Создание и дальнейшее усовершенствование синхроциклотрона на энергию 1 ГэВ ПИЯФ РАН

• Автор: Абросимов, Николай Константинович
• Шифр специальности: 01.04.20
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Гатчина
• Количество страниц: 233 с. : ил.

Введение. История вопроса.

В середине 50-х годов было принято правительственное решение о создании на базе Ленинградского Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе АН СССР (ФТИ) Филиала института, в который предполагалось перевести из ФТИ все исследования в области физики ядра и элементарных частиц. Местом создания Филиала был выбран город Гатчина Ленинградской области. В качестве основных базовых экспериментальных установок Филиала ФТИ было решено построить модернизированный исследовательский реактор ВВР-М мощностью 10 МВт и самый крупный в своем классе синхроциклотрон на рекордную для этого типа ускорителей энергию ускоряемых протонов 1 ГэВ. Исследовательский реактор института был пущен в эксплуатацию в 1959 году, ускоритель - в 1970 году. После завершения строительства в 1971 году Филиал ФТИ был преобразован в самостоятельный Ленинградский (теперь Петербургский) институт ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН (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 ДЭЗ 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 КГ* в зазоре электромагнита заданного распределения азимутально-симметричного магнитного поля,
• создание высокочастотной резонансной системы синхроциклотрона с рекордным перекрытием по частоте ускоряющего напряжения, равным 2,3,

• создание высокоэффективной системы вывода пучка из ускорительной камеры;

• создание высокоэффективной системы временной растяжки пучка,

• создание импульсного дефлектора для однооборотного сброса пучка на внутреннюю нейтронообразующую мишень,
• создание электростатической фокусирующей системы для центральной области ускорителя, где действуют силы пространственного заряда, ограничивающие интенсивность ускоряемого пучка,
• создание системы формирования и транспортировки пучков протонов и пучков вторичных частиц: нейтронов или р-мезонов,
• разработка и создание экспериментального комплекса синхроциклотрона для проведения на пучках ускорителя научных и прикладных работ.
Решение этих проблем потребовало поиск принципиально новых подходов к созданию ряда узлов и систем ускорителя. Многие из найденных в ходе разработки ускорителя технических решений были защищены авторскими свидетельствами.
Сложной технической проблемой было создание электромагнита синхроциклотрона и формирование в зазоре электромагнита заданного распределения магнитного поля, необходимого для обеспечения 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

при р- = const имеем
dy d0
Суммарная деполяризация будет
я fm(U
Dm = -J-J- L (2-94)
c —L I
10=0«.
<295>

где суммирование ведется по всем возможным резонансам.
При этом под величиной fra следует понимать коэффициенты
а,, р<т, 6,, к,, к(, Xt, ц и а, определяемые формулами (2.79) - (2.86) , а под величиной
рт , соответственно, £, £ + m, £± 1 - n , £ ± Jn , ± Vn . При этом в первых двух случаях pm = const, а в остальных рт зависит от 0 через величину п
Таким образом, при ускорении в синхроциклотроне первично -поляризованных частиц на некоторых радиусах возникает ряд резонансов, которые могут привести к деполяризации пучка. Значения этих радиусов определяются условиями (2.90) и для ряда резонансов, зависят от распределения показателя спада магнитного поля по радиусу
dy cVCosm,
ускорителя, а также от закона изменения величины
d0 пЕ0
Количество резонансных радиусов зависит от конечной энергии ускоряемых частиц. В случае pm= const положение резонансных радиусов определяется условиями Gy = ( или £ + m
Gy = £ ± л/п (2.96)
Gy = £±Jl-n где ^ = 0, 1,2,., ш = 0, 1,2,.
Величина деполяризации, вносимой резонансами, определяется величиной гармоник составляющих вектора возмущений магнитного поля b и их производных по г и z., а в ряде случаев также и амплитудами свободных бетатронных колебаний ах и az
2.3..Выбор параметров магнитного поля синхроциклотрона, анализ допусков
2.3.1 Требования к радиальному распределению магнитного поля