УСКОРИТЕЛЬ ТЕПЛЯКОВА

Российская наука по-прежнему располагает самым мощным в Евразии ускорителем элементарных частиц

В сентябрьском выпуске "НГ-науки" за нынешний год была приведена фотография, сделанная в кольцевом зале полуторакилометрового протонного синхротрона У-70 (то есть до 70 ГэВ - гигаэлектрон-Вольт) Института физики высоких энергий в Протвино.Синхротрон - крупнейший на сегодняшний день исследовательский прибор отечественной фундаментальной науки. И этот прибор заслуживает того, чтобы о нем и его создателях рассказать подробнее.

Успешная работа У-70 в течение вот уже более 30 лет - это уже само по себе выдающееся научное достижение. Для того чтобы сосчитать подобного рода ускорители-гиганты, на планете хватит пальцев на одной руке, а уж "долгожителей" среди них и того меньше. Кстати говоря, ускорители такого класса, несмотря на то что они делаются на пределе технических возможностей своего времени, не "списываются" по мере старения - напротив, они постоянно модернизируются и переделываются под новые физические задачи. И вообще говоря, каждый ускорительный научный центр любой страны (разумеется, речь идет о наиболее развитых в научном плане государствах) - это целый комплекс различного типа ускорительных машин, соединенных в единую цепочку для достижения максимально возможной энергии разгоняемых частиц. Ускорительный комплекс ИФВЭ выделяется тем, что в его состав с начала 80-х входит уникальный и неповторенный до сих пор нигде в мире линейный ускоритель-инжектор на энергию 30 МэВ, работающий без применения специальных электромагнитных устройств для фокусировки частиц. Вот на этой особенности хотелось бы остановиться подробнее.

Дело в том, что ускоряемый в вакуумной трубе ускорителя протонный пучок (точнее говорить - "сгустки" или "пакеты" из множества "субъектов ускорения", поскольку все ускорители работают в импульсном режиме) состоит из одноименно заряженных частиц. Они с неизбежностью претерпевают так называемое кулоновское расталкивание, из-за чего всему ансамблю частиц грозит разбухание и вылет на внутренние стенки вакуумной камеры (вакуум в ускорителях поддерживается на уровне 10,6 миллиметра ртутного столба, а то и ниже, но все же не абсолютный). Именно поэтому ускорение частиц вроде бы немыслимо без применения так называемых магнитных линз - специальных электромагнитов, в которых и осуществляется силами магнитного поля "поджимание" частиц к оси ускорения.

Именно так, по "схеме Альвареца" (в честь пионера протонных линейных ускорителей, американского физика - нобелевского лауреата 1968 года Луиса Уолтера Альвареца), были устроены все достаточно мощные линейные ускорители протонов, появившиеся в ускорительных лабораториях мира во второй половине XX века. Они используются в качестве инжекторов в кольцевые синхрофазотроны либо как самостоятельные установки. В канале ускорения вдоль воображаемой оси установлены так называемые трубки дрейфа, причем между трубками дрейфа частицы попадают в ускоряющую полуволну высокочастотного электрического поля, а во время тормозящей полуволны "скрываясь" внутри трубок. Но трубки дрейфа не только экранируют частицы от торможения, но и благодаря специальным обмоткам представляют собой магнитные линзы, действующие на проходящие сквозь них частицы подобно тому, как оптические линзы действуют на лучи света. То есть фокусируют либо расфокусируют пучок частиц, но поскольку фокусирующие силы действуют тем сильнее, чем дальше частицы уходят от оси ускорителя, суммарный эффект получается фокусирующий.

Таким образом, в ускорителях осуществляется "двуединый процесс", при котором собственно ускорение высокочастотным ускоряющим электрическим полем совмещается с магнитной фокусировкой. Минусы этой схемы - достаточно внушительные размеры (и стоимость) магнитных линз и высокочастотных объемных резонаторов, в которых устанавливались трубки дрейфа и организовывалось ускорение протонов от энергий порядка 700-800 КэВ (что требовало установки сверхмощных импульсных трансформаторов) до величин порядка 100 МэВ. Именно такую энергию "выдавал" И-100 - гигантский инжектор (внутри резонатора свободно проходил человек) в синхротрон У-70, мировой рекордсмен конца 60-х - начала 70-х. Лишь недавно в Троицке был введен в действие более мощный линейный ускоритель - "мезонная фабрика", предназначенный для работы не в составе ускорительного комплекса, а самостоятельно.

Но вот в середине 50-х годов В.В. Владимирский, а несколькими годам позже И.М. Капчинский и В.А. Тепляков теоретически изучили достаточно необычный эффект, приводящий к тому, что при выполнении определенных условий в канале ускорителя можно обойтись и без применения дополнительных магнитных устройств, ускоряя при этом интенсивные пучки заряженных частиц. На самой начальной стадии ускорения, причем начинающегося при энергиях всего лишь 100 кэВ и даже ниже, расчеты показали чрезвычайную выгодность применения ускоряюще-фокусирующей четырехпроводной системы электродов, внутри которой протоны ускорялись практически без потерь интенсивности и качества пучка до энергий порядка 2 МэВ.

Далее можно переходить, но уже на гораздо более выгодных условиях, к традиционной схеме ускорения до энергий, достаточных для инжекции в кольцевую машину. Либо (эту возможность изучил преимущественно Владимир Тепляков) использовать еще более "экзотическую" ускоряюще-фокусирующую систему. В ней специально подобранная форма и расстановка электродов на бортах резонатора обеспечивают фокусирующий эффект дополнительно к ускорению. Расчеты, а затем и эксперименты, проведенные Владимиром Александровичем Тепляковым с сотрудниками, показали работоспособность этой схемы до энергий ускоряемых протонов порядка 30 МэВ.

Эти исследования были проведены в течение 70-х годов, к исходу которых в ИФВЭ был создан первый в мире действующий протонный ускоритель на энергию 30 МэВ без применения магнитных линз. При этом начальная часть ускорителя (до 2 МэВ была признана всем мировым научным сообществом в качестве оптимального решения для этого диапазона энергий и получила международное название RFQ-structure (высокочастотная квадрупольная структура). К этому же времени в ИФВЭ было принято решение: с целью повышения интенсивности протонного пучка на выходе У-70 модернизировать систему инжекции с использованием дополнительного промежуточного (бустерного) синхротрона, который будет работать в диапазоне энергий от 30 МэВ до 1,5 ГэВ. В качестве инжектора в бустер было решено применить "ускоритель Теплякова", получивший к тому времени имя собственное - УРАЛ-30 - ускоритель резонансный автофокусирующий линейный на энергию протонов 30 МэВ.

Соответствующие работы были произведены, и уже в начале 80-х отечественный ускоритель-гигант начал работать с новой системой инжекции. Благодаря ее применению такой важный эксплуатационный показатель работы ускорителя, как интенсивность пучка, был повышен на порядок. Эта модернизация обеспечила проведение на ускорителе У-70 широкого фронта исследований в области физики частиц как во второй половине 80-х, так и в течение 90-х годов. Важно то, что российская наука по-прежнему располагает ускорителем на энергии, относимые сегодня к "средним", но по-прежнему самыми высокими на всем евразийском пространстве от восточной Европы до Японии включительно. Наличие такого работающего ускорителя - своего рода гарантия того, что российские ученые продолжают работать на отечественном оборудовании с сохранением признанного мирового уровня.

А отцу УРАЛа-30 Владимиру Александровичу Теплякову на днях исполнилось 75 лет. Об успехах ученого судят прежде всего по конкретному результату его творческих усилий. Что касается Владимира Теплякова, то в ИФВЭ можно увидеть такой результат, что называется "в железе", - нынешняя система инжекции в кольцевой ускоритель У-70 - реальное воплощение в металл творческих замыслов ученого. Весь научный мир теперь хорошо знает, что популярная в современных западных ускорительных лабораториях RFQ-структура (высокочастотные квадруполи) есть не что иное, как "ускоритель Теплякова", в котором фокусировка протонного пучка осуществляется не магнитными устройствами, а за счет специально подобранной формы электродов. Эффект, в буквальном смысле этого слова "вычисленный на кончике пера", признан открытием. Как и многое другое, это отечественное изобретение было быстро "подхвачено" зарубежными специалистами, и начало свое победное шествие по ускорительным центрам и лабораториям. Владимир Тепляков награжден таким редким знаком отличия, как премия Американской школы ускорителей. А Родина отметила его выдающуюся роль в развитии отечественной ускорительной науки и техники Ленинской премией за 1988 год (совместно с И.М. Капчинским), орденом Октябрьской революции и другими наградами.

Сам Владимир Александрович считает, что главная награда в его жизни - осуществленная мечта. Это, разумеется, "УРАЛ-30" - ускоритель резонансный автофокусирующий линейный на энергию протонов 30 МэВ - инжектор в бустер протонного синхротрона ИФВЭ, первая в мире действующая машина такого типа.

Протвино