления эффективного вывода пучка в синхроциклотроне связаны, в первую очередь, с малой величиной амплитуды ускоряющего напряжения, что обусловливает малую величину шага орбит ускоряемых частиц и необходимостью использования открытого ионного источника. Последнее обстоятельство приводит, в свою очередь, к наличию больших амплитуд (порядка 10 см) свободных радиальных бетатронных колебаний частиц ускоряемого пучка.

В связи с малым шагом орбит на радиусах вывода на синхроциклотронах для вывода пучка из ускорительной камеры обычно применяются регенеративные системы вывода, использующие параметрический резонанс радиальных бетатронных колебаний и позволяющие за счет относительно небольших локальных возмущений магнитного поля получить на последнем радиусе ускорения разделение орбит 5-6 см. Основным недостатком регенеративных систем вывода, созданных к моменту начала нашей работы по выводу пучка на синхроциклотроне ПИЯФ РАН, был малый коэффициент вывода, составляющий в то время величину порядка 3-7 %. Трудности анализа эффективности регенеративной системы вывода связаны с ярко выраженной нелинейностью магнитного поля ускорителя вблизи выводного радиуса, нелинейностью уравнений движения и широким спектром амплитуд бетатронных колебаний.

С целью выяснения механизма потерь пучка в процессе вывода и увеличения коэффициента вывода нами с учетом нелинейности магнитного поля и реального спектра амплитуд бетатронных колебаний были проведены подробные численные расчеты траекторий частиц в процессе вывода, позволив-

шие определить эмиттанс и фазовую плотность пучка на входе магнитного канала, и потери пучка при последующем прохождении канала. При расчетах использовались экспериментальные данные по реальным спектрам радиальных и вертикальных бетатронных колебаний и тщательно измеренная карта распределения магнитного поля. В ходе анализа результатов численных расчетов было выяснено, что для синхроциклотрона с открытым ионным источником и вследствие этого с широким спектром амплитуд радиальных и вертикальных бетатронных колебаний основные потери пучка связаны с

• неустойчивостью вертикального движения: резонансы =0 и Уг =0,5 для частиц с амплитудами радиальных колебаний больше 5 см,

• потерями пучка на септуме магнитного канала,

• потерями пучка внутри канала.

На основе этого анализа было принято решение повысить эффективность выводной системы за счет создания широкоапертурного магнитного выводного канала и регенератора [12], [13].

Схема выводного устройства синхроциклотрона ПИЯФ представлена на рис. 9. Магнитный канал состоит из 5-ти криволинейных секций, установленных на С-образной раме, положение которой может регулироваться без нарушения вакуума, и одной дополнительной секции, установленной вне камеры. Все секции канала образованы за счет ферромагнитных пластин. Положение каждой секции с помощью специальных приводов может регулироваться независимо от других секций. В качестве осевой линии канала выбрана траектория частицы, находящейся в максимуме фазовой плотности частиц на входе канала. Поперечный профиль первой секции канала показан на рис. 10. Все секции канала фокусирующие.

С целью увеличения количества частиц, участвующих в регенеративном процессе, была значительно расширена область однородного поля регенератора по вертикали. Наименьшая апертура регенератора равна 80 мм, азимутальная длина регенератора - 0,2 радиана, профиль магнитного поля в регенераторе

может быть представлен в виде

где г0=316,5 см. Радиус входа магнитного канала равен 330,1 см, разделение орбит на последнем обороте - от 4 до 6 см. Азимутальный угол между регенератором и входом в канал составляет 52°.

Практическая реализация широкоапертурной системы вывода явилась сложной задачей, так как расширение апертур канала и регенератора по вертикали и горизонтали при сохранении заданного ослабления магнитного поля и фокусирующих градиентов возможно только за счет увеличения размеров

Рис. 9. Схема системы вывода синхроциклотрона ПИЯФ РАН.

1 - Пробник с миниатюр-ионизационной камерой, пробники для получе-радиоавтографов пучка, термопарный пробник, - приводы канала, 9 - регенератор; 10 - рама магнитного канала, 11 - дополнительная секция, 12 - триплет магнитных квадрупольных линз, Б - промежуточный фокус системы.

Рис. 10 Поперечное сечение первой секции магнитного канала: а) секция, б) распределение магнитного поля внутри секции

ферромагнитных пластин, составляющих канал и регенератор, что требует особых усилий по компенсации вызванных ими возмущений магнитного поля

в области нормального ускорения. Эти трудности удалось преодолеть путем тщательной коррекции магнитного поля в зоне установки элементов выводной системы. Каждая секция сначала отрабатывалась отдельно, а затем за счет установки дополнительных шимм проводилась компенсация влияния на распределение магнитного поля всего канала в целом;

Измеренная по наведенной радиоактивности алюминиевых фольг с учетом многократности прохождения пучка внутренней мишени эффективность системы вывода оказалась равной 30%, что на момент времени ввода системы в эксплуатацию было рекордным мировым достижением. Проведенное позднее более детальное исследование факторов, влияющих на коэффициент вывода пучка с помощью регенеративной системы вывода, полностью подтвердили исходные соображения, принятые при создании системы вывода синхроциклотрона ПИЯФ РАН.

Осуществление высокого коэффициента вывода пучка из ускорительной камеры и повышение интенсивности выведенного пучка позволили создать на протонном пучке ускорителя целый ряд новых направлений исследований, требующих использования внешних мишеней, а также отказаться от мезонных мишеней, установленных внутри ускорительной камеры, и полностью перейти без потери интенсивности на более эффективные внешние мезонообразующие мишени.

В главе 5 рассмотрены вопросы, связанные с улучшением временной структуры ускоряемого пучка и созданием импульсного пучка нейтронов низкой энергии [14].

В параграфе 5.1 обсуждаются вопросы, связанные с выбором метода [15] временной растяжки пучка для синхроциклотрона ПИЯФ.

В параграфе 5.2 представлены результаты работы по созданию системы временной растяжки пучка синхроциклотрона ПИЯФ с помощью СИ-электрода, который осуществляет медленное доускорение пучка в процессе вывода его из ускорительной камеры. Основная проблема, связанная с созданием такой системы, состоит в осуществлении перехода от одного режима ускорения к другому без потерь ускоряемых частиц. Для этого необходимо, чтобы фазовый объем пучка, ускоряемого основным дуантом, при переходе к ускорению с помощью СИ-электрода попал внутрь сепаратрисы СИ-электрода. Обычно уменьшение темпа набора энергии с помощью СИ-

электрода осуществляется за счет выбора малой величины . В этом

\т 5 /СИ

случае при переходе к режиму ускорения с помощью СИ-электрода равновесная фаза частицы должна измениться скачком от значения (фд)дуанта к

значению Однако скачкообразное изменение равновесной фазы

приводит к возбуждению радиально-фазовых колебаний пучка и увеличению фазового объема, занимаемого пучком, что, в свою очередь, для обеспечения перехода от одного режима ускорения к другому без фазовых потерь требует увеличения амплитуды ускоряющего напряжения и мощности генератора СИ-электрода.

Измерения длительности импульса микроструктуры пучка синхроциклотрона ПИЯФ показали, что в конце цикла ускорения вследствие затухания фазовый колебаний фазовый объем пучка оказался гораздо меньше размера сепаратрисы основного дуанта. В связи с этим при разработке системы временной растяжки пучка для синхроциклотрона ПИЯФ РАН мы для уменьшения набора энергии за оборот пошли по пути уменьшения амплитуды ускоряющего напряжения СИ-электрода. В этом случае переход можно осуще-ствиты при равенстве равновесной фазы СИ-электрода и основного дуанта )си = (^^дунта ' этом необходимое ускоряющее напряжение и

мощность генератора СИ-электрода оказываются значительно ниже, что существенно упрощает конструкцию резонансной системы и генератора СИ-электрода.

Рис. 11. Конструкция и размещение СИ-электрода в камере ускорителя:

1 - дуант; 2 - пластины СИ-электрода; 3 - край полюса электромагнита; 4 - керамические изоляторы; 5 - стенки вакуумной камеры; 6 - указатели положения пластин; 7 - штоки-держатели; 8 - смотровые окна; 9 - штоки-вводы; 10 - защитный кожух; 11 - кабели фидерных линий; 12 - шарниры крепления пластин; 13 - внутренние изоляторы; 14 — штуцера подачи газа; 15 - наружные изоляторы.

Конструкция СИ-электрода синхроциклотрона ПИЯФ изображена на Рис. 11. В отличие от обычно используемой на других синхроциклотронах конструкции СИ-электрода на синхроциклотроне ПИЯФ используется конструкция СИ-электрода с удаленной задней боковой стенкой [15]. Такая конструкция позволяет использовать один и тот же электрод, как для временной растяжки пучка, так и в качестве дефлектора для однооборотного сброса пучка на внутреннюю нейтронообразующую мишень. В первом случае обе пластины запитываются синфазно от одного и того же высокочастотного генератора, во втором случае пластины запитываются импульсами высокого напряжения, находящимися в противофазе.

СИ-электрод состоит из двух дугообразный пластин с угловой протяженностью 60° и шириной 25 см со средним радиусом пластин 316 см. Каждая

пластина СИ-электрода соединена с анодом усилительной лампы выходного каскада генератора СИ-электрода при помощи фидерной линии, выполненной из двух отрезков высокочастотного кабеля с полиэтиленовой изоляцией длиной 12,5 м. Со стороны генератора кабели заземлены через индуктивность с ферритовым сердечником (ферритовый вариатор частоты), образуя таким образом %-волновую резонансную систему СИ-электрода со средней частотой 13,4 МГц. Перестройка резонансной частоты системы осуществляется за счет изменения тока подмагничивания ферритового вариатора. Девиация частоты 250 кГц.

Для обеспечения перехода от ускорения основным дуантом к СИ-электроду при равенстве равновесной фазы нами было предложено использовать систему синхронизации частоты и фазы напряжения основного дуанта и СИ-электрода в момент перехода от одного режима ускорения к другому. С этой целью высокочастотный генератор основного дуанта связан с генератором СИ-электрода при помощи линии связи через блок регулируемых фазовращателей. Для обеспечения фазовой стабильности режима ускорения с помощью СИ-электрода введена вторая система синхронизации (по существу, система обратной связи по пучку), обеспечивающая подстройку частоты и фазы генератора СИ-электрода по частоте и азимутальному положению ускоряемого сгустка пучка. Синхронизация осуществляется за счет подачи напряжения, которое циркулирующий в системе сгусток ускоряемого пучка наводит на СИ-электроде.

При частоте модуляции основной частотной программы около 50 Гц длительность макроимпульса растянутого протонного пучка составляет около 10 мс. В качестве иллюстрации влияния системы синхронизации на процесс перехода от одного режима к другому на Рис. 13 показана зависимость интенсивности пучка от сдвига фаз между напряжением на дуанте и на СИ-электроде. Работа системы растяжки пучка без фазировки ее с основной программой приводит к уменьшению средней интенсивности на 30-50% при одновременном значительном ухудшении стабильности интенсивности растянутого пучка от цикла к циклу.

Наличие двух систем синхронизации, по частоте и фазе между дуантом и СИ-электродом, позволило практически без потерь перевести фазовый объем пучка, ускоряемого дуантом, в сепаратрису СИ-электрода и избежать дальнейших фазовых потерь пучка. Это, в свою очередь, позволило резко снизить напряжение на СИ-электроде и мощность генератора СИ-электрода, что значительно упростило задачу его создания. В оптимальном режиме напряжение на СИ-электроде составляет 2-2,5 кВ, что соответствует мощности примерно 0,5-1,0 кВт. Идея о введении двух систем синхронизации была защищена авторским свидетельством [16].

1м л 1 г Z1 и о и ТГ О

1 V \ А г- / 1 ' V

\ iß / !

Ч* flft- \ <ш V J

0 iu К 06 ад to

Рис. 12. Зависимость интенсивности пучка от сдвига фаз между напряжением на дуанте и СИ-электроде.

В параграфе 5.3 представлены результаты работы по созданию импульсного дефлектора для однооборотного сброса протонного пучка на внутреннюю нейтронообразующую мишень.

На синхроциклотроне ПИЯФ задача, связанная с получением импульсного пучка испарительных нейтронов, была решена при использовании вертикального импульсного дефлектора, с помощью которого можно осуществить однооборотный сброс протонного пучка на нейтронообразующую мишень, установленную на 3 см ниже средней плоскости ускорителя. В качестве такого дефлектора был использован СИ-электрод с удаленной задней боковой стенкой, на пластины которого может быть подан высоковольтный импульс для отклонения ускоряемого сгустка пучка как целого в вертикальном направлении.

Для реализации совместной работы системы однооборотного сброса и системы временной растяжки пучка в ПИЯФ была разработана представленная на Рис. 13 оригинальная система, позволяющая подавать на пластины СИ-электрода либо высокочастотное напряжение генератора системы временной растяжки пучка, либо высоковольтный импульс для сброса пучка на внутреннюю нейтронную мишень4 [17], [18]. Источником импульсного напряжения

дефлектора является тиратронный генератор Л 1 т4 с выходным ферритовым трансформатором - 7. Выходная обмотка трансформатора, состоящая из центральных жил фидеров питания СИ-электрода (1), выполнена таким образом, что система обеспечивает синфазную подачу ускоряющего напряжения на пластины в режиме растяжки и противофазную подачу импульса напряжения в режиме сброса. Генератор импульса сброса обеспечивает на пластинах СИ-электрода импульсную разность потенциалов до 150 кВ с передним фронтом от 70 до 100 нс.

4 А.В. Куликов, Н Н. Чернов. Авторское свидетельство N 370901 с приоритетом от 03.01.1974 г.

26

Рис. 13. Упрощенная схема совмещенной системы генератора СИ-электрода и генератора сброса.

1 - СИ-электрод, 2-3 - фидерные линии связи с СИ-электродом, 4 - распределение напряжения вдоль фидеров в режиме работы растяжки пучка, 5 - первичная обмотка импульсного трансформатора, 6 - обмотка подмагничивания импульсного трансформатора, 7 - ферритовый импутьсный трансформатор, 8 - ферритовый вариатор частоты СИ-элекгрода, Л 1+4 - тиратронный генератор, Л5 - генератор, ВЧ-генератор системы растяжки пучка.

В главе 6 диссертации приводятся результаты работы по повышению интенсивности ускоряемого пучка синхроциклотрона за- счет улучшения вертикальной фокусировки пучка в центральной области ускорителя.

На Рис. 14 представлена схема предложенной нами трехэлектродной фокусирующей системы [19]. В центральную область -синхроциклотрона помещены центральный фокусирующий электрод, имеющий форму вытянутого эллипса длиной 200 мм и шириной 60 мм, и полукруглый боковой электрод (антидуант). Зазор между дуантом и боковым электродом 120 мм. Каждый из электродов состоит из двух пластин, расположенных симметрично относительно медианной плоскости. Апертура дуанта и бокового электрода 120 мм, расстояние по вертикали между пластинами центрального электрода 140 мм. Пластины центрального электрода подключены к источнику положительных импульсов Иф с амплитудой до 25 кВ и длительностью 1мс, а пластины бокового электрода - к источнику отрицательного смещения дуанта с напря-

жением до ЗкВ. Под пластинами центрального электрода находятся камеры открытого ионного источника типа Пеннинга с холодным катодом, находящиеся под потенциалом центрального электрода. Все пластины электродов, а также аноды ионного источника заземлены по высокочастотному напряжению керамическими конденсаторами.

Отличительной особенностью предложенной системы является наличие симметрии системы электродов относительно середины ускоряющей щели и наличие положительного потенциала на плазменном столбе открытого ионного источника. Воздействие трехэлектродной системы на ускоряемый пучок вблизи центра ускорителя обладает двумя эффектами. С одной стороны, вертикальные компоненты электрического поля, создаваемого электродами, осуществляют фокусировку пучка к средней плоскости зазора. С другой стороны, радиальные компоненты электрического поля, создаваемые проводящим плазменным столбом, находящимся под положительным потенциалом, приводят вблизи столба к уменьшению частоты обращения протонов вокруг центра и тем самым изменяют условия захвата частиц в режим ускорения. Распределение электрических полей в фокусирующей системе изучалось путем моделирования центральной области ускорительной камеры совместно с дуантом, боковым и фокусирующим электродами и ионным источником в электролитической ванне. При изучении распределения статических полей плазменный столб ионного источника моделировался металлическим стержнем, диаметр которого соответствовал диаметру отверстия в аноде источника, а потенциал равнялся потенциалу анода.

Рис. 14. Схема трехэлектродной фокусирующей системы синхроциклотрона ПИЯФ:

1 - центральный фокусирующий электрод, 2 — боковой электрод, 3 - дуант, 4 - конусы ионного источника, 5 - блокировочные конденсаторы, 6 -подставка, 7 - блок питания ионного источника, 8 — блок питания фокусирующего электрода, 9 - источник напряжения смещения дуанта и бокового электрода.

Вычисленный с помощью этих данных эффективный показатель спада представлен на Рис. 15. Здесь же представлен показатель

спада магнитного поля пм и сумма п,я + п„. Видно, что суммарный показатель спада эффективно обеспечивает вертикальную фокусировку пучка в области малых радиусов.

Рис. 15. Зависимость показателя спада магнитного поля и эффективного показателя спада электростатического поля пэл от радцуса при разных значениях иф.

Наличие больших величин радиальных составляющих электрического поля приводит к существенному изменению зависимости частоты обращения протонов от радиуса в центральной области ускорителя. Это обстоятельство позволяет с целью повышения эффективности захвата протонов в режим ускорения осуществить регулирование величины производной частотной программы и, соответственно, равновесной фазы в момент захвата. В связи с этим оказалось необходимым предусмотреть возможность для оперативной корректировки формы частотной программы ускорителя Щ) вблизи области захвата. Для этой цели были установлены специальные триммерные конденсаторы, подключенные к хвостовой части дуанта. Управление конденсаторами производится дистанционно с пульта управления синхроциклотрона. При увеличении емкости конденсаторов происходит уменьшение максимальной резонансной частоты высокочастотной системы и диапазон частот захвата сдвигается в область с меньшими значениями производной сШс^. Место подключения триммерных конденсаторов выбрано таким образом, чтобы изменение формы частотной программы осуществлялось только на начальном этапе цикла ускорения, и при этом не затрагивалась форма частотной программы в течение всей последующей части цикла.

Результаты исследования зависимости относительной величины интенсивности выведенного пучка от амплитуды импульса напряжения, подаваемого на пластины фокусирующего электрода, при различных значениях параметра Г"" представлены на Рис. 16. Величина 1о=0,1 мкА соответствует

но

1/т. г\

««г V \ Л ^ / \

а)/ \ / \ 1 \ 1 ч

(у /

Рис. 16. Зависимость интенсивности выведенного пучка от величины амплитуды импульса фокусирующего напряжения.

/С

ЛГ

го

г?

нулевому напряжению на фокусирующем электроде Чф — 0 и исходному режиму частотной программы, когда ^тах =30,1 МГц. В этом случае (кривая «а») при увеличении напряжения 1!ф от нуля до 6 кВ наблюдается повышение интенсивности выведенного пучка примерно в 4,5 раза. Однако дальнейший рост напряжения Чф приводит к уменьшению интенсивности, что объясняется влиянием радиальной составляющей электростатического поля на радиально-фазовое движение при увеличении

При

частотных

программах, соответствующих

^тах _ мрц (кривые «б» и «в»), при увеличении Чф происходит дальнейшее повышение интенсивности, по сравнению с и увеличение значений (иф)пш, при которых достигается максимум интенсивности. Значение

_ мГц. является оптимальным. Дальнейшее уменьшение и

увеличение Чф приводит уже к меньшим значениям интенсивности пучка. Это может быть объяснено тем обстоятельством, что при больших значениях и, следовательно, при больших величинах радиальной составляющей электростатического поля в центральной области имеет место несогласованность формы частотной программы и зависимости частоты обращения протона от радиуса.

Исследование влияние фокусирующей системы на спектры амплитуд радиальных колебаний показало, что при подаче напряжения на фокусирующий электрод одновременно с увеличением интенсивности внутреннего пучка происходит смещение максимума распределения в сторону меньших амплитуд на величину порядка 2-3 см и обогащение области распределения с малыми амплитудами радиальных колебаний. Вертикальный размер пучка, несмотря на увеличение интенсивности пучка, не меняется, что говорит об увеличении за счет фокусирующего устройства фазовой плотности пучка.

Разработанная и внедренная на синхроциклотроне ПИЯФ принципиально

и

новая трехэлектродная фокусирующая система синхроциклотрона позволила увеличить интенсивность ускоряемого пучка в 10 раз и довести интенсивность внутреннего пучка синхроциклотрона до 3,5 мкА, а интенсивность выведенного пучка - до 6,5-1012 част./с. На предложенную систему получено авторское свидетельство [20].

Глава 7 диссертации посвящена вопросам, связанным с созданием экспериментального комплекса синхроциклотрона ПИЯФ.

Разработанная в институте программа научных и прикладных исследований для синхроциклотрона ЛИЯФ определила основные требования к экспериментальному комплексу и к системе пучков ускорителя. Для выполнения этой программы было необходимо сформировать пучки протонов с различными параметрами, пучки 7с+- и я"-мезонов в широком диапазоне энергий вплоть до 700 МэВ, сепарированные пучки И (л"-мезонов, нейтронные пучки высоких энергий и импульсные нейтронные пучки низкой энергии. Необходимо было разработать комплекс зданий и систему радиационной защиты синхроциклотрона, которые должны были обеспечить рациональное размещение оборудования ускорителя и его экспериментальных установок, достаточно низкий радиационный фон в помещениях, где проводятся прецизионные физические измерения, и надежную защиту персонала от радиационного облучения на рабочем месте и вне зданий. Созданный на базе синхроциклотрона ПИЯФ экспериментальный комплекс включает в себя:

• оснащенный радиационной защитой экспериментальный зал, предназначенный для размещения экспериментального научного оборудования,

• измерительные залы и вычислительный центр для размещения аппаратуры для сбора, накопления и обработки информации, получаемой с экспериментальных установок,

• медицинский комплекс протонной терапии,

• нейтронный спектрометр по времени пролета ГНЕЙС,

• лаборатория ИРИС, оснащенная магнитным масс-сепаратором высокого разрешения для изучения короткоживущих нейтронодефицитных ядер, далеких от полосы бета-стабильности.

Синхроциклотрон размещен в круглом зале (главный зал) диаметром 32 м и высотой 17 м, окруженном защитными бетонными стенами толщиной от 5 до 8 м. К главному залу примыкает экспериментальный зал, имеющий форму полукольца шириной 25 м отделенный от главного зала защитной 8-метровой стеной, выполненной из тяжелого (у=4,2 т/м3) бетона, в которой на всем протяжении стены, захватывающей по азимуту около имеется

горизонтальная технологическая щель высотой 0,8 м, где установлены коллиматоры для транспортировки протонных и мезонных пучков. Остальное пространство технологической щели заполнено защитными чугунными блоками. Толщина чугунной защиты 4 м. Управление экспериментальными установками и магнитными элементами трактов пучков осуществляется из двух

примыкающих к экспериментальному измерительных залов [21]. Измерительные залы и лабораторная пристройка отделены от экспериментального защитной стеной толщиной 4 м. Наружные стены экспериментального зала имеют толщину 2 м, а потолок - 1,5 м обычного бетона. Все проемы в защитных стенах оборудованы защитными чугунными дверями толщиной 1 м. В настоящее время часть экспериментального зала используется для сооружения изохронного циклотрона ЕРионов на энергию 80 МэВ.

Схема трактов пучков синхроциклотрона ПИЯФ представлена на Рис. 20 [22]. Здесь Р1, Р2, РЗ - пучки протонов, я1 и л2 - пучки я-мезонов, ц - пучок сепарированных - импульсный пучок нейтронов малой энергии. Все

пучки проводятся на уровне 1,3 м над уровнем пола в вакуумных трубах.

Рис. 17. Общий вид комплекса зданий синхроциклотрона ПИЯФ РАН.

1 - Синхроциклотрон, 2 - главный зал, 3 - разводящий электромагнит СП-40, 4 - экспериментальный зал, 5 - мишенная комната ИРИС, 6 - лаборатория ИРИС, 7 - корпус протонной терапии, 8 - лабораторная пристройка, 9 - вычислительный центр, 10 - здание ГНЕЙС, 11 - изохронный циклотрон (сооружаемый), 12 — зал циклотрона, 13, 14 - измерительные залы, 15 - макетный зал, 16 — машинный зал систем электропитания и пульт управления, 17 - трансформаторная подстанция, 18 - лабораторный корпус.

Основные параметры протонных пучков синхроциклотрона ПИЯФ приведены в таблице 1 [23]. Таблица 1

Частицы Энергия, МэВ ДЕ/Е% Интенсивность, С'1 Канал Примечание

Р 1000 1 6-Ю12 РЗ Пучок ИРИС

Р 1000 1 10' Р2 Медицинский пучок

Р 1000 Э10ц Ю10 Р1 Спектрометрический пучок

Высокий коэффициент вывода пучка протонов из ускорительной камеры позволил по-новому подойти к формированию пучков вторичных частиц синхроциклотрона, что дало возможность полностью отказаться от использования внутренних мезонообразующих мишеней. Основные параметры мезон-ных пучков синхроциклотрона ПИЯФ представлены в таблице 2.

Таблица 2

Пучки вторичных частиц

Частицы Импульс, МэВ/с ДР/Р, % Интенсивность, С'1 Канал Примечание

л* 450 б 106 7[1 ахромтич.

я' 450 6 3-Ю5 канал

я" 250 2.5 -12 105 - 5-10® %г ахромтич. канал

250 2.5-12 3-105-107

И* 29 12 3-Ю4

Ц" 160 10 9104 ц-канал

и* 170 10 3-Ю5

Тракты пучков синхроциклотрона ПИЯФ созданы на базе магнитов и квадрупольных линз, разработанных в НИИЭФА им. Ефремова. Для стабилизации токов в магнитных элементах в институте был разработан комплекс систем стабилизации на современных электронных компонентах и с центральным опорным напряжением, обеспечивающий стабильность тока питания магнитных элементов на уровне

Значительным этапом в развитии исследований на мезонных пучках синхроциклотрона явилось создание канала с пролетной частью, состоящей из последовательности квадрупольных линз [25]-[27]. Расчет и оптимизация параметров канала проводились как аналитическими методами, так и с помощью разработанных в институте программ МЕЗОН и ОПТИМУМ, осуществляющих моделирование и оптимизацию параметров пучков частиц второго и третьего поколений по методу Монте-Карло. Параметры пучков канала представлены в таблице 2.

Одним из перспективных направлений использования протонного пучка синхроциклотрона ПИЯФ РАН является протонно-лучевая терапия различных заболеваний головного мозга. Первоначально на синхроциклотроне, энергия протонов в котором фиксирована и равна 1000 МэВ, предполагалось использовать протонный пучок, предварительно замедленный в полиэтиленовом замедлителе до энергии около 200 МэВ. Однако проведенные оценки показали, что параметры полученного таким способом пучка из-за страгглинга и многократного рассеяния протонов в веществе

бы требованиям протонной терапии. В связи с этим в Гатчине совместно с ЦНИРРИ МЗ РФ был разработан новый метод формирования глубинных дозных полей с использованием облучения напролет узкими пучками протонов с энергией 1000 МэВ в комбинации с двухосевым плавным вращением объекта облучения относительно неподвижного объекта облучения [28]-[32]. Исследования, проведенные на фантомах, показали, что с помощью этого метода можно обеспечить очень высокое (до 200/1) отношение дозы в зоне облучения к дозе на поверхности объекта. Основные преимущества метода: возможность формирования дозных полей с очень высоким краевым градиентом, что позволяет концентрировать поглощенную энергию облучения в очаге поражения при минимальных радиационных нагрузках на окружающие ткани.

Оптическая схема тракта протонной терапии представлена на Рис. 18. Значительный запас интенсивности протонного пучка, выведенного из ускорительной камеры, позволил использовать простейшую схему тракта, состоящую из удаленного источника, сформированного в зале ускорителя с помощью набора коллиматоров, и дублета магнитных квадрупольных линз, расположенного в зале облучения пациентов на расстоянии 3,5 м от стола облучения. При выходе из зала ускорителя пучок отклоняется поворотным магнитом СП-40 на угол 5°, что обеспечивает очистку пучка от нейтронов и других вторичных частиц, рожденных при коллимации пучка в зале ускорителя.

СЬнхрацимотром

Рис. 18 Оптическая схема протонного медицинского тракта синхроциклотрона ПИЯФ.

1 и 4 - Магниты-корректоры, 2 - коллиматоры, 3 - отклоняющий магнит СП-40, 5 - противоореольный коллиматор, 6 - дублет линз квадрупольных линз, 7 - стол облучения больного, 8 — глушитель протонного пучка.

С 1975 года и по настоящее время протонный пучок синхроциклотрона ПИЯФ систематически используется для облучения различных участков головного мозга при лечении заболеваний центральной нервной системы и гипофиза (аденомы гипофиза, артериовенозные аневризмы головного мозга, эпилепсия, офтальмопатия, диабетическая ретинопатия и др.). На сегодняшний

день курс протонной терапии на синхроциклотроне ПИЯФ прошли более 1200 больных. Клиническая ремиссия отмечена в 85% случаев.

Успехи, достигнутые при клиническом использовании протонов с энергией 1000 МэВ, позволяют ставить вопрос о дальнейшем развитии этого направления. Для реализации возможности дальнейшего развития протонной терапии на синхроциклотроне в Гатчине в 1987 году был создан второй специализированный медицинский протонный тракт ускорителя [33], [34], который обеспечивает вывод протонного пучка из ускорительной камеры параллельно с выводом основного пучка для физических и прикладных исследований. Для этой цели была использована часть ускоренного пучка, которая в процессе регенеративного вывода не попадает в магнитный канал, а проходит вблизи внутренней стенки канала, где магнитное поле ослаблено на величину в несколько кГс.

Другим экспериментальным комплексом, который был создан на синхроциклотроне ПИЯФ РАН, был комплекс уникального времяпролетного нейтронного спектрометра ГНЕЙС, предназначенный для исследования взаимодействия нейтронов с атомными ядрами в диапазоне энергий от 10*2 эВ до сотни МэВ [35].

Сброс протонного пучка на мишень, установленную ниже средней плоскости зазора, осуществляется с помощью импульсного дефлектора, описанного в главе 5 диссертации. Выше средней плоскости над мишенью, симметрично относительно средней плоскости зазора магнита, располагается полиэтиленовый замедлитель, также имеющий форму параллелепипеда. Взаимное расположение мишени и замедлителя показано на вставке рис. 20, где приведена общая схема спектрометра ГНЕЙС. Длительность импульса пучка составляет около 10 нс. и частота повторения импульсов 50 Гц.

Нейтронные пучки по вакуумным пролетным базам выводятся через бетонную стену главного зала синхроциклотрона наружу, в отдельно стоящее здание-ангар, в котором имеется экспериментальный зал площадью 200 м2 и лабораторно-измерительные помещения. На концах пролетных баз, имеющих в настоящее время длину 35-5-50 м, в пределах экспериментального зала-ангара установлены нейтронные ловушки из стали и бетона.

Одним из наиболее перспективных направлений исследований в области ядерной физики является изучение ядер, удаленных от полосы с

помощью магнитного сепаратора, работающего в линию с протонным пучком.

Для создания новой лаборатории ИРИС было необходимо решить ряд научно-технических задач. Во-первых, для данной лаборатории было необходимо обеспечить работу на толстой мишени с пучком полной интенсивности, что невозможно сделать в экспериментальном зале по соображениям радиационной защиты. В связи с этим для размещения мишени магнитного сепаратора лаборатории ИРИС была построена специальная пристройка к экспериментальному залу с мишенной комнатой, оснащенной системой радиационной защиты и глушения пучка полной интенсивности. Кроме того, необходимо

Рис. 19. Общий вид нейтронного спектрометра ГНЕЙС.

было разработать социальный протонный тракт лаборатории ИРИС, с помощью которого протонный пучок полной интенсивности с малыми потерями можно было бы доставить в мишенную комнату, находящуюся на расстоянии 60 м от выводного окна ускорителя. Оптическая схема тракта включает в себя 5 дублетов квадрупольных линз и один квартет квадрупольных линз, установленный непосредственно у мишени сепаратора. Протонный тракт такой длины для снижения потерь пучка при его транспортировке требует очень тонкой настройки, и поэтому оснащен набором вертикальных и горизонтальных магнитов-корректоров и профилометрами пучка [36], [37].

Важным направлением использования протонного пучка синхроциклотрона ПИЯФ является изучение радиационной стойкости изделий электронной техники, используемых для космических исследований и в военной технике. Для этих целей на синхроциклотроне был создан специальный протонный пучок переменной энергии [38], позволяющий проводить облучение изделий в диапазоне энергий от 200 до 1000 МэВ.

В заключении диссертации представлены результаты проделанной работы по разработке и созданию основных систем синхроциклотрона ПИЯФ РАН и связанного с ним экспериментального комплекса, сформулированы научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

Список опубликованных работ по материалам диссертации

1. Н.К.Абросимов, Синхроциклотрон ФТИ им. А.Ф. Иоффе АН СССР на энергию протонов 1 ГэВ, АЭ, 1969, т. 27, № 6, стр. 584-585.

2. Н.К.Абросимов, Д.Г.Алхазов, С.П.Дмитриев, В.А.Елисеев, Д.М.Каминкер, А.В.Куликов, ГА.Рябов, Н.Н.Чернов, И.В.Гусев, Е.Г.Комар, И.Ф.Малышев, Н.А.Моносзон, В.И.Перегуд, Б.В.Рождественский, И.М.Ройфе, Е.В.Середенко, А.Т.Чесноков, Синхроциклотрон ФТИ АН СССР на энергию протонов 1 ГэВ, Труды VII Международной конференции по ускорителям частиц высоких энергий (Ереван, 1969), 1970, т. 1, стр. 317-323.

3. Н.К.Абросимов, ДГАлхазов, С.П.Дмитриев, В.А.Елисеев, ДМ.Каминкер, А.В.Куликов, Ю.Т.Миронов, Г.Ф.Михеев, Г.А.Рябов, Н.Н.Чернов, В.И.Шалманов, Е.Г.Комар, И.Ф.Малышев, Н.А.Моносзон, В.И.Перегуд, Б.В.Рождественский, И.М.Ройфе, Е.В.Середенко, Ленинградский синхроциклотрон на энергию протонов 1 ГэВ, ЖТФ, 1971, т. 41, вып. 9, стр. 1769-1775.

4. Н.К.Абросимов, А.АБоробьев, Синхроциклотрон Ленинградского института ядерной физики им. Б.П.Константинова АН СССР, Вестник АН СССР.1972, № 11, стр. 42.

5. Н.К.Абросимов, В.А.Елисеев, И.А.Петров, ГА.Рябов, Н.Н.Чернов, Магнитное поле синхроциклотрона ФТИ им. А.Ф.Иоффе АН СССР на энергию протонов 1 ГэВ, ЖТФ, 1971, т. 41, стр. 1781-1786.

6. Н.К.Абросимов, Г.В.Осипов, Деполяризация частиц при ускорении в магнитных системах ускорителей типа фазотрон или циклотрон, ЖТФ, 1968, т. 38, № 1, стр. 93-99.

7. Н.К.Абросимов, В.А.Елисеев, Г.А.Рябов, И.И.Ткач, Автоматизированная координатная система для магнитных измерений, ПТЭ, 1968, № 6, стр. 217-220.

8. Н.К.Абросимов, ДГАлхазов, С.П.Дмитриев, А.В.Куликов, Г.Ф.Михеев, Н.Н.Чернов, И.В.Гусев, ДИ.Егоров, И.М.Ройфе, Е.В.Середенко, Е.П.Хальчицкий, Высокочастотная система синхроциклотрона ФТИ АН СССР на энергию протонов 1 ГэВ, Труды VII Международной конференции по ускорителям частиц высоких энергий (Ереван, 1969), 1970, т. 1, стр. 349-355.

9. Н.К.Абросимов, ДГАлхазов, С.П.Дмитриев, ДИ.Егоров, А.В.Куликов, И.Ф.Малышев, Г.Ф.Михеев, В.И.Перегуд, И.М.Ройфе, Е.В.Середенко, Е.П.Хальчицкий, Н.Н.Чернов, Основные характеристики высокочастотной системы синхроциклотрона ФТИ АН СССР, ЖТФ.1971, т. 41, вып. 6, стр. 1222-1230.

10. Н.К.Абросимов, С.П.Дмитриев, Г.Ф.Михеев, АБ.Куликов, Е.В.Середенко, Н.Н.Чернов, Устройство связи генераторной лампы с резонансной системой синхроциклотрона, Авторское свидетельство № 270131 по заявке 1329593 с приоритетом от 28.04.1969 г., Бюллетень изобретений, 1970, № 16.

11. Н.К.Абросимов, А.В.Куликов Г.Ф.Михеев, Устройство для регулирования и оптимизации амплитудной программы ускоряющего напряжения синхроциклотрона, Авторское свидетельство № 475948 по заявке 1959563 с приоритетом от 17.03.1973 г., Бюллетень изобретений, 1973, №27, стр. 227.

12. Н.К.Абросимов, В.АБолченков, ВА.Елисеев, ГА.Рябов, Н.Н.Чернов, Эффективный вывод протонного пучка синхроциклотрона на 1 ГэВ ФТИ СССР, ЖТФ, 1970, т. 40, стр. 2593-2596.

13. Н.К.Абросимов, В.АБолченков, В.А.Елисеев, ГА.Рябов, Н.Н.Чернов, Вывод протонного пучка синхроциклотрона ФТИ им. А.Ф. Иоффе на энергию протонов 1 ГэВ, Труды II Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц (Москва, 1970), 1972, т. 2, стр. 182-184.

14. Н.К.Абросимов, А.В.Куликов, ГФ.Михеев, Способ формирования импульса вторичных частиц на внутренних мишенях синхроциклотрона, Авторское свидетельство № 997593 с приоритетом от 14.04.1981 г.

15. Н.К.Абросимов, Р.П.Девятериков, А.ГКотов, А.В.Куликов, Г.Ф.Михеев, Н.Н.Чернов, В.И.Юрченко, Совмещенная система для увеличения длительности и быстрого сброса протонного пучка синхроциклотрона, Труды III Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. (Москва, 1972), 1973, т. 2, стр. 94-98.

16. Н.К.Абросимов, АБ.Куликов, Г.Ф.Михеев, Н.Н.Чернов, Способ уменьшения потерь частиц в синхроциклотроне при использовании временной растяжки пучка с помощью СИ-электрода, Авторское свидетельство № 497934 от 8.09.75,1975 г. с приоритетом от 3.01.1974 г.

17. Н.К.Абросимов, Г.З.Борухович, ДМКаминкер, А.В.Куликов, Г.Ф.Михеев, Г.А.Петров, Н.Н.Чернов, Гатчинский нейтронный спектрометр на базе синхроциклотрона ФТИ («ГНЕЙС»), Материалы Всесоюзного совещания, Нейтронная физика, Киев: Наукова думка, 1972, часть II, стр. 188.

18. Н.К.Абросимов, Г.З.Борухович, А.В Куликов, ЛАЛевицкий, Г.Ф.Михеев, ГАЛетров, Н.Н.Чернов, В.И.Юрченко, Нейтронный спектрометр по времени пролета на базе синхроциклотрона ЛИЯФ им. Б.П.Константинова АН СССР, в кн. «Нейтронная физика» (Материалы 3-й Всесоюзной конференции по нейтронной физике, Киев, 9—13 июля 1975 г.) М.: ЦНИИ атоминформ, 1976, часть 6, стр. 221-226.

19. Н.К.Абросимов, С.П.Дмитриев, А.В.Куликов, Г.Ф.Михеев, Г.А.Рябов, Увеличение интенсивности пучка синхроциклотрона ЛИЯФ за счет увеличения электростатической фокусировки в центральной области, Труцы VI Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц (Дубна, 1978), 1979, т. 1, стр. 277-280.

20. Н.КАбросимов, АВ.Куликов, Г.Ф.Михеев, Фокусирующее устройство синхроциклотрона, Авторское свидетельство № 743243 от 28.02.1980 г. Бюллетень изобретений, 1980, №23, стр. 341.

21. Н.К.Абросимов, А.А.Александров, ДМ.Каминкер, Ю.Т.Миронов, Эффективность защиты синхроциклотрона ЛИЯФ им. Б.П.Константинова АН СССР, Труды IV Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, 1975, т. 2, стр. 231-235.

22. Н.К.Абросимов, С.П.Дмитриев, ВАЕлисеев, А.В.Куликов, Ю.Т.Миронов, Г.Ф.Михеев, Г.А.Рябов, Н.Н.Чернов, Современное состояние синхроциклотрона на энергию протонов 1 ГэВ в Гатчине, Труды VII Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц (Дубна, 1980), 1981, т. 2, стр. 75-79.

23. Н.КАбросимов, С.П.Дмитриев, ВАЕлисеев, Е.М.Иванов, А.В.Куликов, Г.Ф.Михеев, Г.А.Рябов, Реконструкция тракта протонного пучка синхроциклотрона ЛИЯФ, Труды IX Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, 1985, т. 1, стр. 348.

24. Н.К.Абросимов, С.П.Дмитриев, ВАЕлисеев, Е.М.Иванов, А.В.Куликов, Г.Ф.Михеев, Г.А.Рябов, Реконструкция тракта протонного пучка синхроциклотрона ЛИЯФ, Труды IX Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, 1985, т. 1, стр. 348.

25. Н.КАбросимов, Д.М.Каминкер, ИАЛетров, С.Г.Шерман, К теории канала, составленного из магнитных квадрупольных линз, для получения чистых пучков мю-мезонов различной энергии, ЖТФ, 1964, т. 34, стр. 313-318, Труды Международной конференции по ускорителям высоких энергий (Дубна, 1963), Атомиздат, 1964, стр. 821-825.'

26. Н.К.Абросимов, ВАНиколаева, С.Г.Шерман, Относительно вычисления эффективности мю-мезонного канала, ЖТФ, 1965, т. 35, стр. 2248-2249.

27. Н.К.Абросимов, ВАВолченков, ВАЕлисеев, Е.М.Иванов, АВ.Куликов, Г.АРябов, Мю-мезонный канал на синхроциклотроне в Гатчине, Труды V Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц (Дубна, 1976), 1978, т. 1,стр. 183-187.

28. Н.К.Абросимов, Д.Л.Карлин, БАКоннов, Б.В.Низковолос, ААВоробьев, А.В.Куликов, Г.А.Рябов, Состояние и перспективы развития медицинского протонного тракта на синхроциклотроне в Гатчине, Медицинская радиология, 1983, № З.стр. 28-32.

29. Н.КАбросимов, ВАВолченков, ВАЕлисеев, Е.М.Иванов, А.В.Куликов, Г.А.Рябов, Б.В.Виноградов, В.Я.Герченштейн, Д.Л.Карлин, БАКоннов, Б.В.Низковолос, Новый медицинский протонный тракт синхроциклотрона ЛИЯФ АН СССР, Труды VIII Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, 1983, т. 2, стр. 94-98.

30. Н.К.Абросимов, АА.Воробьев, Е.АЖербин, БА.Коннов, Протонная терапия на синхроциклотроне в Гатчине, Вестник АН СССР, 1985, № 5, стр. 84-91.

31. Н.К.Абросимов, А.АВоробьев, ВАЕлисеев, Е.М.Иванов, Г.Ф.Михеев, ГА.Рябов, ЕА.Жербин, Д.Л.Карлин, БА.Коннов, ЛА.Мельников, Современное состояние медицинского протонного тракта синхроциклотрона ЛИЯФ АН СССР, Вопросы атомной науки и техники, серия «Электрофизическая аппаратура», 1987, вып. 23, стр. 61-66.

32. Н.К.Абросимов, А.АВоробьев, ВАЕлисеев, Е.М.Иванов, Г.Ф.Михеев, Г.АРябов, ЕА.Жербин, Д.Л.Карлин, Б.АКоннов, В.Н.Кузьмин, В.Б.Низковолос, КЯ.Сеничев, Л.АМельников, Б.В.Виноградов, Клинические и физико-технические исследования на син-

хроциклотроне Ленинградского института ядерной физики АН СССР, Медицинская радиология, 1987, №8, стр. 10-16.

33. Н.К.Абросимов, А.А.Александров, В.А.Волченков, ВАЕлисеев, И.Б.Зеличенок, Е.М.Иванов, Ю.Т.Миронов, М.С.Перский, Д.В.Решетников, Г.А.Рябов, Б.З.Сандлер, Вывод постоянно действующего пучка для протонной терапии на синхроциклотроне ЛИЯФ, Труды X Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц (Дубна, 1986), 1987, т. 2, стр.174.

34. Н.К.Абросимов, А.А.Александров, Г.З.Борухович, В.А.Волченков, ВА. Елисеев, И.Б.Зеличенок, Е.М.Иванов, Д.Л.Карлин, Ю.Т.Миронов, М.С.Перский, Д.В.Решетников, Г.А.Рябов, Б.З.Сандлер, Б.А.Коннов, Разработка двухкабинного медицинского комплекса для протонной терапии, Медицинская радиология, 1987, № 8, стр. 26-29.

35. N.K.Abrosimov, G.Z.Borukhovich, A.B.Laptev, V.V.Marchenkov, GAPetrov, OA.Shcherbakov, Y.V.Tuboltsev, V.LYurchenko. Neutron time-of-flight spectrometer GNEIS at the Gatchina 1 GeV proton synchrocyclotron, NIM, 1985, v. A242, p.121-133.

36. Н.К.Абросимов, А.В.Куликов, Г.Ф.Михеев, Устройство для измерения > профилей пучка-ускорителей заряженных частиц. Авторское свидетельство № 1101009 с приоритетом от 30.06.82,1982 г.

37. Н.К.Абросимов, А.В.Куликов, Г.Ф.Михеев, Полупроводниковый профилометр для синхроциклотрона ЛИЯФ АН СССР, Труды IX Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных v частиц (Дубна, 16-18 октября 1984 г.), 1985, т. 1, стр. 348-350.

38. Н.К.Абросимов, Е.М.Иванов, Ю.Т.Миронов, Г.А.Рябов, М.Г.Тверской, «Пучок протонов переменной энергии синхроциклотрона ПИЯФ - новые возможности для изучения радиационных эффектов», Вопросы атомной науки и техники (ВАНТ), серия «Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру», М., 2003, вып. 4, стр. 43-45.

Отпечатано в типографии ПИЯФ РАН

188300, Гатчина Ленинградской обл., Орлова роща Зак. 192, тир. 100, уч-изд. л. 2; 20.05.2004 г.

IM 2 5 8 1

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 протонов 1 ГэВ. Исследовательский реактор института был пущен в эксплуатацию в 1959 году, ускоритель - в 1970 году. После завершенияительства в 1971 году Филиал ФТИ был преобразован в самостоятельный Ленинградский (теперь Петербургский) институт ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН (ПИЯФ 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 проводиться 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 им.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 ПИЯФ 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 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,

• формирование с точностью на уровне 1(Г* 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 и % и ц-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 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 шимм) 0,5 м, индукция магнитного поля в центре 1,9 Тл, внешние габариты 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 ста-торные 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 м3 и рабочим вакуумом 2-10"6 мм Нё (1,510"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 предполагалось 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 бетатронных 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 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-электрода 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-электроде по частоте и фазе с ускоряющим напряжением на основном дуанте. Это позволило 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 которого 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 пользования. 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 л-мезонных пучков высоких и низких энергий,

• комбинированный л-ц-мезонный канал на внешней мишени,

• тракт 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"2эВ до сотни МэВ. По принятому для характеристики нейтронных источников и времяпро-летных спектрометров 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 % 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 (д-мезона (цЗЯ-метод).

Как одно из ответвлений ц-мезонного канала был создан я-мезонный канал низких энергий, на котором были сформированы пучки тс-мезоннов низкой энергии и пучки так называемых поверхностных (/-мезонов, образованных в результате распада п-мезонов, остановившихся в мезонообразующей мишени. Исследование свойств поверхностных ц+-мезонов послужило началом целой серии физических экспериментов по точному измерению времени жизни п+ 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 ней-тронодефицитных ядер, далеких от полосы (3-стабильности. Комплекс включает в себя экспериментальный зал с мишенной комнатой и лабораторный корпус. В экспериментальном зале ИРИС установлен разработанный в институте магнитный масс-сепаратор, 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 МЗ 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: Калифорнийский Университет (США), Абилинский университет (США); Институт физики излучений ядерной физики Бонского Университета (Германия); Брукхейвенская Национальная 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 прикладных работ института. В 1996 году синхроциклотрон ПИЯФ решением МинПромНауки РФ получил статус уникальной установки Российской Федерации национальной значимости.

7.5. Основные результаты главы 7 212

Заключение 214

Список опубликованных работ по материалам диссертации 219