Циклотрон как инжектор для синхротрона
Перейти к содержимому

Циклотрон как инжектор для синхротрона

  • автор:

Синхротрон и изохронный циклотрон

f совпадает с частотой вра­щения лишь небольшой группы частиц.

Синхротрон работает в импульсном режиме с частотой повторения циклов, равной частоте модуляции высокого напряже­ния. Длительность отдельного импульса порядка сотен микросе­кунд. Вследствие этого ток ускоренных частиц не превосходит 2—3 мкА, наружу выводится лишь несколько процентов внутреннего тока.

DE/E @ 10 -2 , внутренняя мишень может служить источником мезонов. Ускоряются протоны, дейтоны и a-частицы сотен МэВ. Epmax 800—1000 МэВ.

Циклотрон с ази­мутальной вариацией магнитного поля (изо­хронный циклотрон). fВЧ= const. увеличивается по радиусу и варьируется по азимуту. Фокусирующие силы больше дефокусирующих. Токи близки к циклотронным, энергия достигает нескольких сотен МэВ. Предусматривается изме­нение энергии частиц в десять и более раз. DE/E @ 0,2%

Задача. Оценить радиус и массу магнита гатчинского синхроциклотрона на 1 ГэВ при B = 2 Тл.

r = Еполн/qBc = (931 + 1000) *1,610 -13 /1,610 -19 2*310 8 = 3,2 м

Синхротроны

Циклические ускорители с переменным во времени магнитным полем и изменяемой частотой.

Частица движется по окружно­сти с постоянным радиусом внутри тороидальной камеры. Магнит ускори­теля кольцевой с радиусом до нескольких тысяч м, а энергию частиц до сотен ГэВ. режим работы – импульсный (5 — 10 имп/мин с 10 12 -10 14 p/имп)

В электронных синхротронах после инжектора ve = c f = const и изменяется только B.

Электро­ны при движении по окружности генерируют тормозное излучение. Интенсивность растёт с уменьшением R и увеличением E.

При Ee = 10 ГэВ и R = 30 м потери на излучение за 1 оборот составляют 29,5 МэВ. Ie несколько мкА

Электронные синхротроны создаются для генерации синхротронного излучения,

Например, на Курчатовском источнике СИ, который относится источникам 2-го поколения, энергия электронов равна 2.5 ГэВ. У первых источников время жизни электронов в кольце составляло около часа, у второго поколения — 10 часов, у третьего приближается к 100 часам.

Курчатовский источник синхротронного излучения (КИСИ) представляет собой сложный инженерный комплекс, в состав которого входит форинжектор — линейный ускоритель электронов на энергию 80-100 МэВ, малое накопительное кольцо «Сибирь-1» на энергию 450 МэВ и большое накопительное кольцо «Сибирь-2» на энергию 2,5 ГэВ. Комплекс предназначен для генерации ярких пучков электромагнитного излучения в ИК, УФ и рентгеновской областях спектра в диапазоне длин волн от 0,1 до 2000 .Проектные параметры

Параметры накопителей

Циклотрон как инжектор для синхротрона

Ускорители заряженных частиц – установки для ускорения заряженных частиц до энергий, при которых они могут использоваться для физических исследований, в промышленности и медицине. При сравнительно низких энергиях ускоренные частицы используют, например, для получения изображения на экране телевизора или электронного микроскопа, генерации рентгеновских лучей (электронно-лучевые трубки), разрушения раковых клеток, уничтожения бактерий. При ускорении заряженных частиц до энергий, превышающих 1 мегаэлектронвольт (МэВ) их используют для изучения структуры микрообъектов (например, атомных ядер) и природы фундаментальных сил. В этом случае ускорители заряженных частиц выполняют роль источников пробных частиц, зондирующих изучаемый объект.

Место ускорителя в физическом эксперименте.

Роль ускорителя в современном физическом эксперименте поясняется рисунком. Коллимированный пучок пробных частиц от ускорителя направляют на исследуемую тонкую мишень, содержащую, например, ядра какого-либо химического элемента, и рассеянные мишенью пробные частицы или другие продукты их взаимодействия с ядрами мишени регистрируют детектором или системой детекторов. Анализ результатов эксперимента даёт сведения о природе взаимодействия и структуре исследуемого объекта.
Необходимость использования ускорителей для исследования таких микрообъектов как атомные ядра и элементарные частицы обусловлена следующим. Во-первых, атомные ядра и элементарные частицы занимают малые области пространства (R < 10 -12 см), и проникновение в эти области требует высокой разрешающей способности (а значит и энергии) зондирующего пучка, обеспечивающей взаимодействие отдельной пробной частицы с отдельным микрообъектом. Во-вторых, чем меньше микрообъект, тем он прочнее и проведение экспериментов с перестройкой или разрушением внутренней структуры такого объекта также требует всё большей энергии.
Зная размеры изучаемого объекта, легко оценить энергию пробных частиц, необходимую, для его изучения. Частицы обладают волновыми свойствами. Длина волны частицы зависит от её импульса р и даётся формулой де Бройля

Здесь h – постоянная Планка, а 1 Фм = 10 -13 см. Приведённая формула даёт также связь между длиной волны релятивистской частицы и её кинетической энергией Е в мегаэлектронвольтах.
В эксперименте по рассеянию структура объекта становится “видимой” (посредством, например, дифракции дебройлевских волн), если длина волны де Бройля сравнима или меньше размера (радиуса) объекта R, т.е. при λ При использовании в качестве зондирующих частиц электронов внутрь ядра можно “заглянуть”, если энергия электрона будет превышать 100 МэВ. Для наблюдения структуры нуклона энергия электрона должна уже исчисляться гигаэлектронвольтами (1 ГэВ = 10 9 эВ).
Ускорители различаются типом ускоряемых частиц, характеристиками пучка (энергией, интенсивностью и др.), а также конструкцией. Наиболее распространены ускорители электронов и протонов, поскольку пучки этих частиц проще всего приготовить. В современных ускорителях, предназначенных для изучения элементарных частиц, могут ускоряться античастицы (позитроны, антипротоны), и для увеличения эффективности использования энергии частиц их пучки в ряде установок, называемых коллайдерами, после завершения ускорительного цикла сталкиваются (встречные пучки).
Любой ускоритель конструктивно состоит из трёх частей – системы, где “изготавливаются” ускоряемые частицы (инжектор), ускорительной системы, где низкоэнергичные частицы от инжектора (обычно сформированные в виде локализованных в пространстве сгустков) увеличивают в высоком вакууме энергию до проектной, и системы транспортировки (вывода) пучка к экспериментальной установке.
Условно, с точки зрения траектории, по которой частицы двигаются в процессе ускорения, ускорители можно разбить на два класса – линейные (и прямого действия) и циклические. В линейных ускорителях частицы в процессе ускорения двигаются прямолинейно, а в циклических – либо по одной и той же замкнутой траектории, многократно проходя одни и те же ускоряющие промежутки (синхротроны), либо по траектории, напоминающей раскручивающуюся спираль (циклотроны, микротроны, фазотроны).

Подробнее см. раздел «Ускорители».

ПИРАМИДА ЯДЕРНОГО ВЕКА. ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ДУБНЕНСКОГО СИНХРОФАЗОТРОНА

Пятнадцатого марта нынешнего года исполнилось 50 лет с момента пуска знаменитого синхрофазотрона в подмосковном городе Дубна. Статья, написанная на основе архивных и опубликованных документов, рассказывает о непростой истории его создания.

Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Так выглядит синхрофазотрон на 10 ГэВ в Дубне.

Циклотрон американского физика Э. Лоуренса (1901-1958), схема и внешний вид вакуумной камеры со снятой крышкой. На снимке видны ускоряющие электроды — дуанты.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Изохронный циклотрон для ускорения тяжелых ионов У-400 в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в Дубне.

Академик РАН Е. Л. Фейнберг (1912-2005), теоретик циклотронной бригады, доказавший устойчивость принципа автофазировки.

Академик Украинской АН А. И. Лейпунский (1907-1972) на основе принципа автофазировки предложил конструкцию ускорителя, впоследствии названного синхрофазотроном.

Схема слабофокусирующего синхрофазотрона в Дубне на 10 ГэВ: 1 — основная орбита; 2 — сектор (квадрант) электромагнита; 3 — вакуумная камера; 4 — ярмо электромагнита; 5 — обмотка электромагнита; 6 — пучок частиц; 7 — ускоритель-инжектор и устройство ввода.

Доктор физико-математических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, лауреат Ленинской премии О. Д. Казачковский (р. 1915) один из первых теоретиков синхрофазотрона.

Схема сильнофокусирующего синхрофазотрона: qm — угловой размер магнитного блока; l — длина промежутка, свободного от поля; 1 — поперечное сечение вакуумной камеры; 2 — обмотки магнита.

Здание синхрофазотрона в 1950-е годы.

Слева — доктор технических наук профессор Л. П. Зиновьев (1912-1998), справа — академик АН СССР В. И. Векслер (1907-1966) в период создания синхрофазотрона.

В 1957 году Советский Союз осуществил революционный научный прорыв сразу в двух направлениях: в октябре был запущен первый искусственный спутник Земли, а за несколько месяцев до этого, в марте, в Дубне начал работать легендарный синхрофазотрон — гигантская установка для исследования микромира. Эти два события потрясли весь мир, и слова «спутник» и «синхрофазотрон» прочно вошли в нашу жизнь.

Синхрофазотрон представляет собой один из видов ускорителей заряженных частиц. Частицы в них разгоняют до больших скоростей и, следовательно, до высоких энергий. По результату их соударений с другими атомными частицами судят о строении и свойствах материи. Вероятность соударений определяется интенсивностью ускоренного пучка частиц, то есть количеством частиц в нем, поэтому интенсивность наряду с энергией — важный параметр ускорителя.

Ускорители достигают огромных размеров, и неслучайно писатель Владимир Карцев назвал их пирамидами ядерного века, по которым потомки будут судить об уровне нашей техники.

До постройки ускорителей единственным источником частиц высоких энергий были космические лучи. В основном это протоны с энергией порядка нескольких ГэВ, свободно приходящие из космоса, и вторичные частицы, возникающие при их взаимодействии с атмосферой. Но поток космических лучей хаотичен и имеет малую интенсивность, поэтому со временем для лабораторных исследований стали создавать специальные установки — ускорители с контролируемыми пучками частиц высокой энергии и большей интенсивности.

В основе работы всех ускорителей лежит хорошо известный факт: заряженную частицу разгоняет электрическое поле. Однако получить частицы очень большой энергии, ускоряя их лишь один раз между двумя электродами, нельзя, так как для этого пришлось бы приложить к ним огромное напряжение, что технически невозможно. Поэтому частицы больших энергий получают, многократно пропуская их между электродами.

Ускорители, в которых частица проходит через последовательно расположенные ускоряющие промежутки, называются линейными. С них началось развитие ускорителей, но требование к увеличению энергии частиц вело к практически нереально большим длинам установок.

В 1929 году американский ученый Э. Лоуренс предложил конструкцию ускорителя, в котором частица движется по спирали, проходя многократно один и тот же промежуток между двумя электрода ми. Траекторию частицы искривляет и закручивает однородное магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости орбиты. Ускоритель был назван циклотроном. В 1930-1931 годах Лоуренс с сотрудниками соорудил в Калифорнийском университете (США) первый циклотрон. За это изобретение он в 1939 году был удостоен Нобелевской премии.

В циклотроне однородное магнитное поле создает большой электромагнит, а электрическое поле возникает между двумя полыми электродами D-образной формы (отсюда их название — «дуанты»). К электродам приложено переменное напряжение, которое меняет полярность всякий раз, когда частица делает пол-оборота. Благодаря этому электрическое поле всегда ускоряет частицы. Эту идею нельзя было бы осуществить, если бы частицы с разными энергиями имели разные периоды обращения. Но, к счастью, хотя скорость с ростом энергии растет, период обращения остается постоянным, поскольку диаметр траектории увеличивается в том же отношении. Именно это свойство циклотрона и позволяет использовать для ускорения постоянную частоту электрического поля.

Вскоре циклотроны начали создавать в других исследовательских лабораториях.

О необходимости создания в Советском Союзе серьезной ускорительной базы было заявлено на правительственном уровне в марте 1938 года. Группа исследователей Ленинградского физико-технического института (ЛФТИ) во главе с академиком А. Ф. Иоффе обратилась к председателю СНК СССР В. М. Молотову с письмом, в котором предлагалось создать техническую базу для исследований в области строения атомного ядра. Вопросы строения атомного ядра стали одной из центральных проблем естествознания, а Советский Союз в их решении значительно отставал. Так, если в Америке имелось по крайней мере пять циклотронов, то в Советском Союзе не было ни одного (единственный циклотрон Радиевого института АН (РИАН), пущенный в 1937 году, из-за дефектов проектирования практически не работал). Обращение к Молотову содержало просьбу создать условия для окончания к 1 января 1939 года постройки циклотрона ЛФТИ. Работу по его созданию, начатую в 1937 году, приостановили из-за ведомственных неувязок и прекращения финансирования.

Действительно, в момент написания письма в правительственных кругах страны было явное недопонимание актуальности исследований в области атомной физики. По воспоминаниям М. Г. Мещерякова, в 1938 году даже встал вопрос о ликвидации Радиевого института, который, по чьему-то мнению, занимался никому не нужными исследованиями урана и тория, в то время как страна стремилась увеличить добычу угля и выплавку стали.

Письмо к Молотову возымело действие, и уже в июне 1938 года комиссия от Академии наук СССР, которую возглавил П. Л. Капица, по запросу правительства дала заключение о необходимости строить цикло-трон ЛФТИ на 10-20 МэВ, в зависимости от типа ускоряемых частиц, и совершенствовать циклотрон РИАНа.

В ноябре 1938 года С. И. Вавилов в обращении в президиум АН предложил строить циклотрон ЛФТИ в Москве и перевести в состав Физического института АН (ФИАН) из ЛФТИ лабораторию И. В. Курчатова, которая занималась его созданием. Сергей Иванович хотел, чтобы центральная лаборатория по изучению атомного ядра располагалась там же, где находилась Академия наук, то есть в Москве. Однако его не поддержали в ЛФТИ. Споры закончились в конце 1939 года, когда А. Ф. Иоффе предложил создать сразу три циклотрона. 30 июля 1940 года на заседании президиума АН СССР было решено поручить РИАНу в текущем году дооборудовать действующий циклотрон, ФИАНу — к 15 октября подготовить необходимые материалы по строительству нового мощного циклотрона, а ЛФТИ — окончить строительство циклотрона в первом квартале 1941 года.

В связи с этим решением в ФИАНе создали так называемую циклотронную бригаду, в которую вошли В. И. Векслер, С. Н. Вернов, П. А. Черенков, Л. В. Грошев и Е. Л. Фейнберг. 26 сентября 1940 года бюро Отделения физико-математических наук (ОФМН) заслушало информацию В. И. Векслера о проектном задании на циклотрон, одобрило его основные характеристики и смету на строительство. Циклотрон был рассчитан на ускорение дейтронов до энергии 50 МэВ. ФИАН планировал начать его строительство в 1941 году и пустить в 1943-м. Намеченные планы нарушила война.

Острая необходимость в создании атомной бомбы заставила Советский Союз мобилизовать усилия в исследовании микромира. Один за другим построили два циклотрона в Лаборатории № 2 в Москве (1944, 1946 годы); в Ленинграде после снятия блокады восстановили циклотроны РИАН и ЛФТИ (1946 год).

Проект фиановского циклотрона хотя и был утвержден перед войной, но стало ясно, что конструкция Лоуренса исчерпала себя, так как энергия ускоренных протонов не могла превысить 20 МэВ. Именно с этой энергии начинает сказываться эффект увеличения массы частицы при скоростях, соизмеримых со скоростью света, который следует из теории относительности Эйнштейна:

,

где m 0 — масса покоя частицы; v — ее cкорость; с — скорость света.

Вследствие роста массы нарушается резонанс между прохождением частицы через ускоряющий промежуток и соответствующей фазой электрического поля, что влечет за собой торможение.

Следует заметить, что циклотрон предназначен для ускорения только тяжелых частиц (протонов, ионов). Это связано с тем, что из-за слишком малой массы покоя электрон уже при энергиях 1-3 МэВ достигает скорости, близкой к скорости света, вследствие чего его масса заметно возрастает и частица быстро выходит из резонанса.

Первым циклическим ускорителем электронов стал бетатрон, построенный Керстом в 1940 году по идее Видероэ. В основе бета-трона лежит закон Фарадея, согласно которому при изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, в этом контуре возникает электродвижущая сила. В бетатроне замкнутым контуром служит поток частиц, движущихся по кольцевой орбите в вакуумной камере постоянного радиуса в постепенно нарастающем магнитном поле. Когда магнитный поток внутри орбиты возрастает, возникает электродвижущая сила, тангенциальная составляющая которой ускоряет электроны. В бетатроне, подобно циклотрону, существует ограничение для получения частиц очень высокой энергии. Это связано с тем, что, согласно законам электродинамики, движущиеся по круговым орбитам электроны излучают электромагнитные волны, которые при релятивистских скоростях уносят очень много энергии. Для компенсации этих потерь требуется значительно увеличивать размер сердечника магнита, что имеет практический предел.

Таким образом, к началу 1940-х годов возможности получения более высокой энергии как протонов, так и электронов были исчерпаны. Для дальнейших же исследований микромира требовалось увеличить энергию ускоренных частиц, поэтому остро встала задача поиска новых методов ускорения.

В феврале 1944 года В. И. Векслер выдвинул революционную идею, как преодолеть энергетический барьер циклотрона и бета-трона. Она была настолько проста, что казалось странным, почему к ней не пришли раньше. Идея состояла в том, что при резонансном ускорении частоты обращения частиц и ускоряющего поля должны постоянно совпадать, иными словами, быть синхронными. При ускорении тяжелых релятивистских частиц в циклотроне для синхронизации предлагалось изменять частоту ускоряющего электрического поля по определенному закону (в дальнейшем такой ускоритель получил название синхроциклотрона).

Для ускорения релятивистских электронов был предложен ускоритель, получивший в дальнейшем название синхротрона. В нем ускорение осуществляется переменным электрическим полем постоянной частоты, а синхронизм обеспечивается изменяющимся по определенному закону магнитным полем, которое удерживает частицы на орбите постоянного радиуса.

Для практических целей требовалось теоретически удостовериться, что предложенные процессы ускорения устойчивы, то есть при незначительных отклонениях от резонанса фазировка частиц осуществится автоматически. Физик-теоретик циклотронной бригады Е. Л. Фейнберг обратил на это внимание Векслера и сам же строго математически доказал устойчивость процессов. Именно поэтому идея Векслера получила название «принцип автофазировки».

Для обсуждения полученного решения в ФИАНе провели семинар, на котором Векслер сделал вводный доклад, а Фейнберг — доклад об устойчивости. Работу одобрили, и в том же 1944 году журнал «Доклады Академии наук СССР» опубликовал две статьи, в которых рассматривались новые способы ускорения (в первой статье речь шла об ускорителе на основе кратных частот, впоследствии названном микротроном). Их автором значился только Векслер, а имя Фейнберга вообще не упоминалось. Очень скоро роль Фейнберга в открытии принципа автофазировки была незаслуженно предана полному забвению.

Спустя год принцип автофазировки независимо открыл американский физик Э. МакМиллан, однако приоритет сохранился за Векслером.

Следует заметить, что в ускорителях, основанных на новом принципе, в явном виде проявилось «правило рычага» — выигрыш в энергии повлек проигрыш в интенсивности пучка ускоренных частиц, что связано с цикличностью их ускорения в отличие от плавного ускорения в циклотронах и бета-тронах. На этот неприятный момент сразу указали на сессии Отделения физико-математических наук 20 февраля 1945 года, однако тогда же все единодушно пришли к выводу, что данное обстоятельство ни в коем случае не должно препятствовать реализации проекта. Хотя, к слову сказать, борьба за интенсивность впоследствии постоянно досаждала «ускорительщикам».

На той же сессии по предложению президента Академии наук СССР С. И. Вавилова было принято решение незамедлительно строить ускорители двух типов, предложенные Векслером. 19 февраля 1946 года Специальный комитет при Совнаркоме СССР поручил соответствующей комиссии разработать их проекты с указанием мощности, сроков изготовления и места строительства. (От создания циклотрона в ФИАНе отказались.)

В результате 13 августа 1946 года одновременно вышло два постановления Совета министров СССР, подписанные председателем Совета министров СССР И. В. Сталиным и управляющим делами Совета министров СССР Я. Е. Чадаевым, по созданию синхроциклотрона на энергию дейтронов 250 МэВ и синхротрона на энергию 1 ГэВ. Энергия ускорителей диктовалась в первую очередь политическим противостоянием США и СССР. В США уже создали синхроциклотрон на энергию дейтронов порядка 190 МэВ и начали строить синхротрон на энергию 250-300 МэВ. Отечественные ускорители по энергии должны были превосходить американские.

С синхроциклотроном связывали надежды на открытие новых элементов, новых способов получения атомной энергии из более дешевых, чем уран, источников. С помощью синхротрона намеревались искусственным путем получать мезоны, которые, как предполагали советские физики в то время, способны вызывать расщепление ядер.

Оба постановления вышли с грифом «Совершенно секретно (особая папка)», так как строительство ускорителей шло в рамках проекта создания атомной бомбы. С их помощью рассчитывали получить точную теорию ядерных сил, необходимую для расчетов бомбы, которые в то время производили лишь с помощью большого набора приближенных моделей. Правда, все оказалось не так просто, как думалось поначалу, и следует заметить, что такая теория не создана и до сих пор.

Постановления определили места строительства ускорителей: синхротрона — в Москве, на Калужском шоссе (ныне Ленинский проспект), на территории ФИАНа; синхроциклотрона — в районе Иваньковской ГЭС, в 125 километрах к северу от Москвы (в то время Калининская область). Первоначально создание обоих ускорителей поручили ФИАНу. Руководителем работ по синхротрону был назначен В. И. Векслер, а по синхроциклотрону — Д. В. Скобельцын.

Через полгода руководитель атомного проекта И. В. Курчатов, недовольный ходом работ по фиановскому синхроциклотрону, перевел эту тему в свою Лабораторию № 2. Новым руководителем темы он назначил М. Г. Мещерякова, освободив от работы в ленинградском Радиевом институте. Под руководством Мещерякова в Лаборатории № 2 создали модель синхроциклотрона, которая уже экспериментально подтвердила правильность принципа автофазировки. В 1947 году началось строительство ускорителя в Калининской области.

14 декабря 1949 года под руководством М. Г. Мещерякова синхроциклотрон был успешно пущен в намеченный срок и стал первым в Советском Союзе ускорителем такого типа, перекрыв энергию созданного в 1946 году аналогичного ускорителя в Беркли (США). Он оставался рекордным вплоть до 1953 года.

Первоначально лаборатория, основанная на базе синхроциклотрона, в целях секретности называлась Гидротехнической лабораторией АН СССР (ГТЛ) и была филиалом Лаборатории № 2. В 1953 году ее преобразовали в самостоятельный Институт ядерных проблем АН СССР (ИЯП), который возглавил М. Г. Мещеряков.

Создание синхротрона по ряду причин не удалось осуществить. Во-первых, из-за непредвиденных трудностей пришлось построить два синхротрона на меньшие энергии — 30 и 250 МэВ. Их расположили на территории ФИАНа, а синхротрон на 1 ГэВ решили строить за пределами Москвы. В июне 1948 года ему выделили место в нескольких километрах от уже строящегося синхроциклотрона в Калининской области, но и там его так и не построили, так как предпочтение было отдано ускорителю, предложенному академиком Украинской академии наук Александром Ильичом Лейпунским. Произошло это следующим образом.

В 1946 году А. И. Лейпунский на основе принципа автофазировки выдвинул идею о возможности создания ускорителя, в котором соединялись особенности синхротрона и синхроциклотрона. Впоследствии Векслер назвал такой тип ускорителя синхрофазотроном. Название становится понятным, если учесть, что синхроциклотрон поначалу называли фазотроном и в соединении с синхротроном получается синхрофазотрон. В нем в результате изменения управляющего магнитного поля частицы движутся по кольцу, как в синхротроне, а ускорение производит высокочастотное электрическое поле, частота которого меняется во времени, как в синхроциклотроне. Это позволяло значительно увеличить энергию ускоряемых протонов по сравнению с синхроциклотроном. В синхрофазотроне протоны предварительно ускоряются в линейном ускорителе — инжекторе. Введенные в основную камеру частицы под действием магнитного поля начинают в ней циркулировать. Такой режим называется бетатронным. Затем включается высокочастотное ускоряющее напряжение на электродах, размещенных в двух диаметрально противоположных прямолинейных промежутках.

Из всех трех типов ускорителей, основанных на принципе автофазировки, синхрофазотрон в техническом отношении наиболее сложен, и тогда многие сомневались в возможности его создания. Но Лейпунский, уверенный, что все получится, смело взялся за реализацию своей идеи.

В 1947 году в Лаборатории «В» вблизи станции Обнинское (ныне город Обнинск) специальная ускорительная группа под его руководством начала разработку ускорителя. Первыми теоретиками синхрофазотрона стали Ю. А. Крутков, О. Д. Казачковский и Л. Л. Сабсович. В феврале 1948 года прошла закрытая конференция по ускорителям, на которой кроме министров присутствовали А. Л. Минц, известный уже в то время специалист по радиотехнике, и главные инженеры ленинградских заводов «Электросила» и трансформа торного. Все они заявили, что предложенный Лейпунским ускоритель сделать можно. Обнадеживающие первые теоретические результаты и поддержка инженеров ведущих заводов позволили начать работу над конкретным техническим проектом большого ускорителя на энергию протонов 1,3-1,5 ГэВ и развернуть экспериментальные работы, подтвердившие правильность идеи Лейпунского. К декабрю 1948 года технический проект ускорителя был готов, а к марту 1949 года Лейпунский должен был представить эскизный проект синхрофазотрона на 10 ГэВ.

И вдруг в 1949 году, в самый разгар работ, правительство решило передать начатую работу по синхрофазотрону в ФИАН. Зачем? Почему? Ведь ФИАН уже занимается созданием синхротрона на 1 ГэВ! Да в том-то и дело, что оба проекта, и синхрофазотрона на 1,5 ГэВ, и синхротрона на 1 ГэВ, были слишком дорогими, и возник вопрос об их целесообразности. Окончательно его разрешили на одном из специальных заседаний в ФИАНе, где собрались ведущие физики страны. Они сочли ненужным сооружение синхротрона на 1 ГэВ из-за отсутствия большого интереса к ускорению электронов. Главным оппонентом такой позиции выступал М. А. Марков. Основной его аргумент состоял в том, что изучать и протоны, и ядерные силы гораздо эффективнее с помощью уже хорошо изученного электромагнитного взаимодействия. Однако отстоять свою точку зрения ему не удалось, и положительное решение оказалось в пользу проекта Лейпунского.

Рушилась заветная мечта Векслера построить самый крупный ускоритель. Не желая мириться со сложившейся ситуацией, он при поддержке С. И. Вавилова и Д. В. Скобельцына предложил отказаться от сооружения синхрофазотрона на 1,5 ГэВ и приступить к проектированию ускорителя сразу на 10 ГэВ, ранее порученному А. И. Лейпунскому. Правительство приняло это предложение, так как в апреле 1948 года стало известно о проекте синхрофазотрона на 6-7 ГэВ в Калифорнийском университете и хотелось хоть на время оказаться впереди США.

2 мая 1949 года вышло постановление Совета министров СССР о создании синхрофазотрона на энергию 7-10 ГэВ на территории, ранее отведенной для синхротрона. Тему перевели в ФИАН, а ее научно-техническим руководителем назначили В. И. Векслера, хотя дела у Лейпунского шли вполне успешно.

Объяснить это можно, во-первых, тем, что Векслер считался автором принципа автофазировки и, по воспоминаниям современников, к нему очень благоволил Л. П. Берия. Во-вторых, С. И. Вавилов был в то время не только директором ФИАНа, но и президентом АН СССР. Лейпунскому предложили стать заместителем Векслера, но он отказался и в дальнейшем в создании синхрофазотрона не участвовал. По словам заместителя Лейпунского О. Д. Казачковского, «ясно было, что два медведя в одной берлоге не уживутся». Впоследствии А. И. Лейпунский и О. Д. Казачковский стали ведущими специалистами по реакторам и в 1960 году были удостоены Ленинской премии.

В постановлении имелся пункт о переводе на работу в ФИАН сотрудников Лаборатории «В», занимавшихся разработкой ускорителя, с передачей соответствующего оборудования. А передавать было что: работу над ускорителем в Лаборатории «В» к тому моменту довели до стадии модели и обоснования основных решений.

Не все с воодушевлением восприняли перевод в ФИАН, так как с Лейпунским легко и интересно работалось: он был не только прекрасным научным руководителем, но и замечательным человеком. Однако отказаться от перевода было практически невозможно: в то суровое время отказ грозил судом и лагерями.

В состав группы, переведенной из Лаборатории «В», входил инженер Л. П. Зиновьев. Он, как и другие члены ускорительной группы, в лаборатории Лейпунского сначала занимался разработкой отдельных узлов, необходимых для модели будущего ускорителя, в частности ионного источника и высоковольтных импульсных схем для питания инжектора. Лейпунский сразу обратил внимание на грамотного и творческого инженера. По его указанию Зиновьева первым привлекли к созданию опытной установки, в которой можно было смоделировать весь процесс ускорения протонов. Тогда никто не мог предположить, что, став одним из первопроходцев в работе по воплощению идеи синхрофазотрона в жизнь, Зиновьев окажется единственным человеком, который пройдет все этапы его создания и совершенствования. И не просто пройдет, а возглавит их.

Теоретические и экспериментальные результаты, полученные в Лаборатории «В», были использованы в ФИАНе при проектировании синхрофазотрона на 10 ГэВ. Однако повышение энергии ускорителя до этой величины потребовало значительных доработок. Трудности его создания в очень большой степени усугублялись тем, что в то время во всем мире отсутствовал опыт сооружения столь больших установок.

Под руководством теоретиков М. С. Рабиновича и А. А. Коломенского в ФИАНе сделали физическое обоснование технического проекта. Основные составляющие синхрофазотрона разработали московский Радиотехнический институт АН и ленинградский НИИ под руководством их директоров А. Л. Минца и Е. Г. Комара.

Для получения необходимого опыта решили построить модель синхрофазотрона на энергию 180 МэВ. Ее расположили на территории ФИАНа в специальном здании, которое из соображений секретности назвали складом № 2. В начале 1951 года все работы по модели, включая монтаж оборудования, наладку и комплексный ее пуск, Векслер возложил на Зиновьева.

Фиановская модель отнюдь не была малюткой — ее магнит диаметром 4 метра весил 290 тонн. Впоследствии Зиновьев вспоминал, что, когда собрали модель в соответствии с первыми расчетами и попытались ее пустить, поначалу ничто не работало. Пришлось преодолеть множество непредвиденных технических трудностей, прежде чем модель запустили. Когда в 1953 году это произошло, Векслер сказал: «Ну все! Иваньковский синхрофазотрон работать будет!» Речь шла о большом синхрофазотроне на 10 ГэВ, который уже начали сооружать в 1951 году в Калининской области. Строительство осуществляла организация под кодовым названием ТДС-533 (Техническая дирекция строительства 533).

Незадолго до пуска модели в одном американском журнале неожиданно появилось сообщение о новой конструкции магнитной системы ускорителя, названной жесткофокусирующей. Она выполняется в виде набора чередующихся секций с противоположно направленными градиентами магнитного поля. Это значительно уменьшает амплитуду колебаний ускоряемых частиц, что в свою очередь позволяет значительно уменьшить диаметр вакуумной камеры. В результате экономится большое количество железа, идущего на постройку магнита. К примеру, ускоритель в Женеве на энергию 30 ГэВ, основанный на жесткой фокусировке, имеет втрое большую энергию и втрое большую длину окружности, чем дубненский синхрофазотрон, а его магнит в десять раз легче.

Конструкцию магнитов жесткой фокусировки предложили и разработали американские ученые Курант, Ливингстон и Снайдер в 1952 году. За несколько лет до них то же самое придумал, но не опубликовал Кристофилос.

Зиновьев сразу оценил открытие американцев и предложил перепроектировать дубненский синхрофазотрон. Но для этого пришлось бы поступиться временем. Векслер сказал тогда: «Нет, хоть на один день, но мы должны оказаться впереди американцев». Вероятно, в условиях «холодной войны» он был прав — «коней на переправе не меняют». И большой ускоритель продолжили строить по ранее разработанному проекту. В 1953 году на базе строящегося синхрофазотрона создали Электрофизическую лабораторию АН СССР (ЭФЛАН). Ее директором назначили В. И. Векслера.

В 1956 году ИЯП и ЭФЛАН составили основу созданного Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ). Место его расположения стало называться городом Дубна. К тому моменту энергия протонов на синхроциклотроне составляла 680 МэВ, а строительство синхрофазотрона завершалось. С первых дней образования ОИЯИ стилизованный рисунок здания синхрофазотрона (автор В. П. Бочкарев) стал его официальным символом.

Модель помогла в решении ряда вопросов для ускорителя на 10 ГэВ, однако конструкция многих узлов из-за большой разницы в размерах претерпела значительные изменения. Средний диаметр электромагнита синхрофазотрона составил 60 метров, а вес — 36 тысяч тонн (по своим параметрам он до сих пор остается в Книге рекордов Гиннесса). Возник целый комплекс новых сложных инженерных задач, которые коллектив успешно решил.

Наконец все было готово для комплексного пуска ускорителя. По распоряжению Векслера им руководил Л. П. Зиновьев. Работы начались в конце декабря 1956 года, обстановка сложилась напряженная, и Владимир Иосифович не щадил ни себя, ни сотрудников. Нередко оставались ночевать на раскладушках прямо в огромном пультовом зале установки. По воспоминаниям А. А. Коломенского, большую часть своей неистощимой энергии в то время Векслер тратил на «выколачивание» помощи из внешних организаций и на проведение в жизнь дельных предложений, во многом исходивших от Зиновьева. Векслер высоко ценил его экспериментаторскую интуицию, которая сыграла решающую роль и в пуске ускорителя-гиганта.

Очень долго не могли получить бетатронный режим, без которого пуск невозможен. И именно Зиновьев в ответственный момент понял, что надо сделать, чтобы вдохнуть жизнь в синхрофазотрон. Эксперимент, к которому готовились две недели, к всеобщей радости, наконец-то увенчался успехом. 15 марта 1957 года дубненский синхрофазотрон заработал, о чем всему миру сообщила газета «Правда» 11 апреля 1957 года (статья В. И. Векслера). Интересно, что это известие появилось, лишь когда энергия ускорителя, постепенно поднимаемая со дня пуска, превысила энергию 6,3 ГэВ лидирующего в то время американского синхрофазотрона в Беркли. «Есть 8,3 миллиарда электронвольт!» — сообщала газета, извещая, что в Советском Союзе создан рекордный ускоритель. Сбылась заветная мечта Векслера!

16 апреля энергия протонов достигла проектной величины 10 ГэВ, но в эксплуатацию ускоритель был сдан только несколько месяцев спустя, так как оставалось еще достаточно нерешенных технических задач. И все же основное было позади — синхрофазотрон заработал.

Об этом Векслер доложил на второй сессии ученого совета Объединенного института в мае 1957 года. Тогда же директор института Д. И. Блохинцев отметил, что, во-первых, модель синхрофазотрона создали за полтора года, в то время как в Америке на это ушло около двух лет. Во-вторых, сам синхрофазотрон удалось пустить за три месяца, уложившись в график, хотя поначалу это казалось нереальным. Именно пуск синхрофазотрона принес Дубне первую всемирную славу.

На третьей сессии ученого совета института член-корреспондент АН В. П. Джелепов отметил, что «Зиновьев был во всех отношениях душой запуска и внес в это дело колоссальное количество энергии и усилий, именно творческих усилий в ходе наладки машины». А Д. И. Блохинцев добавил, что «Зиновьев фактически вынес на себе огромный труд комплексной наладки».

Созданием синхрофазотрона занимались тысячи людей, но Леониду Петровичу Зиновьеву в этом принадлежала особая роль. Векслер писал: «Успех запуска синхрофазотрона и возможность начала проведения широкого фронта физических работ на нем в значительной степени связаны с участием в этих работах Л. П. Зиновьева».

Зиновьев собирался после пуска ускорителя вернуться в ФИАН. Однако Векслер упросил его остаться, считая, что больше никому не мог бы доверить руководство синхрофазотроном. Зиновьев согласился и руководил работой ускорителя более тридцати лет. Под его руководством и при непосредственном участии ускоритель постоянно совершенствовали. Зиновьев любил синхрофазотрон и очень тонко чувствовал дыхание этого железного исполина. По его словам, не было ни одной, даже мало-мальской детали ускорителя, которую бы он не потрогал и назначения которой не знал бы.

В октябре 1957 года на расширенном заседании ученого совета Курчатовского института под председательством самого Игоря Васильевича семнадцать человек из разных организаций, которые участвовали в создании синхрофазотрона, были выдвинуты на самую престижную в то время в Советском Союзе Ленинскую премию. Но по условиям число лауреатов не могло превышать двенадцати человек. В апреле 1959 года премии были удостоены директор Лаборатории высоких энергий ОИЯИ В. И. Векслер, начальник отдела той же лаборатории Л. П. Зиновьев, заместитель начальника Главного управления по использованию атомной энергии при Совете министров СССР Д. В. Ефремов, директор ленинградского НИИ Е. Г. Комар и его сотрудники Н. А. Моносзон, А. М. Столов, директор московского Радиотехнического института АН СССР А. Л. Минц, сотрудники того же института Ф. А. Водопьянов, С. М. Рубчинский, сотрудники ФИАНа А. А. Коломенский, В. А. Петухов, М. С. Рабинович. Векслер и Зиновьев стали почетными гражданами Дубны.

Синхрофазотрон оставался в строю сорок пять лет. За это время на нем сделали целый ряд открытий. Модель синхрофазотрона в 1960 году переделали в ускоритель электронов, до сих пор работающий в ФИАНе.

Коломенский А. А., Лебедев А. Н. Теория циклических ускорителей . — М., 1962.

Комар Е. Г. Ускорители заряженных частиц . — М., 1964.

Ливингуд Дж. Принципы работы циклических ускорителей . — М., 1963.

Оганесян Ю. Как создавался циклотрон / Наука и жизнь, 1980 № 4, с. 73.

Хилл Р. По следам частиц . — М., 1963.

Прецизионные методы анализа динамики пучка в циклотроне тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, доктор наук Смирнов Виктор Леонидович

Оглавление диссертации доктор наук Смирнов Виктор Леонидович

Глава 1: программы анализа динамики пучка в циклотронах

1.7 Программы, базирующиеся на использовании пакета Matlab

1.8 Advanced Orbit Code

1.10 Заключительные выводы

Глава 2: Методы и алгоритмы проектирования компактного циклотрона

2.1 Расчет электромагнитных полей структурных элементов

2.2 Интегрирование уравнений движения

2.3 Создание модели пучка макро-частиц

2.4 Формирование управляющего магнитного поля. Фазовое движение

2.5 Проектирование центральной зоны циклотрона

2.6 Орбитальная устойчивость. Центрирование

2.7 Расчет пространственного заряда пучка

2.8 Моделирование выводной системы

2.9 Оценка потерь частиц на поверхностях структурных элементов

2.10 Перезарядка частиц на остаточном газе и вследствие электромагнитной обдирки

2.11 Оценка влияния резонансов

2.12 Процесс проектирования установки циклотронного типа

2.13 Программный комплекс SNOP

Глава 3: Ультракомпактный сверхпроводящий ПЭТ циклотрон

3.1 Магнитная структура

3.2 Ускоряющая система

3.3 Структура центральной зоны

3.4 Организация получения изотопов

3.5 Исследование влияния неточностей изготовления и сборки

3.6 Ввод ускорителя в эксплуатацию

3.7 Заключительные выводы

Глава 4: Сверхпроводящий циклотрон для протонной терапии

4.1 Основные требования к циклотрону для протонной терапии

4.2 Магнитная структура

4.3 Ускоряющая система

4.4 Центральная область

4.5 Выводная система

4.6 Динамика пучка

4.7 Исследование влияния ошибок изготовления и сборки

4.8 Заключительные выводы

Глава 5: Циклотрон-инжектор для углеродной терапии

5.1 Аксиальная линия инжекции

5.2 Центральная область циклотрона

5.3 Зона ускорения

5.4 Выводная система

5.5 Улучшение операционных характеристик циклотрона

5.6 Ввод ускорителя в эксплуатацию

5.7 Заключительные выводы

Глава 6: Проектирование и модернизация ускорителей для медицинских применений

6.1 Модернизация центральной зоны компактного циклотрона ЫКБЫ Е-70 AVF

6.2 Моделирование компактного циклотрона N1^-930

6.3 Каскадная циклотронная установка для адронной терапии

6.5 Заключительные выводы

Основные результаты работы:

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника», 01.04.20 шифр ВАК

Формирование пучков для адронной терапии в циклотронах с профилированным по вертикали межполюсным зазором 2013 год, кандидат наук Костромин, Сергей Александрович
Разработка и оптимизация циклотронов для медицинских применений 2013 год, доктор физико-математических наук Карамышева, Галина Анатольевна
Динамика низкоэнергетического пучка при инжекции в циклические ускорители и накопители 2011 год, кандидат физико-математических наук Карамышев, Олег Владимирович
Комплексное моделирование компактного циклотрона 2012 год, кандидат физико-математических наук Смирнов, Виктор Леонидович
Формирование медицинского пучка в циклотроне C235-V3 для новых методов протонной терапии и роль дельта-электронов при ее реализации 2013 год, кандидат физико-математических наук Ширков, Степан Григорьевич

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Прецизионные методы анализа динамики пучка в циклотроне»

Со времени изобретения циклотрона прошло около века [1]. За это время спроектированы и введены в эксплуатацию сотни циклотронов во всем мире. Последние десятилетия характеризуются активным развитием, и использованием циклотронов, в большинстве своем компактных. Под классификацией «компактный» понимается общепринятое определение циклотронов со сплошным полюсом и единой токовой обмоткой вокруг всех секторных шимм. Основные области применения циклотронов: исследования по ядерной физике; генерация и исследование радиоактивных ионов; прикладные применения, главным образом в медицине и для детектирования взрывчатых веществ; использование циклотронов в качестве инжекторов в другие ускорители. Компактность, простота в обслуживании и сравнительно низкая стоимость явились факторами, приведшими к всеобщему распространению циклотронов. По всему миру существуют центры, занимающиеся разработкой и созданием циклотронных установок и исследованиями на них.

Независимо от цели применения циклотрона, будь то ядерная физика, либо прикладные исследования, ускорительная установка представляет собой сложную систему. Стоимость создания циклотрона на современном уровне оценивается десятками миллионов долларов, а на его проектирование уходят годы. Ускорительная физика не может обойтись без

компьютерного моделирования, которое на сегодняшний день прочно заняло свое место в ней на этапах проектирования и модернизации ускорительных установок. Численное моделирование является надежным, эффективным, и зачастую единственным способом анализа и оптимизации различных систем ускорителей.

Современный подход к моделированию циклотронной установки базируется на одновременном использовании исследователем как обширных теоретических наработок в этой области, позволяющих получать быстрые оценки параметров ускорительных систем с помощью аналитических выражений, так и современных вычислительных возможностей, позволяющих проводить максимально реалистичные расчеты. Следование такой концепции позволяет проектировать ускорительную установку коллективу из небольшого числа участников с высокой степенью эффективности.

Процесс проведения математического моделирования сформулирован А.А. Самарским [2]. «Сама постановка вопроса о математическом моделировании какого-либо объекта порождает четкий план действий. Его можно условно разбить на три этапа: модель — алгоритм — программа.

На первом этапе строится «эквивалент» объекта, отражающий в математической форме важнейшие его свойства — законы, которым он подчиняется, связи, присущие составляющим его частям.

Второй этап — выбор (или разработка) алгоритма для реализации модели на компьютере. Модель представляется в форме, удобной для применения численных методов, определяется последовательностью вычислительных и логических операций, которые нужно произвести, чтобы найти искомые величины с заданной точностью. Вычислительные алгоритмы должны не искажать основные свойства модели и, следовательно, исходного объекта, быть экономичными и адаптирующимися к особенностям решаемых задач и используемых компьютеров.

На третьем этапе создаются программы, «переводящие» модель и алгоритм на доступный компьютеру язык. К ним также предъявляются требования экономичности и адаптивности. Их можно назвать «электронным» эквивалентом изучаемого объекта,

уже пригодным для непосредственного испытания на «экспериментальной установке» -компьютере.

Создав триаду «модель — алгоритм — программа», исследователь получает в руки универсальный, гибкий и недорогой инструмент, который вначале отлаживается, тестируется в «пробных» вычислительных экспериментах. После того как адекватность (достаточное соответствие) триады исходному объекту удостоверена, с моделью проводятся разнообразные и подробные «опыты», дающие все требуемые качественные и количественные свойства и характеристики объекта. Процесс моделирования сопровождается улучшением и уточнением, по мере необходимости, всех звеньев триады».

неизбежность использования тех или иных упрощений на этапе проектирования циклотрона компенсируется работами во время ввода установки в эксплуатацию. Поэтому, зачастую, второй этап требует временных затрат, сравнимых со временем, потраченным на расчеты. Время ввода ускорителя в эксплуатацию находится в обратной зависимости от точности, как предварительных расчетов, так и организации процесса обработки измеренных данных. С экономической и потребительской точек зрения существует востребованность в циклотронах, имеющих наименьшие размеры, вес и потребляемую мощность. Удовлетворение таких требований возможно лишь при создании установок, в идею проекта которых заложена работа на грани физико-технических возможностей. С каждым годом появляются новые идеи, новые материалы, новые потребности. Значительно усложняются системы формирования пучка внутри циклотрона. Практика показывает, что зачастую каждый новый проект ускорителя во многом, а иногда и кардинально, отличается от его прототипов. В случае ошибок на этапе проектирования экспериментальная доводка установки во время ввода её в эксплуатацию может быть значительно затруднена или вовсе невозможна. Лишь прецизионные методы моделирования и эффективные алгоритмы и инструменты, обеспечивающие высокую точность расчетов, позволяют добиться положительного результата.

Поэтому развитие и применение эффективных и максимально точных методов моделирования установок циклотронного типа и универсального и удобного в

использовании программного обеспечения, а также создание уникальных циклотронных установок, несомненно, являются актуальными и востребованными.

Данная диссертационная работа выполнена в отделе новых ускорителей ОИЯИ, где существуют давние традиции развития теории и техники ускорения заряженных частиц на базе циклотронных установок [3, 4]. Диссертация является обобщением работ, выполненных в соответствии с научно-тематическим планом ЛЯП им. В.П. Джелепова ОИЯИ в рамках проектов «Разработка циклотронов для медицинских применений» и «Развитие физико-технических методов и программ для разработки перспективных ускорителей циклотронного типа».

Цели диссертационной работы:

— разработка и внедрение новых прецизионных методов анализа динамики пучка в установках циклотронного типа;

— проектирование и создание изохронных циклотронов для научных исследований и прикладных применений с уникальными параметрами;

— повышение эффективности действующих циклотронных установок путем доработки отдельных систем на основе всестороннего анализа движения пучка с помощью созданных методов и программных пакетов.

Объектом исследования являются установки циклотронного типа. В качестве предмета исследования выступают методы и алгоритмы моделирования динамики пучка в циклотроне. Изучение проводится в процессе проектирования и модернизации циклотронов, а также обработке результатов измерений и вводе установок в эксплуатацию.

Научная новизна и практическая ценность

1. Разработаны новые методики моделирования циклотронных установок, которые, как показала практическая реализация для ряда модернизированных и введенных в эксплуатацию циклотронов, обеспечивают совпадение расчетных значений с

экспериментальными данными с точностью лучше, чем 10% по ключевым параметрам пучка на всех стадиях ускорения.

2. На основе разработанного комплексного подхода создан пакет программ для расчетов циклотронов, позволяющий рассчитывать движение пучка частиц в трехмерных электромагнитных полях сложной конфигурации с учетом трехмерной геометрической структуры элементов ускорителя, отличающийся функциональностью, интегрируемостью, производительностью и удобством в использовании. Программы позволяют учитывать асимметрию «верх-низ» установки и по результатам расчетов формулировать допуски на точность изготовления систем ускорителя.

3. Предложен и запатентован новый метод уменьшения энергетического разброса пучка в изохронных циклотронах на средние энергии (до 100 МэВ), основанный на линеаризации формы ускоряющей волны в диапазоне фаз, который занимает пучок при пересечении ускоряющих зазоров. Это приводит к созданию условий ускорения пучка, при которых выравнивается прирост энергий частицами, имеющими различные фазы, за оборот. В итоге энергетический разброс пучка на входе в выводную систему уменьшается на порядок. Действие метода экспериментально подтверждено в сеансе работы циклотрона RIKEN K-70 AVF (RIKEN, Япония) в режиме ускорения протонов до 20 МэВ.

4. Разработан и запатентован новый способ аксиальной инжекции пучка в циклотрон с полями до 4.5 Тл. За счет использования спирального инфлектора нового типа пучок частиц переводится в медианную плоскость под определенным углом, а сам инфлектор и его инфраструктура при этом смещены относительно медианной плоскости в аксиальном направлении. Таким образом, создается пространственное разделение в аксиальном направлении между траекториями частиц и инфлектором. Это позволяет осуществить первый оборот, не задев пучком систему инфлектора. Предложенный способ открывает возможность создания компактных сверхпроводящих циклотронов с высокими магнитными полями (4-5 Тл).

5. Созданные методы, алгоритмы и программы широко использовались для проектирования и модернизации различных циклотронных установок в различных мировых научных центрах, в значительной части которых расчеты привели к практической

реализации (RIKEN (Вако, Япония), NIRS (Тчиба, Япония), IMP (Ланьчжоу, Китай), MSU (Лансинг, США), Ionetix (Лансинг, США), Osaka University (Осака, Япония), ASIPP (Хефэй, Китай), VECC (Кольката, Индия), National Nuclear Energy Agency of Indonesia, BATAN (Джокьякарта, Индонезия)).

6. Подготовлен концептуальный проект сверхпроводящего циклотрона для производства медицинских изотопов ION-12SC (США), на основе которого установка создана и запущена в серийное производство. Циклотроны изготовлены в соответствии со сформулированными на основании выполненных расчетов допусками изготовления и позиционирования узлов установки. В процессе наладки ускорителей серии проведена коррекция магнитного поля, и эффективность трансмиссии пучка увеличена на 85%. К настоящему моменту изготовлено семь циклотронов, которые успешно используется в медицинских центрах.

7. Проработан концептуальный проект компактного циклотрона-инжектора HIMM (Heavy Ion Medical Machine, Ланьчжоу, Китай) для углеродной терапии. Изменение проекта привело к шестикратному повышению расчетной интенсивности конечного пучка. Циклотрон изготовлен и введен в эксплуатацию. По сравнению с существующим циклотроном-инжектором, предназначенным для аналогичных целей и используемым в институте современной физики, созданный циклотрон обеспечивает пучок на порядок большей интенсивности (10 мкА) и обладает в 3.5 раза меньшим весом.

8. Спроектирована новая центральная зона циклотрона RIKEN K-70 AVF (RIKEN, Япония), установка которой привела к повышению энергии протонного пучка с 14 до 30 МэВ за счет перехода в режим ускорение на 1-ой кратности ВЧ.

9. Подготовлены концептуальные проекты серии сверхпроводящих медицинских циклотронов для адронной терапии:

а. компактный циклотрон K230 (Pronova, США), предназначенный для производства протонов с энергией 230 МэВ и их использования в протонной терапии; системы циклотрона обладают высокой функциональностью и эффективностью, дающими возможность формирования ускоряемого пучка в широком диапазоне фаз и обеспечивающими эффективность вывода пучка до 90% с варьируемой

интенсивностью; проект включает требования на точность изготовления и позиционирования узлов ускорителя; б. ускорительная установка, предназначенная для адронной терапии, и базирующаяся на использовании каскада сверхпроводящих ускорителей; основной циклотрон K1600 является секторным и ускоряет ионы углерода 12С6+ до энергии 400 МэВ/нукл.; в качестве инжектора используется компактный изохронный циклотрон K280, предназначенный для получения пучков 2H+ ионов, углерода и протонов с энергией 70 МэВ/нукл.; комплекс является многофункциональным и позволяет как нарабатывать медицинские изотопы, так и осуществлять протонную и углеродную терапию; требуемые параметры пучков достигаются за счет использования эффективных систем инжекции, ускорения и вывода пучка, обеспечивающих коэффициент проводки пучка не менее 70%.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. разработанные методы и алгоритмы анализа динамики пучка в циклотронах, а также программное обеспечение, позволяющие получать расчетные данные, которые согласуются с измерениями с точностью лучше 10%;

2. сверхпроводящий ультракомпактный циклотрон ION-12SC, предназначенный для производства радиоизотопов, с магнитным полем 4.5 Тесла, что является самым высоким уровнем поля среди изохронных циклотронов и приводит к тому, что установка имеет минимальные размеры и вес; методы коррекции поля, обеспечившие повышение интенсивности пучка на 85%;

3. проработка концептуального проекта введенного в эксплуатацию углеродного циклотрона-инжектора HIMM, приведшая к шестикратному повышение интенсивности пучка; совпадение измеренной эффективности трансмиссии и интенсивности пучка с расчетными данными в пределах 10%;

4. двукратное повышение энергии выведенного пучка в циклотроне RIKEN K-70 AVF за счет разработки новой центральной зоны;

5. концептуальный проект сверхпроводящего циклотрона К230 для протонной терапии с эффективностью вывода пучка до 90% и возможностью вариации интенсивности и качества пучка, включающий трехмерные модели основных узлов циклотрона; детальный анализ динамики пучка в ускорителе, содержащий исследование влияния неточностей сборки частей магнита, его асимметрии и магнитных свойств стали на параметры пучка; геометрические допуски на производство и позиционирование частей циклотрона;

6. способ значительного снижения величины энергетического разброса в ускоренном пучке;

7. способ аксиальной инжекции пучка в компактный циклотрон с уровнем магнитного поля до 4.5 Тл.

Личный вклад автора в положения, выносимые на защиту.

Вся работа, результаты которой представлены в настоящей диссертации, выполнена либо лично автором, либо при его определяющем участии.

В процессе разработки и создания циклотрона ЮN-12SC автор был ответственным за концептуальный проект, участвовал в разработке технического проекта и проводил обработку измеренных данных, проектировал системы коррекции магнитного поля и формулировал направления модификации системы, которые в итоге привели к получению проектных параметров пучка на бета-версии ускорителя и серийных циклотронах.

Участие в создании циклотрона Н1ММ заключалось в глубокой проработке концептуального проекта, который был изначально подготовлен институтом современной физики и базировался лишь на аналитических расчетах и не обеспечивал требуемые параметры конечного пучка.

Новая центральная зона циклотрона RIKEN К-70 AVF изготовлена в соответствии с расчетами и чертежами, подготовленными автором.

Достоверность полученных результатов подтверждается тем, что часть разработок автора получили воплощение в реальных ускорительных установках, введенных в

эксплуатацию и выведенных на проектные мощности. Спроектированные автором узлы циклотронов, находящихся в стадии модернизации, установлены в ускорители и показали свою эффективность. Полученные результаты многократно сравнивались с экспериментальными данными и расчетами других авторов, опубликованы в ведущих рецензируемых журналах и заслужили положительные отзывы на профильных российских и международных конференциях. Обзорные публикации автора цитируются признанными экспертами циклотронной физики.

Основные результаты диссертационной работы были представлены на семинарах ЛЯП по проблемам ускорителей заряженных частиц, Общелабораторных семинарах ЛЯП, семинаре НТОУ ЛЯР, на международных конференциях и совещаниях: Mathematical Modeling and Computational Physics MMCP’2009, Laboratory of Information Technologies, JINR, Дубна, Россия; 19th International Conference on Cyclotrons and their Applications, CYCL0TR0NS10, Lanzhou, China; 14th International Conference on Ion Sources, Giardini-Naxos, Italy, 2011; NIRS accelerator seminar, Department of Accelerator and Medical Physics, NIRS, Chiba, Japan, 2011; Information meeting, National Superconducting Cyclotron Laboratory, MSU, Michigan, USA, 2011; International Particle Accelerator Conference IPAC’12, New Orleans, USA, 2012; XXIII Russian Particle Accelerator Conference RUPAC 2012, Saint-Petersburg, Russia, 2012; 26th International Linear Accelerator Conference, LINAC12, Tel Aviv, Israel, 2012; XXIV Russian particle accelerators conference RUPAC 2014, Obninsk, Russia, 2014; 5th International Particle Accelerator Conference, IPAC’14, Dresden, Germany; HIAT 2015, 13th International Conference on Heavy Ion Accelerator Technology, RIKEN, RCNP, NIRS, University of Tsukuba, JAEA, Yokohama, Japan; 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, August 5-7, Tsuruga, Japan; 12th European Conference on Accelerators in Applied Research and Technology (ECAART12), Finland, 2015; XXV Russian Particle Accelerator Conference RUPAC 2016, Peterhof, St. Petersburg, Russia, 2016; 21st International Conference on Cyclotrons and their Applications, Paul Scherrer Institute, PSI, and

the Swiss Federal Institute of Technology, ETH, ETH Zürich, Switzerland, 2016; European Cyclotron Progress Meeting 2018 (ECPM’2018), Dubna, Russia; International Conference on Cyclotrons and their Applications, Cape Town, 2019.

По материалам диссертации опубликовано 34 работы, из которых 18 в изданиях, рекомендованных ВАК (16 статей в журналах и 2 патента на изобретение). Часть из приведенных журнальных статей являются монографиями и написаны без соавторов.

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения.

Во введении обоснована актуальность проводимого исследования, новизна и практическая ценность диссертации.

В первой главе дан краткий обзор программного обеспечения, которое может быть использовано для моделирования динамики пучка заряженных частиц в циклотронных установках. Приведено описание структуры программ, методов, используемых в них, и их основных возможностей.

Во второй главе раскрывается методология проектирования компактного циклотрона. Приведены этапы моделирования ускорителя: основы движения заряженных частиц в электромагнитном поле; обзор аналитических и численных методов расчета динамики пучка и эффектов пространственного заряда; основные факторы, влияющие на количественные и качественные характеристики пучка. Описаны методы и приемы прецизионного анализа динамики пучка, и алгоритмы, используемые для организации эффективной работы в области проектирования новых и модернизации существующих циклотронов.

Третья глава посвящена работе по проектированию и вводу в эксплуатацию сверхпроводящего ультракомпактного циклотрона ION-12SC, предназначенного для получения радиоизотопов для медицинских применений с помощью пучка протонов с энергией 12.5 МэВ. При проектировании и изготовлении установки использованы уникальные физико-технические решения, благодаря которым впервые удалось продвинуться в область создания изохронного циклотрона со сверхвысоким уровнем

магнитного поля 4.5 Тл. Ускоритель превосходит все мировые аналоги в своем классе с точки зрения стоимости, компактности и потребительских качеств. Установка запущена в серийное производство и успешно используется в мировых медицинских центрах.

Четвертая глава содержит результаты проектирования сверхпроводящего циклотрона K230 для протонной терапии, ускоряющего протоны до энергии 230 МэВ. Физические и технические методы, используемые на этапах его разработки и создания, обеспечивают ему высокие потребительские качества и компактные размеры. При этом на новый уровень выведена простота в обслуживании и надежность в эксплуатации. Циклотрон находится в стадии изготовления.

В пятой главе приведены результаты работы по экспертной проработке концептуального проекта компактного циклотрона HIMM, предназначенного для использования в качестве инжектора в медицинский синхротронный комплекс для углеродной терапии. Ускоритель производит пучок ионов углерода с энергией 7 МэВ/нукл. Даны результаты работы, включающей моделирование всех структурных элементов машины. В результате сделаны предложения по изменению первоначального проекта установки, включающие модификации имеющихся узлов, установку новых элементов, их позиционирование, и параметры настройки режимов работы циклотрона. Результаты работы, которые позволили кардинально улучшить расчетные параметры выведенного пучка и довести их до требуемых значений, легли в основу технического проекта ускорителя, который был создан и введен в эксплуатацию. В настоящее время пучок выведен на проектные параметры, и циклотрон используется по назначению в качестве инжектора в синхротрон HIMM.

В шестой главе описаны основные результаты по моделированию ускорительных установок для медицинских применений: разработке новой центральной зоны циклотрона RIKEN K-70 AVF; анализу динамики частиц в циклотроне NIRS-930; разработке ускорительной установки для адронной терапии;

В заключении кратко суммируются результаты, полученные в работе.

Глава 1: программы анализа динамики пучка в циклотронах

Основные результаты автора диссертационной работы относятся к области разработки и применения методов моделирования циклотронных установок, а также к созданию программного обеспечения, направленного на проведение анализа динамики пучка. Поэтому целесообразно дать краткий обзор программ для проведения численных расчетов в циклотронах, которые разработаны и применяются в известных научных центрах для проектирования циклотронных установок, и привести описание основных возможностей кодов и областей их применения. В большинстве своем они используются теми людьми, которыми они созданы. Но существуют программы, которые вышли за пределы научного центра, в котором они были разработаны, и успешно применяются при разработке новых и модернизации уже существующих ускорителей по всему миру [A1].

CYCLOPS [5], возможно, является самой известной и наиболее часто используемой на сегодняшний день программой анализа динамических характеристик магнитного поля циклотрона в мире. Изначально код был разработан в Окриджской национальной лаборатории [6] и Мичиганском государственном университете [7]. С помощью программы можно анализировать все основные динамические свойства равновесных замкнутых орбит и радиальные и аксиальные бетатронные колебания частиц с достаточной эффективностью. В качестве входных данных CYCLOPS использует двумерную карту магнитного поля медианной плоскости циклотрона, что делает доступным, как анализ расчетных данных, так и измеренных магнитных полей. Формат входного поля предполагает использование полярной системы координат. Программа использует численное интегрирование канонических уравнений движения и находит матрицы перехода, используемые для расчета частот свободных колебаний. Независимой переменной интегрирования является азимутальный шаг, совпадающий с шагом сетки входного магнитного поля. В радиальном направлении используется Лагранжева интерполяция. Результатами расчетов являются данные о равновесных орбитах, бетатронных частотах и орбитальных частотах частиц. Данная программа не может помочь пользователю в случае расчета трассировки частиц в

центральной области, исследованию процесса ускорения, оценке центрирования и анализе процесса вывода пучка. Но исследователь получает возможность решить основную задачу, стоящую на этапе проектирования циклотрона, — анализ управляющего магнитного поля на предмет изохронности и обеспечения орбитальной устойчивости. CYCLOPS и коды, базирующиеся на его методах, использовались для моделирования подавляющей части существующих циклотронных установок, в том числе и рекордных, таких как TRIUMF, где требовался анализ магнитного поля с высокой точностью [8].

Программа CYCLOPS может быть использована для анализа магнитных полей с большими градиентами, но она крайне чувствительна к качеству входного магнитного поля. Поэтому часто пользователям в таких случаях приходится использовать различные техники сглаживания поля.

COSY-INFINITY [9] — это программа анализа динамики пучка, которая может быть применима к циклотронам, синхротронам, FFAG-ускорителям, а также линейным ускорителям, линиям транспортировки и радиочастотным квадруполям. На сегодняшний день на веб-сайте разработчиков программы зарегистрировано более 2500 пользователей, и результаты расчетов, полученные с помощью COSY, многократно сверялись с результатами других программ и измерений. Программа находится в свободном доступе и может быть скачана с сайта Мичиганского государственного университета [10]. Доступные версии кода, написанного на языках Fortran и C++, могут быть установлены на платформах Windows и Linux.

Алгоритмы трассировки частиц, используют симплектические методы (сохранение площади в фазовом пространстве) с минимальными изменениями в Гамильтониане. Они позволяют производить максимально точные оценки динамической апертуры ускорителя. Программа может использовать очень высокие порядки для восстановления трехмерных полей из плоскостей и нелинейные члены Гамильтониана. Также имеются инструменты для анализа нелинейных эффектов, включая смещение бетатронных частот и эффекты резонансов. Реализованы различные способы задания электромагнитных полей

структурных элементов: двумерными полями в плоскостях симметрии; распределением потенциала вдоль оси для прямолинейных элементов, таких как соленоиды и мультиполи; трехмерными полями. Существует возможность использования расчетных трехмерных полей, полученных в программе Tosca. Но в большинстве случаев используется представление полей сложными эмпирико-аналитическими формулами. Программа неоднократно была использована для моделирования FFAG-ускорителей [11], и проведены тестовые расчеты для компактного циклотрона, хотя её применение в случае анализа динамики пучка в процессе инжекции в циклотрон и выводе пучка довольно проблематично.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *