Ускоритель в Протвино: взгляд участника его создания

Владимир Плотников рассказал о работе над линейными ускорителями

1 ноября 2017 в 09:34, просмотров: 1400

В этом году исполняется 100 лет Советской власти и 50 лет запуска протонного синхротрона в Протвино. О том, как связаны эти даты, корреспонденту «МК в Серпухове» рассказал один из непосредственных участников запуска этого ускорителя, доктор физ.-мат. наук Владимир Плотников.

Ускоритель в Протвино: взгляд участника его создания
Вакуумный объем ускоряющих резонаторов линейного ускорителя И-2. Фото: twac.itep.ru

С Владимиром Константиновичем Плотниковым я познакомилась в апреле 2017 года в Серпуховском музейно-выставочном центре, где он представлял серию своих фотографий о Камчатке. Как следовало из биографической справки, Плотников серьезно увлекался фотографией, в 60-е годы участвовал в знаменитом фотоклубе «Новатор», занимался политикой, избирался в Мосгордуму, был членом Совета Федераций, а выйдя на пенсию, вернулся к своему хобби — фотографии. По образованию же он физик-экспериментатор, много десятков лет, работавший в науке. Будучи, в первую очередь, научным журналистом, я не могла не спросить о том, в какой области физики он работал. Оказалось, что Владимир Плотников занимался созданием протвинского ускорителя и даже в составе научного коллектива получил за это Государственную премию в 1970 году. Он обещал мне как-нибудь рассказать о своей работе. Дождавшись, когда он вернется из поездки на плато Укок на Алтае, я напомнила об обещании. Плотников согласился, но предупредил, чтобы я не ожидала рассказов о великих свершениях и научной романтике. По его словам, он делал чисто техническую работу.

И вот на днях я оказалась в обычной квартире в одном из спальных районов Москвы.

— Задавайте ваши вопросы. Что вы хотите знать? — спросил меня Владимир Константинович.

фото: Татьяна Пичугина
Владимир Плотников на выставке своих фотографий в Серпухове.

— А расскажите с самого начала. Как вы занялись ускорителями? — мне было интересно. Ну, в самом деле, сложно представить, что человек с детства мечтал строить ускорители. Тем более, в конце 1950-х, когда и слова-то такого в обиходе не было.

— Я учился в МИФИ, поэтому, естественно, стал физиком. Тогда он назывался Московский механический институт. Все факультеты были страшно засекречены. Но я как-то узнал, что там есть факультет № 4, где занимаются физическими экспериментами. Чему учат на других факультетах, я, когда поступал, и не знал. Все это было в сфере атомного проекта. Тогда Сталин был еще жив.

— А в МИФИ-то вы как попали, раз он такой секретный? Почему в МГУ не поступили?

— МГУ был более научным вузом, а меня в технику тянуло. Я скорее понимал, куда не хочу идти, чем куда хочу. При выборе профессии редко кто из молодых людей хорошо представляет себе, чего хочет. Внешние обстоятельства тоже иногда влияют на выбор профессии. Я как-то раз случайно оказался в районе, который теперь называется Щукино. Тогда там был поселок, который относился к Курчатовскому институту, чего я, естественно, не знал. Но в поселке была какая-то очень интеллигентная атмосфера, и я узнал, что там живут люди, которые работают в какой-то важной секретной сфере. Сначала я поступил в Бауманское училище. Но для поступления на факультет, связанный с экспериментальной физикой, мне не хватило баллов. Пришлось идти на другой факультет. В деканате мне сказали: «Дерзайте, юноша, учитесь хорошо, и мы вас переведем». Я дерзал, первую сессию сдал хорошо. «Переведем в конце курса», — сказали мне. Я вторую сессию сдал хорошо. И тут мне сказали, что я опоздал, этот факультет из Бауманки перевели в какой-то механический институт. Третью сессию я завалил, и меня отчислили. И тогда с большим трудом я поступил в Механический институт. Теперь это МИФИ. Попал я на кафедру, которая занималась ускорителями.

— Вы представляли себе, когда туда шли, что такое ускорители?

— Вообще не знал, что они существуют.

— Когда же вы стали понимать, на кого учитесь?

— Довольно поздно. Преподавали нам хорошо, но я был страшным лодырем и не всех преподавателей хорошо слушал. Все же усвоил, что основной интерес в науке связан с тем, как устроен мир, и что правильны только те теории, которые можно проверить экспериментально. До XIX века эксперимент можно было поставить, не выходя из дома. Но в наше время все такие открытия уже были сделаны. Чтобы продвигаться в знаниях о том, как устроено вещество, нужна мощная техника. Ускоритель — как раз такой инструмент, он ускоряет элементарные частицы до высоких энергий. Именно столкновение ускоренных частиц с другими частицами дает знание о строении материи. При этом каждый следующий шаг требует затрат энергии на порядки больше предыдущего. Значит, нужно строить ускорители со все большей энергией пучка. Поскольку высокоэнергетичные ускорители представляют собой научные приборы, а не устройства для производства каких-нибудь материальных ценностей, два ускорителя с одинаковой энергией частиц пучка не нужны. Каждый следующий ускоритель должен быть мощнее предыдущего.

Заканчивая учебу, я уже знал, что в Москве есть Теплотехническая лаборатория — ТТЛ, и в ней собираются делать большой ускоритель. ТТЛ относилась к Минсредмашу — Министерству среднего машиностроения, которое было создано для разработок всего, что, так или иначе, связано с атомной проблемой. Теперь ТТЛ — это Институт теоретической и экспериментальной физики — ИТЭФ. Директором института был Абрам Исаакович Алиханов, а его заместителем — молодой, талантливый доктор наук Василий Васильевич Владимирский. С моей точки зрения, он представлял собой идеал ученого. Владимирский был очень сильным теоретиком и одновременно занимался экспериментами. Сейчас таких ученых мало осталось, их и тогда уже было мало. Именно Владимирский выступил в конце 50-х годов с инициативой построить мощнейший в мире по энергии протонов ускоритель, а Алиханов и, главное, Курчатов его инициативу поддержали.

Схема ускорителя протонов до высоких энергий в это время уже была достаточно ясна — первоначально протоны ускоряются в линейном ускорителе-инжекторе, а затем протонный пучок переводится в кольцевой ускоритель, в котором кольцевая траектория движения протонов определяется наличием магнитного поля, перпендикулярного плоскости орбиты протонного пучка. По такой схеме были построены все первые протонные ускорители, в том числе синхрофазотрон в Дубне на энергию 10 ГэВ, мощнейший в то время.

Однако дальнейшее продвижение по энергии оказалось практически невозможным, так как используемая в этих ускорителях фокусировка не могла обеспечить поперечные размеры пучка протонов менее нескольких десятков сантиметров, что приводило к огромным размерам и весу магнитов, обеспечивающих кольцевую орбиту протонов. Достаточно сказать, что магнит дубненского синхрофазотрона весит 36 тысяч тонн.

В конце пятидесятых годов в США предложили принцип фокусировки пучков заряженных частиц, получивший название жесткой фокусировки. Этот тип фокусировки позволил в десятки раз сократить поперечные размеры пучка и, следовательно, уменьшить размеры и вес магнитов.

Открытый резонатор линейного ускорителя И-2 в ИТЭФ. Фото: twac.itep.ru

Появление идеи жесткой фокусировки, научные, технические, производственные, организационные возможности Минсредмаша, в систему которого входил ИТЭФ, наличие в ИТЭФ сильного коллектива теоретиков и экспериментаторов в сфере физики частиц высоких энергий и, по-видимому, стремление руководства страны утереть нос янки в возможно большем числе сфер и создало благоприятные условия для реализации предложения о сооружении протонного синхротрона на энергию 70 ГэВ. Могу предположить, что совпадение срока запуска ускорителя с 50-летием Октябрьской революции не случайно.

Значение энергии ускоренных протонов, равное 70 ГэВ, выбрали исходя из того, что за рубежом в США и в ЦЕРН уже начали строить протонные синхротроны на энергию порядка 30 ГэВ, а в ЦЕРН начали проектировать ускоритель на 450 ГэВ со сроком завершения строительства в конце 70-х годов. Инжектором пучка протонов выбрали линейный ускоритель на энергию 100 МэВ (И-100).

Строить протонный синхротрон решили недалеко от Серпухова, исходя из геологических соображений и близости к Москве. Первоначально стройка именовалась Серпухов-7, а потом — Протвино по названию ближайшей речки и, как мне кажется, по созвучию с протоном.

Линейный ускоритель И-100 - монтаж (1966 год), собран (1967 год). Фото: ОУК ИФВЭ

Опыта сооружения таких установок в нашей стране не было, поэтому решили соорудить в Москве прототип ускорителя на энергию протонов 7 ГэВ (У-7) с инжектором — линейным ускорителем на энергию 25 МэВ. В пользу этого решения было то обстоятельство, что рядом с территорией ИТЭФ располагался пустырь, на котором и соорудили У-7.

Оба ускорителя — и У-70, и У-7 — создавались почти одновременно, прототип опережал основную установку всего на год-полтора, но значил очень много: прототип позволил избежать многих ошибок и сделать У-70 в некоторых отношениях более совершенным.

Строительная площадка перед Главным экспериментальным залом У-70. Фото: ОУК ИФВЭ

И оба кольцевых ускорителя, и оба линейных создавала большая кооперация организаций Минсредмаша. Наибольший вклад в собственно ускорители внесли Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры (все магнитные системы и их питание), Радиотехнический институт (вся радиотехника и ее питание) и ИТЭФ (вся физика пучков и их ускорения).

В ИТЭФ создали два подразделения, одно из которых занималось обоими кольцевыми ускорителями, а другое — обоими линейными.

Я попал в лабораторию линейных ускорителей, которой руководил доктор технических наук Илья Михайлович Капчинский. Там мне пришлось заниматься расчетом обоих инжекторов, разработкой их отдельных систем, в том числе магнитных квадрупольных линз для фокусировки пучков этих ускорителей, а затем их наладкой и запуском. Ускорители рассчитывали вручную. Компьютеров тогда не было. Вместо них девушка-расчетчица сидела за электрической счетной машинкой «Мерседес» и считала шестизначные цифры, которые определяли устройство ускорителя. Я выводил формулы, составлял алгоритм расчета, а она по таблицам считала.

Хочу отметить, что оба линейных ускорителя — и И-2, и И-100 — действуют до сих пор, действует до сих пор и кольцо У-70. Могло бы сейчас успешно работать и кольцо У-7, если бы в 2012 году пожар не уничтожил систему питания синхротрона ИТЭФ. Это говорит о том, что оба ускорителя были разработаны, рассчитаны и изготовлены весьма качественно. Однако в то время, когда эти ускорители разрабатывались и запускались, и на западе, и, тем более, в нашей стране не существовало многого из того, что сейчас является привычным не только в науке, но и в быту. Не было компьютерной техники, систем дистанционного контроля и управления различными приборами, которые позволяли бы все операции по наладке ускорителей осуществлять, сидя в кресле на пульте ускорителя.

Монтаж в Главном экспериментальном зале У-70. Фото: ОУК ИФВЭ

Так, например, на выходе линейного ускорителя И-2 не было дистанционно управляемого датчика энергии пучка. Ускорение пучка в И-2 осуществляется в двух расположенных друг за другом высокочастотных резонаторах. Мы долго не могли понять, есть ли ускорение во втором резонаторе. Пришлось быстренько сделать устройство измерения энергии из какой-то вакуумной камеры, не предназначенной для этого, поставив туда сцинтиллятор и какой-то случайный электромагнит между вторым резонатором и этой камерой. По сцинтиллятору смотрели, насколько отклоняется пучок полем магнита, и, зная его напряженность, определяли энергию протонов. При этом за отклонением пучка наблюдали, глядя на сцинтиллятор через зеркало, спрятавшись в зале ускорителя за бетонную колонну. Чтобы минимизировать облучение, давали только один импульс пучка.

— А за колонной вы прятались?

— Я.

— Вы дозу получили?

— Какую-то небольшую, наверное, но как видите, это не очень на моем здоровье сказалось (Владимиру Плотникову 85 лет, он в прекрасной форме, путешествует по всей стране — прим. автора). Этот эпизод показывает, как иногда приходилось работать в науке в те времена. Запустили линейный ускоритель И-2 в 1966 году. Он долгое время держал мировой рекорд по току пучка,

В первой половине 1967 года смонтировали линейный ускоритель И-100, и многие сотрудники отдела линейного ускорителя ИТЭФ перебрались в Протвино для участия в запуске этого ускорителя. В Протвино к этому времени уже начал формироваться свой научный и технический коллектив, но его сотрудники были менее нас знакомы с этими ускорителями, ведь их разрабатывали мы. Запуском И-100 руководил И.М.Капчинский, который был назначен руководителем отдела линейных ускорителей ИФВЭ (одновременно с руководством таким же отделом в ИТЭФ).

Ускоритель У-70 готов к запуску. Сентябрь, 1967 год.

— Где вы жили в Протвино?

— Мы жили в гостинице. Вернее, только ночевали, а остальное время мы сидели или на пульте И-100, или в его подземном зале. Я Протвино-то тогда и не видел.

Запуск И-100 проходил, можно сказать, в условиях цейтнота, мы приступили к нему только в июле, а весь синхротрон должен был быть запущен к 7 ноября – дате 50-летия Октябрьской революции. Естественно, что пучок на выходе инжектора требовалось получить не 7 ноября, а намного раньше. Надо сказать, что, несмотря на дефицит времени, запуск И-100 прошел удивительно гладко за исключением одного эпизода. Этот ускоритель имеет семь резонаторов (общей длиной около ста метров). В резонаторах расположены пролетные трубки, в зазорах между которыми и ускоряются протоны пучка. В пяти резонаторах ускорение пучка было получено практически без всяких затруднений. А через шестой резонатор пучок проходить никак не желал. В толще стенки трубки помещается магнитная квадрупольная линза, допустимое отклонение оси которой составляет несколько сотых долей миллиметра. Возникла мысль о том, что одна из трубок отклонилась от оси резонатора значительно сильнее. Была разработана методика поиска дефектной трубки путем последовательного отключения линз в каждой трубке с одновременной перестройкой полей линз в других трубках шестого резонатора. Неисправная трубка была обнаружена. Оказалось, что ее ось отклонилась в сторону более чем на два миллиметра. В черновом журнале операций с вакуумной системой нашлась запись о том, что в резонатор уронили массивную металлическую деталь, как раз туда, где находилась штанга, на которой крепилась трубка с отклонившейся линзой. Пришлось разбирать резонатор и ставить трубку на место.

Мы потеряли из-за этой проблемы более двух недель, уже наступил август, до 7 ноября оставалось только три месяца, а пучок еще не был введен в кольцо ускорителя. К счастью, там никаких неожиданностей не случилось, и весь комплекс У-70 ввели в действие своевременно.

— А что бы вам сделали, если бы ускоритель не был пущен к годовщине революции? Неужели у вас и мысли не возникло отложить пуск?

— Мысль отложить пуск не возникала. Что бы случилось с нами в случае неудачи, не знаю. Времена все-таки были не сталинские, а брежневские. Но ведь мы успели, и наша страна получила ускоритель с рекордной энергией ускоренных протонов. Очень праздничное было настроение. Все участники работы получили премии. В 70-м году шестеро ключевых участников работы получили Ленинскую премию за создание всего ускорительного комплекса. Двадцать стали лауреатами Государственной премии: десять человек за создание линейного ускорителя, десять — за создание кольцевого. В первую десятку попал и я.

Первоначально предполагалось, что научный центр на базе У-70 войдет в состав ИТЭФ. Однако в Протвино создали самостоятельный институт — Институт физики высоких энергий. Как-то так получилось, что из нашего института там практически никого не оказалось.

— Почему?

— Ну откуда я знаю?

— Даже догадок нет?

— Может, и есть, но вряд ли об этом стоит сейчас говорить.

— Наверное, было обидно, что вас не взяли в Протвино?

— Мне — нет. Создание установки было завершено. Заниматься ее эксплуатацией мне было не интересно. Я переключился на другие вопросы ускорительной физики.

— Больше у нас не строили ускорителей такого уровня?

— Нет. Протвинский синхротрон несколько лет имел наивысшую в мире энергию ускоренных протонов. После чего уступил ускорителям в ЦЕРН в Европе и в Лаборатории имени Ферми в США. Следующим шагом стали ускорители на 500 ГэВ и более. А главное, основным направлением гонки за энергией столкновения ускоренных частиц стало столкновение частиц двух ускоренных навстречу друг другу пучков. Такие установки получили название ускорительно-накопительных комплексов – УНК. В ИФВЭ такой проект был разработан, предполагалось сооружение УНК с энергией сталкивающихся пучков 3 ТэВ (3000 ГэВ), и даже началось сооружение этой установки. Построили кольцевой туннель для этого УНК. К сожалению, события 90-х годов в нашей стране привели к практическому прекращению финансирования создания этой установки.

— Но все же строить УНК было правильным шагом?

— Было бы правильным, если бы удалось построить его лет на десять раньше Большого адронного коллайдера в ЦЕРН. Энергия столкновения пучков в УНК в Протвино составила бы 6 ТэВ (3 Тэв х 2), тогда как в ЦЕРН эта энергия равна 14 ТэВ (7 ТэВ х 2). Стоимость таких установок фантастическая, она составляет заметную долю бюджета страны. Поэтому строить такие установки следует только путем кооперации усилий нескольких стран. ЦЕРН — это как раз и есть такая кооперация, а ИФВЭ — нет. Ну, а кроме того, сооружение УНК в ИФВЭ по времени совпало с развалом СССР.

Канал инжекции УНК. Фото: ОУК ИФВЭ






Партнеры