РАБОТЫ ПО КОЛЛЕКТИВНОМУ МЕТОДУ УСКОРЕНИЯ В ОИЯИ

В.П. Саранцев

Исследования коллективных методов ускорения начались еще в 50-х годах. После первых выступлений на эту тему В. И. Векслера, Г. И. Будкера и Я.Б. Файнберга на конференции в Женеве в течение 10 лет кроме естественного интереса в научном мире все больше проявлялось чувство скептицизма. Оно только увеличилось, когда была понята связь проблемы ускорения с проблемой устойчивости плазмы. Неудачные попытки создания плазменного бетатрона и неудачи тех лет в термоядерном синтезе только усугубили ситуацию. Здесь, в Дубне, под руководством В. И. Векслера велась напряженная работа по поискам конкретных схем для осуществления коллективного метода ускорения. Как известно, эти работы привели к созданию в ОИЯИ коллективного линейного метода ускорения ионов.

Успех этих идей вызвал психологический перелом в научном общественном мнении и привлек к этой проблеме большое количество ученых всего мира. Только один пример. В 1968 году в Беркли был организован симпозиум по изучению предложений Дубны. На этот симпозиум собранлись все известные специалисты по ускорителям и плазме, которые подробно разбирали возможные ограничения. Однако разговор тогда свелся к обсуждению конкретных схем и финансовым оценкам. За короткий срок было высказано много интересных взглядов и идей.

В первую очередь попытаемся сформулировать основные идеи работ по коллективному ускорению. Пожалуй, основных три:

  • Создание ускоряющих полей, на порядок превышающих достигнутые в обычном ускорителе на единицу длины структурного элемента.
  • Ускорение частиц с плотностью превышающей на 2-3 порядка достигнутую.
  • Создание конфигураций электронных и магнитных полей, отличных от обычных, с меньшими, чем для обычных волноводов, потерями.
  • Теперь рассмотрим основные этапы развития этого направления ускорительной науки и техники в ОИЯИ. В соответствии с решением Комитета Полномочных Представителей с 1969 года работы по коллективному методу ускорения были включены в тематический план ОИЯИ и был образован Отдел новых методов ускорения (ОНМУ). На том же заседании КПП были приняты решения о создании базы отдела - лабораторного, стендового корпуса и корпуса механических мастерских. В течение 1969 года проекты основных объектов были выполнены, и в 1974 году полностью завершено сооружение. Наряду со строительством велись разработка и сооружение основных элементов установки, которая получила название прототипа коллективного ускорителя. Основные задачи, которые ставились перед такой установкой - отработка всех основных узлов систем коллективного ускорителя.

    До перехода в ОИЯИ в целом был проведен анализ физического обоснования коллективного метода с достаточно детальной теоретической проработкой. Для экспериментальной проверки основных положений, принятых для формирования электрон-ионного кольца был создан макет системы, который включал в себя линейный (это был первый в соцстранах и один из первых в мире) индукционный ускоритель ЛИУ-3000, адгезатор с магнитной системой формирования кольцевого сгустка. На макете были проведены опыты по инжекции электронного пучка в магнитную систему адгезатора, адиабатическому сжатию кольцевого сгустка. В 1969 году были проведены первые опыты по выводу кольца из магнитного поля. Таким образом основные положения метода не только были сформулированы, но и прошли апробацию в кругу крупнейших специалистов ( я имею ввиду симпозиум 1968 года в Беркли).

    Исходя из опыта работы на макете можно было в общих чертах сформулировать основные требования к прототипу. Особое внимание было уделено ускоряющей системе. Электрон-ионное кольцо малой протяженности вдоль движения обладает целым рядом особенностей, в частности, импульсной плотностью тока с распределением в виде d-функции. Для успешного ускорения ускоряющая система должна обладать или большим запасом энергии, или большей импульсной мощностью. Поисковые работы начались в трех основных направлениях - цепочка "теплых" резонаторов в магнитном поле, цепочка сверхпроводящих резонаторов и система согласованных импульсных электрических линий. Макет, над которыми продолжались экспериментальные работы, решено было реконструировать с тем, чтобы дополнить его системой ускорения с "теплыми" резонаторами. К тому же в макете требовалась существенная переработка системы формирования магнитного поля с целью повышения его величины и цикличности системы. Такую реконструкцию решено было провести по мере включения в работу основных элементов прототипа.

    Принципиально важным был вопрос камеры адгезатора. Развернувшиеся в США работы по коллективному ускорителю использовали керамическую камеру. Однако с точки зрения оптимального захвата электронов и их стабильного существования важную роль играло формирование собственного поля сгустка. В то же время формирование внешних импульсных полей существенно упрощалось в отсутствии проводящих поверхностей вблизи области движения кольца. Найти строго оптимальную конфигурацию не представлялось в то время возможным, да и сейчас этот вопрос еще далек от окончательного решения. К указанным физическим проблемам добавлялась также механическая - условия работы в сверхвысоком вакууме со всеми вытекающими отсюда требованиями. Вот, пожалуй, круг основных проблем, требовавший разработки и проверки на прототипе.

    К 1974 году в основном было завершено создание базы - построены лабораторный и стендовый корпуса, а также здание механических мастерских. Это позволило увеличить производственные возможности в четыре раза. Однако, как показала практика, для того, чтобы эти возможности стали полноценным опытным производством потребовалось еще приблизительно пять лет.

    Совместно с ЦИФИ Венгерской академии наук была создана база по производству собственной электроники, что позволило начать работу по АСУ ускорителя, а также ввести современные методы в исследования самого ускорителя. Была создана первая очередь измерительно-вычислительного комплекса на базе ЭВМ М-6000.

    В мае 1975 года вступила в строй крупнейшая по тем временам гелиевая ожижительная установка ХГУ-250/4,5, которая позволяла термостатировать в замкнутом цикле будущую криогенную ускоряющую секцию. Создана установка для нанесения тонких сверхпроводящих покрытий из ниобия, титана, что позволяло приступить к созданию резонаторов из сверхпроводников второго рода.
    Все это позволяло форсировать работы по созданию прототипа.

    По мере завершения строительных работ в стендовом корпусе начались работы по созданию, монтажу и наладке ускорителя СИЛУНД. Это позволило уже в 1973 году начать наладочные работы. СИЛУНД - это индукционный ускоритель. В качестве материала индуктора были применены стандартные ферритовые кольца. Для формирования импульса впервые были использованы нелинейные линии, заполненные ферритом. Таким образом делался первый шаг на пути к созданию ускоряющей системы современных машин. Однако короткая длительность импульса (15 наносек), большое число коммутирующих элементов (тиратроны) предъявляли очень жесткие требования к системе синхронизации. Были опробованы различные запускающие устройства, найдены факторы, влияющие на разброс. Однако только введение системы стабилизации генераторов водорода с автоматической подстройкой тока, индивидуальной для каждого тиратрона, позволило решить эту проблему. Важный шаг был сделан в создании камеры адгезатора. Мы провели исследования на макете, кроме того к этому времени американцы уже завершили эксперименты с керамической камерой, которые давали противоречивые результаты.

    Анализируя всю ситуацию, мы пришли к выводу о необходимости создания металлической камеры, прозрачной для импульсного магнитного поля адгезатора. Стенки такой камеры должны располагаться на расстояниях от пучка, обеспечивающих устойчивое сжатие электронного кольца. Тогда и появилась форма камеры с переменным зазором. Реализация такой камеры до сих пор является сложной задачей как конструктивно, так и технологически. Однако создание этой камеры исторически хорошо отражает, как совершенствовалась база отдела. Для первого адгезатора прототипа конструкция камеры представляла собой цилиндрическую банку из тонкой нержавеющей стали (0,5 мм) с длиной по обечайке 15 см. Для того, чтобы понять сложность такого сооружения, скажу что статическая нагрузка при откачке на стенки камеры составляет приблизительно тонну и удар при срабатывании импульсного поля составляет около 10 тонн. Для того, чтобы снять нагрузки с тонкой стенки камеры в первом варианте конструкции были введены фальшстенки из дельта-древесины толщиной 50 мм, связанные многими спицами с металлическими стенками (таких спиц примерно 120 шт.). Теперь мы понимаем, что такие сварные соединения существенно ослабляют металл, и рассчитывать на долговременную работу такого сооружения невозможно. В такой камере были проведены первые опыты по инжекции пучка. Нечего было думать о работе в импульсных полях. Следующая камера, безусловно, и конструктивно и технологически была большим шагом вперед. Это ажурная конструкция из тонкостенной нержавеющей стали (0,5 мм) со сферическими боковыми стенками, растянутыми по радиусу на специальное стеклотекстолитовое кольцо. Кольцо конструктивно соединялось с массивным стапелем магнитной системы, что обеспечивало низкие резонансные частоты системы (порядка 7 Гц) и за счет этого снижало эффективные импульсные нагрузки на камеру. Большая работа была проведена с Техническим университетом Дрездена по определению прочности сварныхшвов, особенно в местах соединения растяжек. Такая конструкция уже позволяла работать в импульсных полях, хотя и сравнительно недолго (до ремонта такая камера выдерживала порядка 104 -105 срабатываний импульсной системы). В дальнейшем достигнутый уровень технологии позволил заменить камеру из нержавеющей стали на камеру из титана и существенно улучшить ее механические характеристики. Найдена и, как сейчас кажется, оптимальная конструкция сварных соединений.

    Возвращаясь к прототипу, следует сказать, что в 1975 году были сделаны и опробированы все элементы магнитной системы адгезатора, вместе с уникальными источниками импульсного напряжения (30 кВ, 6 кА). Это позволило провести инжекцию частиц в камеру адгезатора. Измерения характеристик пучка ускорителя СИЛУНД на первых оборотах в камере адгезатора показали, что энергия пучка составилв 1,86 МэВ. Энергетический разброс частиц в пучке <3% и эмиттанс пучка в камере порядка 30 мрадЧсм. Эффективность захвата на замкнутую орбиту составила 50-70%. Было осуществлено сжатие кольца до радиуса 11 см и измерена R - траектория сжимающегося кольца. Сечение кольца на радиусе 11 см составило порядка 6 мм. Для проведения этих измерений был создан комплекс измерительной аппаратуры, с помощью которой на базе ИВЦ можно проводить различные магнитные и пучковые измерения. Вся эта аппарарура базируется на создаваемых в ОНМУ электронных блоках. Большая помощь в создании измерительной аппаратуры была оказана ЭИ САН (ЧССР), ИЯФ (Краков), ВНИИ ОФИ (Москва), ГОИ (Ленинград). Были созданы первые приборы для наблюдения за пучком в синхротронном свете.

    После получения первых результатов по ускорению альфа-частиц на модели ускорителя начались работы по реконструкции. Создана установка "Кольцетрон" - криогенная ускоряющая секция. Проведены пробные пуски установки в рефрижераторном режиме. Полные теплопритоки уменьшены до 120 вт. Созданы и испытаны макетные резонаторы с пленкой из ниобия-титана. Получена на них добротность 5x107.

    Таким образом, если суммировать результаты пятилетки 1970 - 1975 гг., то следует отметить. Что за этот период практически с нуля была создана база для проведения работ по коллективному ускорителю:

  • построены помещения,
  • созданы механические мастерские и КБ,
  • освоена методика пленочных покрытий, в том числе и cверхпроводящих,
  • создан участок по изготовлению электроники,
  • разработан комплект электронных блоков, на базе которых создан измерительный центр с ЭВ М - 6000,
  • проведены разработки, создан и налажен с пучком ускоритель электронов СИЛУНД,
  • разработана и создана камера адгезатора из тонкой нержавеющей стали, позволяющая проводить наладочные работы,
  • разработаны и созданы источники питания импульсного магнитного поля,
  • создан комплекс диагностической аппаратуры, позволяющей вести наблюдения за пучком в процессе формирования,
  • проведены эксперименты по инжекции, захвату и сжатию электронного кольца,
  • развернуты макетные исследования ускоряющих систем для кольца на основе "теплых" и "холодных" резонаторов и импульсных линий.

    Проведен большой цикл теоретических работ, которые включали в себя исследования основных проблем:
    а) была обоснована система ускорения, состоящих из одиночных резонаторов в комбинации с магнитным полем,
    б) предложена и обоснована система, фокусирующая отражениями собственных полей кольца,
    в) большой цикл работ по устойчивости кольца с введением винтового поля,
    г) начались работы по расчету динамики накопления ионов в электронном кольце,
    д) большой цикл работ был посвящен экранировке электронного кольца в металлической и неметаллической камерах,

    В 1972 году в Дубне состоялось международное совещание по коллективным методам, которое показало широту развития этого направления в мире.

    Задачи на 1976 - 80 гг. можно сформулировать так: исследование прототипа и создание на этой основе проекта полномасштабного ускорителя. Здесь есть некоторая фразеологическая тавтология, которая требует пояснения. Установку, созданную под названием прототип, следовало бы называть моделью - по задачам, на ней решаемым. Предполагалось проверить все системы ускорителя при одиночных импульсных нагрузках. Ускоритель требовал, помимо всего остального, перехода к регулярной цикличности. Это отработать на установке с цикличностью раз в 8 секунд (именно такая цикличность реализовывалась на прототипе) не представлялось возможным. Поэтому на прототипе исследовались принципиальные вопросы формирования и ускорения сгустка и принципиальная пригодность всех систем. На специальных стендах надо было отработать механические и электрические характеристики систем и выбрать вариант для полномасштабного прототипа.

    Разработка новых блоков электроники и уровень их производства достиг в 1976 году 80 штук в год. Это полностью удовлетворяло потребности ускорителя. Среди сотрудников, пришедших в ОНМУ из Лаборатории высоких энергий, было немало специалистов по методике эксперимента при высоких энергиях. Это позволило нам принять предложения дирекции ОИЯИ по участию в совместном с ЦЕРН эксперименте NА-4. За счет сокращения разработок по новым диагностическим устройствам для ускорителя была организована разработка больших пропорциональных камер. В отделе к этому времени были достаточно развиты тонкие технологии, что позволило начать уже в 1977 году производство камер и за два года изготовить и отладить на стендах их основную часть для эксперимента NА-4. Более того, к этой работе были привлечены специалисты из Опытного производства ОИЯИ, где был создан специальный участок. В 1978 году началась проработка детектора для нейтринных экспериментов и т.д.

    Для того, чтобы провести на прототипе эксперименты в полном объеме, необходимо было создать систему вывода кольца и его предварительного ускорения в градиентном соленоиде. Также предполагалось опробывание системы ускорения в электрическом поле с одним из вариантов разрабатываемых ускоряющих секций. На прототипе 1976 года начались исследования систем формирования кольца. Были исследованы системы инжекции, захвата, сжатия, а также система накопления ионов. Проводилась оптимизация всех параметров. Параллельно с проведением этих работ шла разработка и создание градиентного соленоида системы вывода кольца. Сложности создания градиентного соленоида заключались в том, что для мощной (ток 6 кА), маловитковой системы (определялось габаритами системы и изоляции на 30 кВ) получить равномерные по длине малые градиенты (20 Э/м при поле 20кЭ) оказалось невыполнимой задачей. В местах стыковки соленоида по полю с последней ступенью сжатия в первый момент вывода градиенты оказывались превышающими предельно допустимые. Это внесло жесткое ограничение на число электронов в ускоряемом кольце. Минимальные градиенты получались, как показали расчеты и магнитные измерения, только в определенном режиме вывода кольца.

    Экспериментальные работы 1977 года были целиком посвящены этой важной проблеме. Для этой цели были созданы устройства, позволившие изменять скорость кольца по длине соленоида для разных режимов вывода, а также устройства для измерения числа и энергии ускоренных ионов. Все это позволило в 1978 году получить ускоренные до 2 МэВ/нуклон ионы азота, а затем и ионы ксенона. К 1978 году в основном завершились стендовые испытания ускоряющих секций - сверхпроводящей, "теплых" резонаторов, импульсных линий. В 1978 году проведена проработка переходного участка, обеспечивающего стыковку импульсного поля градиентного соленоида со сверхпроводящей ускоряющей секцией. Проводилось сравнительное рассмотрение всех возможных вариантов ускоряющих элементов как с точки зрения принципиальных, так и технических и экономических позиций. Наряду с выше указанными появилось еще одно предложение - использование секций индукционного ускорителя. Последний вариант был принят к осуществлению. Для его опробования на прототипе необходимо было: разработать, спроектировать и создать стыковочный узел, обеспечивающий безградиентную стыковку поля соленоида с ведущим магнитным полем секции; создать систему, синхронизирующую вывод кольца с импульсом ускорения в секции в 50 нс; провести модернизацию секции ЛИУ-3000 с целью увеличения ускоряющего градиента до 5 кВ/см и доведения величины ведущего поля до 17 кЭ.

    В течение года указанные работы были проведены, и в 1979 году были получены первые результаты по ускорению в электрическом поле. Состоявшийся в это время симпозиум по коллективным методам в США высоко оценил эти результаты и признал их результатами первой значимости.На основе этих экспериментов фактически был выбран вариант ускоряющей секциии для коллективного ускорителя. Работы по другим вариантам прекращались.

    В это время А.А. Логунов и дирекция ОИЯИ обратились к нам с просьбой включиться в работы по УНК. Одним из основных направлений предлагалось участие в исследованиях системы криостатирования, а также создания радиотехнических устройств, в частности, станции перезахвата пучка. Было решено все подразделение, занимающееся кольцетроном, включая группу создания магнитометрической аппаратуры, ориентировать на проведение работ по УНК.

    Активно велись расчетные, стендовые и исследовательские работы по выбору электронного ускорителя и адгезатора с повышенной частотой. Была разработана секция индукционного электронного ускорителя, в которой за счет нелинейных элементов поднималась импульсная мощность коммутирующего тиратрона, так что существенно возрастал коэффициент полезного действия. Это позволило от одного тиратрона запитать целую секцию ускорителя (в ускорителе СИЛУНД для этого требовалось 6 тиратронов). Потребовала исследований по выбору катода пушка ускорителя. Проведение этих работ позволило работать с частотами повторения до 50 Гц в удовлетворительном тепловом режиме.

    В 1979 году стенд был дополненен второй, чисто ускоряющей секцией и были исследованы характеристики пучка. Эти исследования показали работоспособность системы. Невыясненными остались вопросы стыковки по выкууму с адгезатором (вакуум < 10-8 Торр ) и возможные когерентные смещения пучка по длине ускорителя, связанные с неточностями изготовления конструктивных элементов ускорителя.

    Работы по адгезатору включали две основные проблемы - создание камеры с большим временем жизни и повышенной прочностью, и катушки магнитного поля с охлаждением. Работы по этим проблемам велись в тесном сотрудничестве с Техническим университетом Дрездена, который проделал очень большой объем как расчетных, так и экспериментальных работ по определению механических и электрических свойств различных конструктивных элементов адгезатора. В результате этих исследований появилась новая конструкция камеры с улучшенной (с точки зрения механических усилий) формой из листового титана. Механические свойства новой конструкции были существенно выше, чем у старой, однако еще долгое время велись поиски оптимального сварного соединения растяжек. Последний вариант, работающий сейчас на адгезаторе, по-видимому является достаточно хорошей степенью приближения к оптимуму. Дальнейший прогресс в создании таких камер связан с освоением технологии штамповки более прочной марки титана ВТ-20. Следующим важным узлом, потребовавшим серьезных разработок и стендовых исследований, явилась система формирования импульсного поля адгезатора. Еще в первых экспериментах на прототипе было обнаружено, что обмотки магнитного поля, особенно последних ступеней сжатия и соленоида, из-за наведенных токов в теле обмоток, вносят существенные искажения в поле инжекции, что практически исключает получение оптимальных условий при инжекции электронов в адгезатор (в теории это было названо эффектом теней в системе формирования). В результате конструкция этих элементов составилась из многожильного кабеля (диаметр жилы 1 мм), залитого эпоксидным компаундом для механической прочности. Такая конструкция при переходе к полномасштабному прототипу не удовлетворяла условиям охлаждения. Была разработана совместно с Техническим университетом Дрездена конструкция без заливки эпоксидом, со сложной системой прокладок, обеспеспечивающих как механическую прочность, так и возможность принудительного охлаждения маслом. Был создан стапель, который обеспечивал механическое крепление всех ступеней сжатия, а также возможность маслянной прокачки для охлаждения как обмоток, так и камеры адгезатора. Стендовые испытания показали, что подобная система может функционировать вплоть до частот повторения в 20 Гц.

    Таким образом, если суммировать результаты работ, выполненных в 1976 - 1980 гг., то в общем виде их можно сформулировать следующим образом:
    - на прототипе ускорителя проведены исследования системы формирования кольцевого сгустка,
    - создана и реализована система вывода кольца и произведено его ускорение в градиентном соленоиде до 2 МэВ/нукл для ионов азота и ксенона,
    - создана и исследована система электродинамического ускорения,
    - на основе экспериментов на прототипе и стендовых испытаний систем СИЛУНДА, адгезатора, а также системы АСУ был разработан проект полномасштабного прототипа коллективного ускорителя (КУТИ-20). Проект был рассмотрен во всех инстанциях и принят к реализации в объеме первой очереди. Было предложено рассмотреть возможность использования КУТИ-20 в качестве инжектора для комплекса УКТИ, создаваемого в Лаборатории высоких энергий.

    С 1981 года началась реализация проекта КУТИ-20. Исходя из возможности отделения Опытного производства был принят план последовательной реализации проекта. Начались работы по созданию СИЛУНД -20. В окончательном варианте проекта для СИЛУНД-20 впервые в практике ускорителей была применена магнитная система с нелинейной системой формирования импульса. Это позволяло за счет звеньев сжатия длительности импульса существенно снизить выходное сопротивление и получать от модулятора импульсную мощность порядка 800 МВт. В настоящее время в ускорительной технике такая система находит все более и более широкое применеие. Достаточно сказать, что в проектах линейных коллайдеров трансформация мощности является одним из основных методов формирования высокочастотных импульсов большой мощности.

    Применение схем сжатия импульса в сочетании с удачными конструктивными решениями позволило создать компактную и вполне современную машину. Основные системы ускорителя были изготовлены в 1981 году, и в 1982 году ускоритель был полностью собран и отлажен с пучком. Предварительные эксперименты показали, что по основным параметрам пучка (энергия 2,0 - 2,5 МэВ/нукл, ток 800А, длительность импульса 40 нс) ускоритель соответствует проекту. Параллельно с работами по запуску электронного ускорителя начались работы по созданию адгезатора, и в первую очередь новой системы питания магнитного поля. Несмотря на тщательную проработку конструкции и технологии намотки градиентного соленоида, в первых образцах при испытании выявились существенные дефекты конструкции, которые потребовали существенных доработок. Тем не менее вариант магнитной системы адгезатора был готов к 1983 году. Также были выполнены основные работы по другим системам адгезатора-20, включая системы охлаждения и диагностики.

    Началась работа пробного варианта индукционной ускоряющей секции. Предполагалось создать одну пробную секцию и провести ее всесторонние испытания.

    В 1983 году начались работы с пучком на новом адгезаторе. Были проведены эксперименты по инжекции, захвату и сжатию кольцевого электронного сгустка. Эти эксперименты показали существенное отличие параметров нового адгезатора от прототипа. Электрические характеристики камеры из титана отличались от камеры из нержавеющей стали, к сожалению, в худшую сторону (большие переходные времена, большие искажения). Для создания межвитковых каналов охлаждения пришлось пойти на изменения геометрических характеристик обмоток, создающих магнитное поле, что привело к сужению рабочей области для каждой из ступеней сжатия. Суммарная n-траектория оказалась менее благоприятной. Тем не менее в результате оптимизации режимов сжатия удалось сформировать в 1983 году электронные кольца с радиусом 4 см.

    Работы на адгезаторе КУТИ-20 показали, что каждая установка по-своему уникальна и требует практически заново осмысливать получаемые результаты. Исследования на модели, которые велись до 1982 года, в этой связи решено было прекратить, и вывести модель из эксплуатации, оставив только ускоритель ЛИУ-3000.

    В тоже время дирекция поручила нам проведение по проекту УКТИ, поэтому отдел, занимавшийся исследованиями на модели, переключался на работы по проекту тяжелоионного синхротрона (ТИС). Дополнительные проблемы встали и на КУТИ-20. По проекту УКТИ ускоритель КУТИ-20 должен был функционировать как инжектор ТИС. Что это за проблемы? Это и преобразование фазовых характеристик пучка ионов и его транспортировка на большие расстояния; это возможности и устройства инжекции короткого сгустка в камеру синхротрона и целый ряд других проблем. Все они и масса других, относящихся к самому тяжелоионному синхротрону, были рассмотрены, и совместно с Проектным институтом выполнены два варианта проекта комплекса с разными техническими и компановочными решениями. Однако, как известно, из-за большого объема строительно-монтажных работ на пятилетку 1986-90 гг. создание комплекса не состоялось, за исключением работ по КУТИ-20 и работ по реконструкции синхрофазотрона.

    Что касается работ по КУТИ-20, то в 1984 году выполнены работы по созданию градиентного соленоида новой конструкции. К этому времени были завершены разработки на основании испытаний макетного образца ускоряющей секции ЛУЭК и начались работы по изготовлению оборудования. Для стыковки по магнитным полям градиентного соленоида и ускоряющей секции был создан второй соленоид. Это позволило начать в конце 1984 года первые эксперименты по выводу и ускорению кольца. Практически весь 1985 год заняло изготовление трехускоряющих секций первой очереди КУТИ-20, создание и монтаж систем питания магнитного поля, модуляторов ускоряющей системы, систем размагничивания, охлаждения, вакуумной системы и т.д. Конструктивно чрезвычайно сложной задачей оказалось создание межсекционных переходных камер. Эта проблема еще в полной мере остается нерешенной до сих пор. Переходные камеры, как выяснилось при запуске, имеют малый ресурс работы и требуют регулярных ремонтов в процессе эксплуатации. Сделанные усовершенствования еще в полной мере эту проблему не решают.

    В конце 1985 года основные наладочные работы по ускоряющим секциям были выполнены, и в 1986 году были проведены работы с пучком. Параллельно с этими работами продолжались работы по созданию второйочереди ЛУЭК.Было решено для испытаний секций второй очереди создать электронный стенд с трубчатым замагниченным пучком. Это давало возможность отработать все элементы ускоряющих секций.

    В январе 1987 года было принято решение в связи с затяжкой сроков перевести работы по ускорителю в разряд исследовательских, и за счет этого усилить методическое напрвление.

    Теперь коротко об основных результатах работ по коллективному методу. Уже первые предложения поражали новизной подхода. В предложенной в ОИЯИ схеме этот переход происходил достаточно постепенно , и поэтому не вызывал сразу отрицательной реакции. Фактически проповедовалось новое отношение к собственным полям пучка. Сейчас это, возможно, кажется и естественным, но в этом и содержится влияние разработки коллективных методов на физику ускорителей вообще. В предложениях по коллективным методам впервые намечалось использовать собственные поля пучка для ускорения и удержания ускоряемых частиц. Влияние собственных полей в период формулирования коллективных методов рассматривалось, в основном, как мешающий, ограничивающий фактор. Эти представления стали в корне меняться. Только благодаря такому изменению подходов стали возможны работы по встречным пучкам (в современных проектах коллайдеров плотность тока в месте встречи составляет порядка 108 А/см2), электронному охлаждению, получению и транспортировкие сильноточных пучков электронов и ионов, все работы по инерционному термояду и т.д.

    Таким образом, влияние коллективных методов - как теоретических, так и экспериментальных работ - на смежные разделы науки велико. Развитие коллективных методов имеет большое влияние и на технику, в первую очередь - ускорителей. Так, благодаря такому влиянию , можно сказать, что сейчас техника генерации электронных пучков средней мощности при сравнительно умеренных токах (Ј 10кА) и джоулях в импульсе, достаточно хорошо разработана. Большой вклад в эту проблему внесен и специалистами ОИЯИ по конструкции и созданию индукционных ускорителей.

    Теперь конкретно о достигнутых результатах и ближайших планах. Концепции коллективных ускорителей были ориентированы на применение в физике высоких энергий - самое привлекательное и самое дорогостоящее применение ускорителей. Однако эта область трудна для конкуренции, хотя принципиальная возможность такая имеется. Уже сейчас существуют многие другие применения коллективных ускорителей в области низких и средних энергий.

    В 1983 году группа ведущих ученых США по заданию комиссии по энергетике, заинтересованной в коллективных ускорителях в связи со своими задачами, изучила состояние дел и вынесла свои заключения. Для того, чтобы меня не обвинили в субъективности, я приведу здесь основные выводы экспертов:
    1. Почти все известные концепции коллективных ускорителей достаточно хорошо обоснованы. Большое число экспериментальных и теоретических работ выполнено по проблеме ускорения с электронными кольцами, гораздо больше, чем по любому другому коллективному методу ускорения. Правильность принципа доказана экспериментально, так что это направление находится на более высокой ступени, чем другие ускорители. Метод имеет ограничения, но они хорошо изучены. Такой ускоритель полезно применить для тяжелых ионов, и его преимуществом является высокая цикличность. Предложения по использованию этого метода заслуживают самого серьезного внимания.
    2. Существует множество непосредственных предложений, представляющих интерес для комиссии по энергетике, которым адекватны коллективные ускорители, имеющие преимущества в сравнении с традиционными. Применение какой-либо концепции коллективного ускорителя в физике высоких энергий не является первоочередной областью применения . Тем не менее, существует много других применений ускорителей: в качестве инжекторов ускорителей высоких энергий, в промышленности, медицине, технике. Мы полагаем, что возможности коллективного ускорителя оправдывают их изучение.
    3. Стимулирование смежных областей физики.
    4. Необходимо соответствующим организациям рассмотреть предложения по созданию крупномасштабных прототипов ускорителей.
    5. Требуется значительная финансовая поддержка порядка 5 млн долларов в год. Затруднения в поддержке работ по коллективным ускорителям серьезно тормозили развитие в этой области исследований. Существовала даже некоторая, вероятно, подсознательная тенденция концентрировать внимание на ближайших задачах, чтобы получить поддержку.
    6. В других странах, особенно в СССР, ведется активная работа по коллективным ускорителям. Работы в США находятся на одном уровне или несколько опережают известные нам работы за границей.
    7. Кроме существенной финансовой поддержки, исследования по коллективному методу должны интенсифицироваться усилением связей и координацией работ отдельных исследовательских групп.

    Возвращаясь непосредственно к нашим работам, следует сказать, что они на протяжении всех лет велись строго по тематическим планам и этапы каждого года докладывались и одобрялись Ученым советом ОИЯИ.

    Если говорить об общих недостатках работы, то они во многом характерны для всех работ по коллективному ускорителю и отмечены в решении экспертов - концентрация внимания исследователей на получение ближайшего результата. Иногда это ведется в ущерб промежуточным исследованиям и приводит к тому , что в течение нескольких лет накапливаются довольно значительные проблемы. Приблизительно такая ситуация сложилась и у нас и, поэтому решение о преводе работ в разряд исследовательских, наверное, правилен. Он позволил нам вернуться к некоторым пройденным этапам и внимательно изучить явления, которые мы в стремлении к конечному результату полностью не поняли. В частности, на КУТИ-20 работы по запуску 1-й очереди велись на самых предельных параметрах по интенсивности электронов. Попытки поднять интенсивность для выхода в устойчивую область исследований в выбранной схеме окончились ничем. В течение последнего года работы были проведены в двух направлениях:
    - увеличение плотности инжектируемого пучка в заданном фазовом объеме,
    - переход в магнитной системе адгезатора к большим показателям магнитного поля (с n~0,2 к n~0,5).
    Решение первой проблемы было совмещено с решением вакуумных проблем, для чего взамен катода, работающего при высоком давлении (~ 10-2 мм рт. ст.), был поставлен автоэмиссионный графитовый катод. Были проведены изменения в оптической системе и системе транспортировке. В результате решения этих проблем интенсивность захваченного в адгезатор пучка возросла в 1,5-2 раза. Сейчас проводится пробный сеанс длительного удержания кольца на радиусе 8 см (до 40 мсек вместо 1) и исследуется динамика ионизации ионов и их накопления, а также влияние ионного заряда на электроны. Этот пробный эксперимент важен для определения предельных ускоряющих возможностей кольца. Все эти исследования дадут возможность провести работы на первой очереди в запланированном режиме.

    Несколько слов о перспективе. Исследования, проводимые на второй очреди ЛУЭК, непосредственно связаны с созданием в Серпухове 3-й очереди УНК - линейного коллайдера. Индукционный ускоритель оказался наиболее эффективным инструментом для генерации СВЧ-колебаний высокой мощности. Такой генератор необходим для получения больших ускоряющих градиентов.. Первые опыты по получению градиентов в пробных структурах предполагается провести на длинах волн возбуждающего напряжения в 8 - 9 мм. Дальнейшие исследования будут направлены на возможность сочетания коллективного ускорителя со структурой с высоким градиентом. Положительное решение этой проблемы позволило бы говорить об универсальных линейных коллайдерах, работающих как на электронах, так и на тяжелых частицах.

    Из личного архива В.П. Саранцева