У-70 в деталях. Как работает самый большой ускоритель в России

В 1967-м году Институт физики высоких энергий  (ныне НИЦ «Курчатовский институт» – ИФВЭ) запустил в городе Протвино легендарный ускоритель протонов У-70 – на тот момент крупнейший в мире.

Ускоритель У-70 был спроектирован, сооружен и введен в строй исключительно на отечественной научно-промышленной базе. Энергия синхротрона составляла 70 ГэВ (1 ГэВ = 10⁹ электронвольт), то есть протон пролетал эквивалентный ускоряющий зазор с напряжением 70 миллиардов вольт. Впервые в мировой практике от ускорителя протонов были получены интенсивные пучки электронов, позитронов и фотонов с энергией, превышающей энергии существовавших ускорителей электронов.

Ускоритель У-70 действует до сих пор, являясь самым высокоэнергетичным в России. Наша команда побывала на экскурсии по легендарному научному объекту.

Немного истории

Серпуховский протонный синхротрон (прим. бывшее название наукограда Протвино ─ Серпухов-7) изначально создавался для поиска кварков ─ неделимых частиц материи, из которых состоят протоны и нейтроны.

Кварковая модель была предложена физиками Мари Гелл-Маном и Джорджем Цвейгом в 1964 году. В течение последующих нескольких лет ученые задавались вопросом, что из себя представляют эти частицы и как их обнаружить? Одним из первых экспериментов на ускорителе У-70 стал поиск частиц с дробным электрическим зарядом, то есть кварков, у которых есть электрический заряд, кратный 1/3 от заряда электрона. Результат поисков был отрицательным: даже при тех высоких энергиях, которые были доступны, кварки так и не удалось увидеть. Это стало первым шагом к пониманию такого феномена, как невылетание кварков, или пленение кварков.

Эксперименты на Серпуховском ускорителе показали, что при доступных в мире энергиях частиц кварки увидеть невозможно, и об их существовании мы можем судить лишь по косвенным признакам. И до сих пор в мире кварки в свободном состоянии никто не наблюдал.

Выход в новую область энергий ускоренных частиц позволил исследовать физические явления, происходящие на расстояниях до 2×10^–15 см, говорят ученые НИЦ «Курчатовский институт» – ИФВЭ. Эти расстояния в десятки раз меньше размеров нуклона (общее название для составляющих атомное ядро протонов и нейтронов) и соответствуют кварковому уровню строения адронов (сильно взаимодействующих частиц). Исследования в новой области энергий оказались весьма плодотворны. Уже в первых экспериментах были получены новые фундаментальные результаты (рост полных сечений, масштабная инвариантность, открытие антиядер гелия и трития и др.), совершено несколько научных открытий. Целый ряд работ был удостоен высших государственных премий.

«У-70 оставался лидирующим по энергии ускорителем в мире в течение пяти лет после его создания. За это время мы успели сделать здесь несколько интересных открытий, таких, как возрастание полных сечений и радиуса сильных взаимодействий с ростом энергии столкновений или эффект масштабной инвариантности в процессах множественной генерации адронов. Я думаю, что У-70 сыграл важную роль и внес довольно существенный вклад в мировую физику частиц», ─ рассказывал в интервью «Научной России» руководитель отдела теоретической физики НИЦ «Курчатовский институт» – ИФВЭ Владимир Петров.

Вплоть до восьмидесятых годов в мире не было ускорителей, сравнимых с У-70 по размерам и энергиям.

Внутри ускорителя

Нас встретил академик РАН, директор НИЦ «Курчатовский институт» – ИФВЭ Сергей Иванов. Пройдя несколько коридоров, мы оказались внутри ускорительного комплекса У-70. Ученые в спецодежде, знаки «Осторожно, радиоактивность!» и шум приборов ─ в здании идет работа даже тогда, когда ускоритель выключен.

«Когда ускоритель работает, вход персонала в радиационно-опасные технологические помещения запрещен и закрыт. Радиационную обстановку в зале контролирует автоматическая система радиационного контроля, в состав которой входят, в том числе, датчики нейтронного излучения. Она не допускает включения установок, когда норма излучения превышена, ─ поясняет Сергей Иванов, ─ Людей во время работы ускорителя здесь не бывает. Но ионизирующее излучение опасно для оборудования: оно переоблучается, электроника выходит из строя, изоляция обмоток магнитооптических элементов деградирует и теряет свои свойства. Поэтому за радиационным уровнем нужно тщательно следить».

В НИЦ «Курчатовский институт» ИФВЭ трудятся около 1400 человек Ускорительный комплекс занимает целый комплекс зданий. Длина орбиты ускорителя около полутора километров. На орбите пучка и вблизи от нее расположены ключевые технологические системы установки: магнито-оптическая, вакуумная, высокочастотная ускоряющая, ввода и вывода пучка и т.п. Для удержания протонов на кольцевой орбите ускорителя задействовано 120 электромагнитов общим весом более 20 тысяч тонн.

Частицы ускоряются с периодичностью раз в десять секунд. Период обращения пучка по орбите составляет пять микросекунд. Помимо протонов в установке ускоряются легкие ионы — ядра дейтерия и ядра углерода. В отличие от коллайдера, здесь пучки не сталкиваются друг с другом на встречных траекториях, а ударяются о неподвижную мишень экспериментальной установки. Пучок ускоренных частиц настолько жесткий, что один магнит весом 200 тонн поворачивает его только на три градуса! Каждый магнит стоит на специальной платформе, а под ней ─ отдельный кабельный этаж; взаимная точность установки составляет сотни микрометров.

Протонный синхротрон У-70, давший название всему Ускорительному комплексу У-70, является в нем последним, завершающим каскадом ускорения. В состав комплекса входит еще и малый 100-метровый синхротрон У-1.5, два линейных ускорителя, сеть каналов транспортировки и формирования выведенных пучков и экспериментальные физические установки на этих каналах.

Работа комплекса обеспечивается и сложными системами инженерной инфраструктуры общего и специального назначения. В состав ключевых обеспечивающих систем входит и система автоматизации.

«Наша автоматизация работает с пучком заряженных частиц, которые движутся со скоростью света. Она устроена очень хитро, ведь нам нужно выработать автоматические корректирующие усилия, которые бы успевали за этим пучком заряженных частиц. Поэтому наша диагностика пучка ─ очень капризная, быстрая и, как правило, аналоговая. Однако в последнее время появилась и цифровая техника, которая имеет скорость срабатывания, соизмеримую с теми потребностями, которые есть на ускорителях», ─ рассказал Сергей Иванов.

В одном из залов ускорительного комплекса планируется создать экспериментальный Центр ионно-лучевой терапии. Терапия пациентов с онкологией будет проводиться с пучками ускоренных ионов углерода с использованием элементов ускорительного комплекса У-70 и имеющихся объектов инфраструктуры. Это направление работ развивается в НИЦ «Курчатовский институт» ─ ИФВЭ достаточно давно. Эффективность протонной и ионной терапии онкологических заболеваний многократно была доказана в отечественных и зарубежных исследованиях. Специалисты института уверены: У-70 обладает оптимальными параметрами ускоренных ионов углерода как для фундаментальных исследований, так и для ионной лучевой терапии.

«Серпуховский эффект»

Благодаря ускорителю У-70 был открыт ряд новых физических явлений, характерных для микромира. Одно из них ─ так называемый серпуховский эффект, описанный группой экспериментаторов ИФВЭ под руководством академика Юрия Прокошкина (научное открытие “Закономерность в энергетической зависимости полных сечении (Серпуховский эффект)”. № 137 от 24 мая 1971 г.). Эксперимент показал, что частицы имеют способность просачиваться друг через друга: то есть полного взаимного поглощения, предполагавшегося ранними исследованиями, не происходит. Это новое знание существенно изменило представления об элементарных частицах.

Исследования на ускорителе продолжаются. Физики заняты поиском частиц, сотканных из неделимых кварков, изучением упругого рассеяния протонов, поиском редких распадов К-мезонов, а также исследованием поляризационных эффектов и других вопросов.

«Ускоритель – это сложная и многогранная система, где объединяются многие разделы современной науки и техники. У нас есть люди, которые занимаются вакуумной техникой, есть те, кто работает с высокочастотной техникой, высокочастотными ускоряющими системами. Кто-то занимается оптикой пучков заряженных частиц: замыкает орбиту, корректирует ее, корректирует магнитооптические резонансы; есть специалисты, которые занимаются системами диагностики пучка, контролем его качества, и так далее. Перечислять можно очень долго. Суть в том, что для качественной работы ускорителя нужен вклад самых разных специалистов», ─ говорит Сергей Иванов.

«Вообще, работающий ускоритель ─ свидетельство высокого научно-технологического уровня страны, способности интегрировать целый ряд сложнейших технологий», ─ подытожил ученый.