Ускорительный Центр ИТЭФ

Многоцелевой тяжелоионный ускорительно-накопительный комплекс ИТЭФ-ТВН

Инструменты пользователя

Инструменты сайта


history

История сооружения и развития ускорителей в ИТЭФ

Циклотрон

История создания ускорителей в ИТЭФ началась в 1948 году, когда был запущен циклотрон, способный ускорять протоны и ионы и предназначенный для ядерно-физических исследований1). Работы по монтажу циклотрона начались в 1946 году и проходили под руководством профессора В.В.Мигулина и главного инженера В.С.Курышева. В июне 1949 года на циклотроне был получен первый пучок ускоренных дейтронов и исследован на внутренней мишени.

Основные параметры циклотрона
Вес магнита96.6 т
Диаметр полюсов магнита1.2 м
Зазор между полюсами30 см
Максимальная напряженность магнитного поля1.6 Тл
Частота ускоряющего электрического поля10.5 МГц
Амплитуда ускоряющего напряжения между дуантами100 кВ

В циклотроне ускорялись протоны до энергии 6.2 МэВ, дейтроны до 12.5 МэВ, α-частицы до 24 МэВ. Пучок циклотрона использовался для получения нейтронов на внутренней мишени или непосредственно выводился во внешние фокусирующие каналы. Было оборудовано два канала для экспериментов с нейтронными пучками и два канала для работы с выведенным пучком. Ток дейтронов при работе на внутреннюю мишень достигал 600 мкА, ток выведенного пучка - 70 мкА.

Полученные за 20-летний период деятельности циклотрона экспериментальные данные были представлены на международных и союзных конференциях, опубликованы в научных журналах и вошли в наиболее полный атлас нейтронных сечений (BNL-325), издаваемый в США, и в библиографический указатель «Советские работы по ядерной спектроскопии», изданный АН СССР.

4 ноября 1971 года работы на циклотронной установке ИТЭФ были завершены, и циклотрон был демонтирован.

У-7

В 1958 году в ИТЭФ началось сооружение нового протонного синхротрона У-7.

Идея создания ускорителя родилась в 1952 году, когда американскими физиками 2) был предложен принцип сильной фокусировки. Для проверки этого принципа профессор В.В.Владимирский 3) и академик А.И.Алиханов предложили построить на территории института ускоритель протонов на энергию 7ГэВ 4). Ускоритель должен был стать прототипом для другого, более масштабного проекта - ускорителя протонов на 50 ГэВ.

В 1953 году ИТЭФ под руководством В.В.Владимирского началась активная деятельность по созданию команды для проектирования обоих ускорителей. Силами членов этой команды, в которую входили также Д.Г.Кошкарев, Л.Л.Гольдин, Е.К.Тарасов и Ю.Ф.Орлов, были решены основные проблемы, присущие жесткой фокусировке. Впервые в стране ими были созданы физические основы метода жесткой фокусировки, на базе которой разработаны проектные решения для сооружения двух протонных синхротронов с сильной (или жесткой) фокусировкой на энергию 7 ГэВ и 50 ГэВ. В разработку инженерной части проектов обеих установок неоценимый вклад был сделан выдающимися инженерами ИТЭФ В.С.Курышевым, И.Ф.Клеоповым и Б.М.Яковлевым.

Для ускорения ввода протонного синхротрона в эксплуатацию было принято решение временно использовать в качестве инжектора электростатический ускоритель Ван-де-Граафа с потенциалом до 5 МВ (ЭГ-5), серийно производимый в НИИЭФА. Работа по наладке генератора ЭГ-5 была выполнена под руководством Ю.Я.Лапицкого, который, кроме этого, совместно с Д.Г.Кошкаревым и Т.Г.Смолянкиной внес заметный вклад в разработку, изготовление и ввод в эксплуатацию ионопровода от ЭГ-5 к У-7.

Магнитный зал У-7, 1961 г. Запуск протонного синхротрона У-7 состоялся в 1961 году5). На ускорителе была достигнута максимальная энергия протонов 7.5 ГэВ, рабочая энергия ускорителя составляла 6.7 ГэВ, интенсивность 1×1011 частиц в импульсе при 15 имп/мин. Предварительное ускорение протонов, инжектируемых в синхротрон У-7 при энергии около 4 МэВ, осуществлялось при помощи электростатического генератора (ЭГ-5) вертикальной конструкции. Длина орбиты ускорителя составляла 251.2 м. Кольцевой магнит У-7 был собран по системе ФОДО из 98 магнитов (С-блоков) с гиперболическими полюсами, совмещающими функции поворота и фокусировки пучка, а также 14 квадрупольных линз (Х-блоков). Частота бетатронных колебаний составляла по обеим координатам 12.8, поле инжекции - 90 эрстед. Питание кольцевого магнита осуществлялось от синхронного генератора переменного тока с пиковой мощностью 37 МВт и 12-фазного игнитронного выпрямителя со схемами управления и стабилизации. Для ускорения частиц использовались пролетные трубки, размещенные внутри Х-блоков ускорителя. Выходные каскады усилителей, питающих пролетные трубки, перестраивались по частоте от 0.77 до 8.33 МГц. Ускорительный комплекс был оборудован двумя экспериментальными залами. Физические эксперименты проводились на пучках вторичных частиц, генерируемых на внутренних мишенях.

Накопленный в процессе проектирования, сооружения и запуска протонного синхротрона ИТЭФ опыт был в дальнейшем использован при создании более мощного ускорителя на энергию 50 ГэВ, сооружение которого успешно шло в ИФВЭ г. Протвино. Важнейшим из внедренных новых решений был отказ от компенсации критической энергии. В результате этого решения проектная энергия ускорителя была увеличена с 50 до 70 ГэВ. Успешный запуск в ИФВЭ в 1967 г. разработанных и созданных по физическим проектам ИТЭФ крупнейших в то время в мире протонного синхротрона У-70 на 76 ГэВ и линейного ускорителя-инжектора И-100 на энергию 100 МэВ показал исключительно высокое качество разработок и выдвинул на передовые рубежи отечественную ускорительную науку и технику. В 1970 г. за участие в разработке и создании этих ускорителей ученые ИТЭФ В.В. Владимирский и Д.Г. Кошкарев были удостоены Ленинской премии, а И.М. Капчинский, Н.В. Лазарев и В.К. Плотников – Государственной премии СССР.

И-2

Общий вид открытых резонаторов И-2, 1967 г. Очередной крупный ускоритель был построен в ИТЭФ в 1967 году 6) под руководством профессора И.М.Капчинского. Это был первый в нашей стране жесткофокусирующий линейный ускоритель протонов на энергию 24.6 МэВ, предназначенный для использования в качестве нового инжектора протонного синхротрона У-7. Увеличение энергии инжекции У-7 позволило увеличить интенсивность ускоряемого в У-7 протонного пучка до 5×1011 частиц в импульсе. Линейный ускоритель И-2 составлен из двух ускоряющих высокочастотных резонаторов длиной 6 и 12 м, нагруженных 54 дрейфовыми трубками и работающих на частоте 150 МГц. Для возбуждения резонаторов используются два генератора мощностью, соответственно, 1.5 МВт и 3.5 МВт в импульсе длительностью 300 мкс. Энергия инжекции первого резонатора составляет 700 кэВ и достигается при помощи высоковольтного импульсного автотрансформатора ИТ-800. В каждой дрейфовой трубке резонаторов размещены по две магнитные квадрупольные линзы, питаемые постоянным током. При проектировании ускорителя предполагалось, что импульсный ток ускоренного в нем пучка будет не ниже 50 мА. В дальнейшем на ускорителе был получен рекордный импульсный ток 230 мА, и в продолжение многих лет до настоящего времени ускоритель надежно работает в качестве инжектора протонного синхротрона с током 150÷200 мА.

У-10

Уже в начале проведения физических экспериментов на У-7 с пучками вторичных частиц стало ясно, что магнитная система ускорителя плохо приспособлена для вывода не только первичного пучка ускоренных протонов, но и для вывода рождаемых на внутренней мишени ускорителя вторичных частиц. Как возможный вариант решения этой проблемы Д.Г.Кошкаревым в 1967 году было выдвинуто предложение о реконструкции ускорителя У-7, основной целью которой было создание в магнитной системе ускорителя длинных прямолинейных промежутков, достаточных для облегчения вывода, как первичного протонного пучка, так и пучков вторичных частиц.

Каналы вывода вторичных пучков, 1971г В 1974 году протонный синхротрон У-7 был реконструирован, и его энергия была поднята до 10 ГэВ, после чего ускоритель стал называться У-10. Были реконструированы практически все системы кольцевого ускорителя. Прежде всего, была изменена структура кольцевого магнита. Новая структура была составлена только из 96 С-блоков (Х-блоки не использовались), вместо 14 суперпериодов было сделано 8, в каждый суперпериод были введены по два двухметровых прямолинейных промежутка, равновесная орбита была смещена в область более высокой индукции магнитного поля. В новой структуре кольцевого магнита была выбрана бетатронная частота по обеим координатам равной 9.3. Смещение орбиты в большее магнитное поле позволило увеличить конечную энергию ускоренного пучка с 7.5 до 10.5 ГэВ. В результате реконструкции была также модернизирована система питания кольцевого магнита, в которой был заменен игнитронный выпрямитель на тиристорный. Была полностью заменена ускоряющая система, вместо пролетных трубок были установлены более эффективные ферритовые резонаторы на напряжение 5×10 кВ, перестраиваемые в диапазоне частот от 1 МГц до 5 МГц. Для реконструированного ускорителя была создана полностью новая система разводки вторичных пучков на экспериментальные установки. После реконструкции интенсивность вторичных пучков была увеличена более, чем в десять раз. Интенсивность самого ускорителя также заметно увеличилась, был превышен уровень 1×1012 частиц в импульсе и достигнуто рекордное значение интенсивности 1.5×1012.

В результате реконструкции стало возможным создать вывод ускоренного пучка при промежуточных энергиях, на котором в ИТЭФ были развернуты медицинские исследования в области онкологии. В 1984 году за создание в ИТЭФ на базе синхротрона У-10 медицинского протонного пучка Л.Л.Гольдин, М.Ф.Ломанов и В.С.Хорошков были удостоены Государственной премии СССР.

Тяжелоионный комплекс

Новый проект реконструкции ускорительного комплекса по названием «Создание тяжелоионного ускорительного комплекса ИТЭФ» начал разрабатываться в 1985 г 7). Реконструкция включала в себя сооружение нового ионного инжектора И-3 на энергию 4 МВ, канала транспортировки и инжекции пучка в кольцо У-10, сооружение в магнитном зале У-10 второго магнитного кольца УК на энергию по протонам до 3 ГэВ, переводных ионопроводов У-10/УК и УК/У-10, а так же модернизацию вакуумной системы У-10 для необходимого для ускорения ионов вакуума порядка 10-10 Торр. В 1989 г. проект реконструкции был остановлен из-за отсутствия финансирования.

ИТЭФ-ТВН

В 1996 году Д.Г.Кошкаревыми и Б.Ю.Шарковым было выдвинуто предложение о создании в ИТЭФ, на базе ускорителя У-10 и недостроенного удерживающего кольца, совершенно нового мощного накопителя тяжелых ионов 8), предназначенного для исследований по физике высокой плотности энергии в веществе. Это предложение было одобрено руководством института и получило финансовую поддержку со стороны Министерства по атомной энергии. Работы по сооружению установки ИТЭФ-ТВН начались в 1997 году.

Ионный инжектор И-3На первом этапе проекта ИТЭФ-ТВН предусматривалось кардинально модернизировать ионный инжектор И-3 9), в котором использовать лазерный ионный источник на основе СО2-лазера с выходной энергией 5 Дж, дооборудовать кольцо УК до бустерного ионного синхротрона, создать систему многократной перезарядной инжекции ускоренных в УК ионов в кольцо У-10 10), которое таким образом приобретает новое качество «нелиувиллевского» накопителя ионов. Первый этап завершается отработкой технологии «нелиувиллевского» накопления ионов, позволяющей достигать максимальной плотности накопленного пучка.

Комплекс ИТЭФ-ТВН Физический запуск бустерного синхротрона УК был осуществлен в 2000 году 11). Пучок ионов C4+ был инжектирован и ускорен до энергии 300 МэВ/н (3.6 ГэВ). Летом 2000-го года был осуществлен вывод пучка из УК в переводной канал.

Фактически, первый этап проекта был завершен в 2002-ом году 12), когда бала реализована схема перезарядной инжекции по схеме С4+→C6+ и получено «нелиувиллевское» накопление до 1010 ядер С6+ с энергией 200 МэВ/н (2.4 ГэВ) в кольце У-10. Кроме того, была создана система быстрого вывода пучка из накопительного кольца У-10 на экспериментальную установку, начаты эксперименты на выведенном пучке ионов углерода. В ноябре 2002 года ускорительный комплекс ИТЭФ приобрел еще одно новое качество: в синхротроне У-10 были впервые ускорены ядра углерода до энергии 4 ГэВ/н (48 ГэВ).

Все работы по модернизации оборудования комплекса ИТЭФ-ТВН проводились параллельно с работой У-10 в качестве протонного синхротрона. Пучки протонов использовались для проведения прикладных и исследовательских работ в области релятивистской ядерной физики, протонной терапии, радиационной стойкости материалов и т.д. Начиная с 2004 года для проведения таких работ начали использоваться и пучки ионов 13). Отработка механизмов и технологий по транспортировке, ускорению и накоплению ионных пучков, улучшение параметров применяемого оборудования, в том числе, ввод в эксплуатацию нового СО2-лазера с выходной энергией 100 Дж, позволяла непрерывно, в течение последних лет, улучшать показатели по интенсивности, энергии, массовому составу ускоряемых частиц, приближая их к проектным значениям.

Параметры комплекса ИТЭФ-ТВН
2006 2008 2011 Проект
Ускоряемые ионы C4+ C4+, Al10+, Fe16+ C4+, Al10+, Si10+, Fe16+, Cu17+, Ag19+ до U29+
Накапливаемые ионы C6+ C6+, Al13+, Fe26+ C6+, Al13+, Si14+, Fe26+ до Zn30
Интенсивность C4+ в УК 109 2×109 1010
Интенсивность C4+ в У-10 3×1010 4×1010 1013
Энергия в накопителе 200÷300 МэВ/н 700 МэВ/н
Мощность пучка 108 Вт 2×108 Вт 1012 Вт
Частота циклов 0.3 Гц 1 Гц

Предложение о создании ускорительного комплекса ИТЭФ-ТВН получило высокую оценку научной общественности, и в 2009 году Н.Н.Алексеев, Д.Г.Кошкарев и Б.Ю.Шарков были удостоены премии имени В.И.Векслера Российской Академии Наук за цикл работ «Создание системы перезарядной инжекции и исследование процессов при нелиувиллевском накоплении интенсивных пучков тяжёлых ионов на ускорителе-накопителе ИТЭФ-ТВН».

В 2010 году, коллективу сотрудников ИТЭФ в составе Н.Н.Алексеева, В.П.Заводова, Б.Ю.Шаркова, А.В.Шумшурова и В.А.Щеголева совместно с коллегами из ОИЯИ была присуждена премия Правительства Российской Федерации в области науки и техники14) за создание нового поколения ускорителей тяжелых ионов для релятивистской ядерной физики и инновационных ядерно-энергетических технологий.

Статистика работы комплекса ИТЭФ-ТВН

Распределение времени работы комплекса ИТЭФ-ТВН по областям применеия
Область применения Папаметры пучка Наработка в часах
2007 2008 2009 2010 2011
Релятивистская ядерная физика p (2÷9 ГэВ, 1011с-1) 1030 1200 1100 850 702
C, Al (4 ГэВ/н, 108с-1)
Собственные нужды p (1÷9 ГэВ, 1011с-1) 1338 1500 2100 2045 2450
C (0.2÷4 ГэВ/н, 108с-1)
Физика высокой плотности энергии в веществе C, Al, Fe (200÷300 МэВ/н, 4×1010с-1) 344 350 350 330 288
Радиобиология и медицинская физика p (250 МэВ, 1011с-1) 2520 2350 2150 2040 2320
C (200÷300 МэВ/н, 109с-1)
Протонная терапия p (250 МэВ, 1011с-1)
Радиационная стойкость материалов p (20÷400 МэВ, 1011с-1) 802 1200 1100 550 779
Fe, Ag (40÷200 МэВ/н, 108с-1)
ВСЕГО 6034 6600 6800 5815 6539
1) Ю.В.Терехов. «К истории Института теоретической и экспериментальной физики.» Препринт ИТЭФ 20-02, М., 2002
2) The Strong-Focusing Synchrotron — A New High-Energy Accelerator, E.D.Courant, M.S.Livingston, H.S.Snyder, Phys. Rev. 88, 1190–1196 (1952)
3) Ю.Г.Абов, А.Ф.Андреев, С.Т.Беляев, В.Д.Гинзбург, М.В.Данилов, Б.Л.Иоффе, В.С.Кафтанов, Д.Г.Кошкарев, Л.Б.Окунь, А.Н.Скринский, В.В.Соколовский, Ю.Б.Харитон, И.В.Чувило, О.В.Шведов "Василий Васильевич Владимирский (к 80-летию со дня рождения)" УФН 165 975–976 (1995)
4) Д.Г.Кошкарев У-7: Жизнь продолжается!, Атомпресса, №48 (989), 2011
7) Н.Н.Алексеев, М.А.Веселов, «Физическое обоснование проекта протон-тяжелоионного ускорительного комплекса на базе протонного синхротрона ИТЭФ», Препринт ИТЭФ, 1985, №110
8) Д.Г.Кошкарев, Н.Н.Алексеев, И.В.Чувило, Б.Ю.Шарков, «Модернизация ускорительно-накопительного комплекса ИТЭФ - проект 'ИТЭФ-ТВН'», Труды XV совещания по ускорителям заряженных частиц, Протвино, 1996
9) Н.Н.Алексеев, С.Л.Березницкий, А.Е.Большаков, В.И.Николаев, «Оптимизация конфигурации ионного инжектора И-3 для протон-ионного ускорительного комплекса ИТЭФ», Труды XVI совещания по ускорителям заряженных частиц, Протвино, 1998
10) Н.Н.Алексеев, А.Е.Большаков, М.М.Кац, «Схема многооборотной инжекции ионов в синхротрон У-10», Труды XV совещания по ускорителям заряженных частиц, Протвино, 1996
11) Н.Н.Алексеев и др., «Ускорение ионов С4+ в бустерном синхротроне УК ИТЭФ», Труды XVII совещания по ускорителям заряженных частиц, Протвино, 2000
12) Н.Н.Алексеев и др., «Физический запуск накопительного кольца У-10 установки ИТЭФ-ТВН», RuPAC-2002, Обнинск, 2002
13) N.N.Alexeev, P.N.Alekseev, A.N.Balabaev,. V.I.Nikolaev, V.A.Schegolev, B.Ju.Sharkov, A.V.Shumshurov, V.P. Zavodov, Yu.A.Satov, «ITEP-TWAC status report», proc. of RuPAC-2008, Zvenigorod, Russia
history.txt · Последние изменения: 2013/12/13 14:09 — palex