Базовые установки ОИЯИ

Ускорение на втором дыхании

Об этом оборудовании можно рассказывать как о сотруднике Института: иностранного происхождения, прибыл в Дубну четверть века назад, пережил с нами кризисные для науки годы и сейчас занял достойное место в ряду базовых установок ОИЯИ. Речь идет об ускорителе ЛИНАК-800. 12 февраля состоялся успешный тестовый запуск первой очереди (ЛИНАК-200) новой установки, а на следующий день - торжественная церемония открытия с участием членов 137-й сессии Ученого совета и представителей дирекции Объединенного института.

Начало истории

Ускоритель (тогда он назывался MEA - Medium Energy Accelerator) был создан в 1975-78 годах для нидерландского Национального института субатомной физики (NIKHEF) и использовался сначала для самостоятельных исследований, а потом - в составе комплекса AmPS (Amsterdam Pulse Stretcher) в качестве инжектора для накопительного кольца. В конце 1990-х годов амстердамский институт перенес все экспериментальные исследования в ЦЕРН и решил передать в хорошие руки оставшееся не у дел оборудование.

12 марта 1999 года в NIKHEF состоялась церемония передачи символического ключа от ускорительного комплекса AmPS главному инженеру ОИЯИ члену-корреспонденту РАН И.Н.Мешкову. В нашей газете (№11 1999 года) было опубликовано пояснение: "Решение о безвозмездной передаче ускорительного комплекса было продиктовано, в первую очередь, желанием продлить жизнь этому превосходно работавшему исследовательскому инструменту".

На новом месте

"Ускоритель начали перевозить из Амстердама в 1999 году, закончили в 2000-м, - рассказывает начальник сектора ЛФВЭ Валерий Васильевич Кобец, группа которого сразу же начала монтаж ускорителя на новом месте. - Собирать начали в здании №118, в котором раньше располагался ускоритель ЛИУ-30 Лаборатории нейтронной физики. Такое помещение в те времена построить заново было невозможно: площадь больше 1200 кв. метров каждый зал - модуляторный и ускорительный, здание 250 метров в длину и почти 20 в ширину".

Монтаж ускорителя после очистки ускорительного зала начался в 2002 г., в 2010 г. был сделан первый, косметический, ремонт здания. В августе 2017 г. был проведен физический пуск ЛИНАК-200 (энергия 200 МэВ). А после того как в 2017-18 годах установка была передана из ЛФВЭ на баланс ЛЯП, в течение трех лет проводилась более основательная реконструкция помещения. В частности, из-за изменения правил радиационной безопасности пришлось полностью менять систему вентиляции. Старая, занимавшая много места, была демонтирована, а освободившееся пространство оборудовали для пользователей - прорубили окна, поставили перегородки и сделали три комнаты. Кроме того, введены в эксплуатацию новые системы электро- и водоснабжения, разработаны и смонтированы современные системы радиационного контроля и блокировки и сигнализации.

Второе рождение

Коснулись масштабные изменения и самого ускорителя. Полностью обновлена система управления модуляторами клистронов. Разработана новая электроника, новый набор систем управления (идет работа над новой АСУ ускорителя, которая объединит все обособленные системы управления в одну глобальную), заменены многие вышедшие из строя или устаревшие компоненты. Кроме того, созданы четыре вывода пучка для пользователей с максимальными энергиями 24, 60, 130 и 200 МэВ. О том, что точность работ была ювелирной, может свидетельствовать такой факт: ускорительные секции (в состав ЛИНАК-200 входит 7 секций, ЛИНАК-800 будет состоять из 24), установлены строго по прямой, друг относительно друга они должны быть выставлены с точностью порядка 50 микрон.

"Полтора года назад лицензированной организацией ООО "Спецатомсервис" разработана проектная документация по системам радиационного контроля, блокировок и сигнализации для нашего ускорителя, реализация этих систем завершилась в начале 2025 г. - говорит начальник Отдела научно-исследовательских работ и инноваций ЛЯП Владимир Викторович Глаголев. Определены этапы ввода ускорителя в эксплуатацию. Сейчас речь идет о первом этапе - мы вошли в режим пусконаладки при энергии 200 МэВ".

Предстоит протестировать все проектные режимы работы и убедиться, что ускоритель наде­жен и безопасен. Последовательность предстоящих работ выглядит так: завершить режим пусконаладки для ЛИНАК-200, подготовить соответствующий комплект документов, передать его в ФМБА, получить разрешение на опытную эксплуатацию. Дальше начинается этап 400 МэВ. Когда эта часть ускорителя будет смонтирована, цикл начнется снова: документы, тестирование, разрешение на эксплуатацию… "Думаю, что это может быть сделано, включая подготовку документации и ожидание согласований, к концу 2027 года, - комментирует В.В.Глаголев. - Что касается 800 МэВ, тут потребуются дополнительные ресурсы. Мы планируем завершить эти работы к 2030 году при наличии финансирования".

Как видно, и работы, и бумагооборот предстоят нешуточные, а сколько уже было сделано! И возникает закономерный вопрос - может, было бы дешевле купить новый ускоритель?

"Новый стоит сотни миллионов долларов, и в данный момент купить его из-за санкций в принципе невозможно - говорит В.В.Кобец. - В России такие ускорители могут делать только в Институте ядерной физики в Новосибирске, но сейчас их сотрудники заняты проектом СКИФ. В мире таких ускорителей, как наш, всего пять. Обычно они работают в комплексе с большими установками, и для пользователей очень трудно выделить время. Наш ускоритель работает именно для пользователей, и в этом смысле он единственный".

"В стране подобных ускорителей всего два, - добавляет заместитель начальника отдела ЛЯП Карен Степанович Бунятов, - один запущенный в 2024 году в Институте ядерной физики СО РАН в Новосибирске, другой здесь, в Дубне. Новосибирский настроен на конкретную задачу - использование в качестве инжектора ускорительного комплекса СКИФ, а у нас оборудованы экспериментальные каналы, есть возможность вести широкий спектр прикладных исследований в области радиационного материаловедения, радиобиологии и радиохимии, проведения экспериментов в области ядерной физики".

Кроме того, выведенные пучки ЛИНАК-200 будут использоваться для тестирования прототипов электромагнитных калориметров и координатных детекторов для экспериментов MPD и SPD на коллайдере NICA.

Пользовательская политика

Качество работы ускорителя определяется минимально возможными размерами полученного пучка, энергетическим разбросом на выходе и стабильностью параметров пучка. Чем уже пучок и меньше разброс по энергиям, тем лучше. Хотя многое зависит от задачи, которую пользователи будут исследовать на этой установке. Например, для тестирования радиационной стойкости, чтобы наблюдать, как себя ведет материал или электроника при облучении, нужны одни параметры пучка. А для тестирования детекторов, элементов калориметра необходим режим, приближенный к вылету единичных электронов, чтобы знать, в какую область электрон попал, какую энергию высвободил. Уникальность ЛИНАК-200 заключается еще и в том, что на нем можно получать потоки от единиц до 4·10¹³ электронов в секунду. Для создания детекторов это незаменимое оборудование.

"В режиме пусконаладки мы планируем находиться до осени, - рассказывает В.В.Глаголев. - Предстоит испытать пучок с различными мишенями и конвертерами на всех четырех выводах. Специалисты из Отдела радиационной безопасности должны измерить фон при всех режимах работы ускорителя, отразить эти показания в актах и протоколах испытаний, подготовить соответствующие документы. И после этого мы можем войти в режим опытной эксплуатации. Уже создан Организационно-программный комитет, который будет рассматривать заявки пользователей. На данный момент поступило шесть заявок, их количество со временем будет увеличиваться. Одними из первых пользователей будут наши коллеги из отдела ядерной спектроскопии и радиохимии ЛЯП, а также сотрудники из Вьетнама. В ближайшее время у нас должны начать работать три вьетнамских физика под руководством Ле Хонг Кхьем, бывшего полномочного представителя Вьетнама в ОИЯИ. Сейчас они занимаются моделированием и подготовкой эксперимента по изучению фотоядерных реакций, созданием оборудования для последующих исследований на каналах вывода пучка 130 и 200 МэВ".

Кроме того, заинтересованность в ЛИНАК выразили сотрудники из ЛРБ для проведения биологических исследований. Группа физиков, ранее работавших на Фазотроне, также имеет планы на ускорительное время.

Утверждена форма заявки для пользователей. В ней должно быть указано, как и когда ученые планируют работать с пучком: какая энергия, какой ток, сколько времени потребуется на подготовку и уборку оборудования, на облучение, есть ли у них все необходимое, чтобы встать на пучок, или нужна какая-то помощь. При рассмотрении заявок будут учитываться важность работ, реализуемость, запрашиваемое время, совместимость с планами других пользователей. Приоритет отдается лабораториям ОИЯИ и исследовательским группам стран-участниц.

"Кроме того, важной задачей ускорителя является образование, - отмечает начальник сектора линейного ускорителя ЛЯП Михаил Александрович Ноздрин, также возглавляющий научно-инженерную группу УНЦ, которая отвечает за образовательные задачи на ускорителе. - Один из выводов отведен для студентов. Не полностью, но значительную часть времени на этом выводе будут проводиться работы практикантами и стажерами в области ускорительной техники и детекторов частиц".

Коллаборация FLAP

Для исследований на ЛИНАК-200 создана международная коллаборация FLAP (Fundamental & Applied Linear Accelerator Physics collaboration). Она нацелена как на прикладные, так и на фундаментальные исследования. "Широкими мазками задачи коллаборации можно описать как поиск новых механизмов и исследование фундаментальных основ процессов взаимодействия пучков ускоренных электронов с веществом и внешними полями, - рассказывал ранее в одном из интервью руководитель коллаборации Антон Александрович Балдин. - Эти исследования интересны как для разработки новых наукоемких приборов и устройств, так и для решения фундаментальных проблем современной физики, например поиска "Хиггс-подобных" частиц (Х17) в диапазоне масс около десятков МэВ". Планы коллаборации получили одобрение членов Программно-консультативного комитета по физике частиц в прошлом году.

Перспективы

Помимо сказанного, есть планы по исследованиям в области ускорителей частиц и генерации излучения, чтобы получить качественно новые возможности.

"Развитие установки может быть связано с созданием на ее базе фотонного источника с широким спектром диапазонов, - поясняет М.А.Ноздрин. - Есть мысли по созданию лазера на свободных электронах и источника высокоэнергетических комптоновских гамма-квантов, но для реализации требуется качественный пучок. В рамках работ по улучшению качества пучка создается специальный стенд фотоинжектора, на котором генерация электронов происходит в результате взаимодействия с катодом лазерного луча, а не нагрева катода, как сейчас на ускорителе. Замена термоинжектора ЛИНАК-800 фотоинжектором существенно улучшит эмиттанс пучка и возможности его временного профилирования. Лазер на свободных электронах, например, позволит выполнять специфичные прикладные исследования. Эти установки дают серию очень коротких импульсов в широком диапазоне спектра (чем выше энергия электронов, тем выше энергия фотонов, энергии нашего ускорителя позволяют получать фотоны вплоть до мягкого рентгена), которые дают возможность изучать очень быстро протекающие химические и биологические процессы - фактически "снимать кино", фиксировать последовательные этапы быстро протекающих процессов".

"В 2011-2013 годах, - дополняет В.В.Кобец, - на пучок был поставлен ондулятор (устройство для генерации когерентного синхротронного излучения - Прим. ред.). Мы провели пучок энергии 17 МэВ через него и получили инфракрасное излучение с длиной волны порядка 13,7 микрона, что примерно соответствует излучению человеческого тела. Тогда это никому не понадобилось. Но если ондулятор установить на канал 200 МэВ, можно его использовать для создания лазера на свободных электронах ультрафиолетового диапазона".

"Также линак может рассматриваться как источник нейтронов, - добавляет К.С.Бунятов. - Нейтроны отбираются по их времени пролета и предполагается на канал 200 МэВ поставить бериллиевый конвертор нейтронов для различных экспериментов. Здесь как раз важны короткие импульсы, чтобы по времени пролета мы могли выделять нейтроны определенной энергии".

Вопрос напоследок

Безопасна ли новая установка для окружающей среды? - наверное спросит горожанин, узнавший о том, что за забором ОИЯИ начал работать новый ускоритель. "Абсолютно безопасна, - отвечает В.В.Глаголев, - системы защиты обеспечивают безопасное нахождение любого сотрудника рядом с корпусом №118 и в его коридоре. Зал ускорителя окружен бетонными стенами двухметровой толщины, причем бетон применялся специальный, так называемый тяжелый (то есть большой плотности - Прим. ред.). Помимо этого, каждый экспериментальный канал оборудован поглотителем пучка. Соответственно для города или лаборатории наш ускоритель не представляет никакой опасности".

Галина МЯЛКОВСКАЯ,
фото Игоря ЛАПЕНКО