ОИЯИ-50: страницы истории

В богатой событиями, творческими техническими решениями жизни инженера-электрика, доктора технических наук Анатолия Алексеевича СМИРНОВА синхрофазотрон и нуклотрон заняли особое, почетное место. 35 лет возглавляет он научно-инженерный электротехнологический отдел Лаборатории высоких энергий, более полувека отданы созданию систем электропитания, устройств защиты, исследованию и созданию сверхпроводящих магнитных систем.

Жизнь прожить, не поле перейти.
Народная мудрость

Отправляясь в Москву на распределение после окончания Пензенского индустриального института в 1953 году, я никак не предполагал, что надолго задержусь где-то и не вернусь в мой прекрасный зеленый город с тенистыми липовыми аллеями и гигантскими тополями, парками с исполинскими дубами, в старинный город черноземной полосы России - Пензу. В столице выяснилось, что нашу группу выпускников электротехнического факультета, получивших специальность конструирование электроизмерительных приборов, затребовало министерство среднего машиностроения и в Москве распределило по различным объектам Урала, Сибири, Москвы и Ленинграда и других "средмашевских" городов России. После третьего захода в комиссию по распределению на работу - попал в ФИАН имени П.Н.Лебедева, но там меня с тремя сокурсниками быстренько посадили в автобус и отправили на Большую Волгу, в организацию под названием ТДС-533 АН СССР, где директором был В.И.Векслер.

Из разных городов России - Москвы, Ленинграда, Харькова, Киева, Куйбышева, Пензы, Свердловска, Ульяновска, Владимира и других в поселок Ново-Иваньково на Волге собрали молодых инженеров и техников, а позже и рабочих, добровольцев из Москвы, окрестных деревень и провинциальных городишек, и стали готовить в качестве эксплуатационного персонала на синхрофазотроне. Здесь началась моя трудовая жизнь на строительстве самого тяжелого ускорителя в мире. Вес магнитопровода кольцевого электромагнита составлял 36000 тонн, обмотки возбуждения из меди - 600 тонн.

В сооружении этого символа эпохи принимала участие вся страна. Все делалось под большим секретом, за колючей проволокой, куда меня долго не пускали - не было допуска к секретным работам. За это время я умудрился изготовить на базе локационной электронно-лучевой трубки с послесвечением экрана осциллограф для наблюдения медленных процессов, имеющим развертки от долей секунды до десятков секунд. Промышленность в то время ничего подобного не выпускала, а при наладке системы питания такой прибор был необходим. Несколько позже, как "придаток" к осциллографу и ответственный за устройства программного управления магнитного цикла синхрофазотрона, я был неофициально подключен к группе наладчиков.

В качестве прототипа системы электропитания проектантами была взята система Бэватрона, запущенного в 1954 году в США, с энергией ускоренных протонов 6 ГэВ. Синхрофазотрон проектировался на 10 ГэВ с пиковой мощностью системы питания 120 Мегаватт. Система электропитания магнита является ведущей для всякого ускорителя. Вместе с электромагнитом ускорителя она образует гигантский по мощности колебательный контур: электромашинные агрегаты - игнитронный выпрямитель - электромагнит ускорителя. Энергия вращающихся масс агрегатов через игнитронный выпрямитель частично передается в электромагнит ускорителя в виде нарастающего тока и возвращается обратно при спаде тока, затрачиваясь на восстановление оборотов агрегатов. Потери энергии в контуре компенсируются из сети с помощью асинхронных двигателей агрегатов.

Знакомиться с эксплуатационной документацией питания магнита синхрофазотрона пришлось в Отдельном конструкторском бюро при Ленинградском заводе "Электросила" (преобразованном позже в НИИЭФА имени Д.В.Ефремова), где я получил первое представление о технике, с которой буду связан на многие и многие годы. Проектанты в отсутствие практического опыта не смогли учесть все тонкости в столь уникальной по мощности и сложности системе питания ускорителя. В 1957 году в первом приближении закончились наладочные работы, и состоялся физический пуск синхрофазотрона. Рекорд по энергии ускоренных частиц продержался недолго. В 1959 году в Женеве был запущен жесткофокусирующий синхротрон на 28 ГэВ. Проектанты получили государственное задание на проектирование новой жесткофокусирующей машины на 70 ГэВ и отошли от синхрофазотрона.

Рабочее состояние системы питания ускорителя было ниже среднего. Месячные простои в сеансах работы ускорителя составляли от 10 до 30 процентов всего времени работы ускорителя. Чередовались бесконечные поломки и ежемесячные ремонты мощных синхронных генераторов электромашинных агрегатов от знакопеременных усилий на полюсах роторов при циклической работе. Периодически возникали разрушения электрооборудования игнитронных преобразователей из-за аварийных токов 12 килоампер, вызываемых отсутствием защиты от так называемого режима однофазного опрокидывания инвертора (режим замыкания через игнитроны сборных шин питания магнита синхрофазотрона). Проектанты не предусмотрели защиту от этого аварийного режима, полагаясь на вентильную прочность игнитронов.

В один из приездов в Дубну руководителем отдела НИИЭФА доктором технических наук профессором Н.А.Моносзоном была предложена и осуществлена мною на практике схема защиты от этого аварийного режима. Но ее работа в ряде случаев приводила к возникновению аварий токов величиной порядка 120 килоампер, что приводило к еще более разрушительным процессам. Неустойчиво работали преобразователи при максимальных токах, в массовом количестве выходили из строя игнитроны и так далее. Нервы порой накалялись до предела, но мне никогда не приходила в голову мысль, что надо все бросить и уйти на другую, более легкую работу. Нервничал не только я один, нервничал и дежурный персонал. На всю жизнь запомнилась запись в оперативном журнале того времени, сделанная дежурным И.И.Соловьевым: "все сгорело - смену сдал". И действительно, были случаи, когда после трехнедельного ремонта, при повторном запуске, в первом же цикле работы игнитронного выпрямителя вновь разрушалось оборудование. Сверкала электрическая дуга на игнитронных стойках, полыхал огонь в сопровождении пушечного залпа и по залу выпрямителей разлетались осколки текстолита и гетинакса от электрооборудования, разрушенного аварийным током 120 килоампер.

Оставшись без консультантов-проектировщиков из Ленинграда, мне пришлось срочно садиться за трехтомник по теории управляемых выпрямителей профессора И.Л.Каганова, штудировать статью А.В.Поссе "Опрокидывание инвертора" в трудах НИИ постоянного тока. Институтских знаний в этой области техники у меня было очень мало, не хватало достаточных знаний и у коллег по работе. Но, как говорится, дорогу осилит идущий. В один прекрасный день 1959 года ко мне пришла простейшая мысль - при опрокидывании инвертора необходимо замыкать накоротко сборные шины электропитания магнита синхрофазотрона. При такой схеме защиты игнитронного выпрямителя энергия, запасенная в магните, 120 Мегаджоулей, рассеивалась на активном сопротивлении его обмотки возбуждения, не повреждая выпрямитель. Внедрить это техническое решение в 1959 году помогли Л.Н.Беляев, В.Г.Глущенко, И.А.Курсков - мои коллеги, разработавшие короткозамыкатель на базе масляного выключателя МГГ-10, и мы получили авторское свидетельство на изобретение. Первый зачет на инженерную самостоятельность был сдан.

В период 1959-1960 я занимался разработкой и созданием системы дистанционной индикации дефектных игнитронов (общее количество120 штук), в которых в процессе работы выпрямителя возникали частые обратные зажигания и неуправляемые пробои в прямом направлении, для отбраковки их и удаления из рабочей системы питания.

Мои последующие инженерные разработки в период 1961-1966 годов позволили качественно изменить работу системы питания и работу ускорителя в целом, получить устойчивую безаварийную работу в режимах с максимальной энергией. Был разработан целый ряд новых защит и два варианта полупроводниковой системы импульсно-фазового управления (СИФУ) игнитронным преобразователем, формирующим магнитный цикл ускорителя, с помощью которых удалось исключить разрушения от аварийных токов и механических усилий оборудование преобразователей и синхронных генераторов электромашинных агрегатов. Месячные простои ускорителя из-за отказов системы питания снизились до 0,5-2 процентов.

Методика физического эксперимента на синхрофазотроне непрерывно совершенствовалась, формулировались и новые требования к форме магнитного цикла ускорителя. Так, впервые, для повышения эффективности работы ускорителя в экспериментах с тонкими мишенями и газовыми струями по методике В.А.Свиридова и В.А.Никитина, были созданы новые режимы работы со стабилизированными столами тока, а соответственно и магнитного поля ускорителя, когда величина индукции магнитного поля в рабочей апертуре магнита ускорителя в течение заданного времени оставалась практически постоянной. Эти режимы работы стали основными на синхрофазотроне при проведении экспериментов с электронной методикой исследований. Форма магнитного цикла с плавными переходами во времени из одного режима работы в другой стала впоследствии классической для всех ускорителей, включая и нуклотрон. Реконструкция системы размагничивания магнитопровода ускорителя позволила повысить эффективность работы синхрофазотрона и измененить длительности цикла работы с 13,7 до 9,1 секунды и, как следствие, на 20-25 процентов снижены энергозатраты на цикл работы ускорителя.

В 1967-1974 годах для повышения скорости набора информации в физическом эксперименте была остро поставлена проблема подавления пульсаций в магнитном поле ускорителя, возникающих из-за особенностей работы игнитронного преобразователя мощной системы питания. Пришлось разрабатывать несколько уникальных устройств, подключающихся на столе тока: пассивного LC-фильтра, активного фильтра и асинхронной импульсно-фазовой схемы управления игнитронным преобразователем, на которые было выдано пять авторских свидетельств на изобретения. Успешная работа устройств подавления позволила создать режим бесструктурного медленного вывода ускоренных частиц из камеры ускорителя при отключенном ускоряющем напряжении. Стало возможным проведение на различных этапах времени конкурентоспособного современного физического эксперимента с различными методиками исследований, вплоть до полной остановки синхрофазотрона в 2002 году. Внедрять мои технические предложения мне помогали квалифицированные инженеры, коллеги по группе силовой электроники, которой я руководил с 1963 по 1970 год, старшие инженеры А.З.Дорошенко, Д.П.Калмыков, инженеры-практики, техники по образованию С.В.Мельников, Л.К.Беляева, Т.И.Никитаева, сотрудники группы защиты И.А.Курсков и В.Г.Глущенко, умельцы-электромонтеры, ставшие моими соавторами по многим работам и изобретениям. В разработке устройств стабилизации магнитного поля в режиме "стола" тока активно участвовал старший инженер радиотехнического отдела А.П.Царенков.

1970 год изобиловал важными событиями в моей жизни и жизни лаборатории. За активную рационализаторскую и изобретательскую деятельность я был занесен в Книгу почета патентной службы министерства среднего машиностроения. В этом же году защитил кандидатскую диссертацию по теме "Исследования режимов работы и опыт усовершенствования системы питания дубненского синхрофазотрона на 10 ГэВ". Мои первые наставники лауреаты Ленинской премии 1959 года за создание и запуск синхрофазотрона ОИЯИ: доктора технических наук А.М.Столов, Н.А.Моносзон, Л.П.Зиновьев, и кавалер ордена Ленина за создание игнитронов профессор Т.А.Суетин, - дали очень высокую официальную оценку, отмечая их новизну и практическую значимость. Они конкретно указали на использование этих результатов при проектировании ускорителей У-7 в ИТЭФ и У-70 в ИФВЭ. Получил я положительные отзывы и от эксплуатационного персонала этих ускорителей.

В 1970 году, с назначением на должность начальника электротехнического отдела, круг моей ответственности значительно расширился. В том же году по инициативе физика В.И.Мороза была поставлена задача по ускорению на синхрофазотроне дейтонов. Задача была выполнена под руководством Л.П.Зиновьева, Ю.Д.Безногих и ведущих сотрудников других отделов ускорителя. Это и предопределило дальнейшее использование этой машины в конкурентоспособных физических экспериментах еще более чем в течение трех десятилетий.

В плане модернизации других систем синхрофазотрона были проделаны очень важные работы коллегами из других отделов и групп: А.П.Царенковым, А.И.Михайловым и другими были созданы новые устройства задающей радиоаппаратура. Б.Д.Омельченко, С.В.Каленовым, Г.Д.Борисовой, Н.Г.Кондратьевым и другими модернизировались системы питания электромагнитных элементов каналов транспортировки частиц, включая и устройства электропитания выводных магнитов медленного вывода. П.И.Никитаевым, А.Н.Комаровым и другими созданы новые полупроводниковые системы возбуждения с устройствами автоматического регулирования электромашинных агрегатов, В.Г.Глущенко, И.А.Курсковым, М.И.Никитаевым разработан целый ряд новых защит электрооборудования и т.д.

В 1972 году осуществлен медленный резонансный вывод ускоренных частиц из вакуумной камеры синхрофазотрона в направлении вновь сооружаемого экспериментального корпуса 205. Этот успех определили совместные разработки И.Б.Иссинского, Е.М.Кулаковой, С.А.Новикова, В.И.Волкова, В.И.Черникова, А.А.Смирнова, Б.Д.Омельченко, А.И.Михайлова, А.П.Царенкова, С.А.Аверичева и других сотрудников отдела ускорителя.

В 1974 году завершился важный этап по модернизации ускорительного комплекса ЛВЭ - запуск нового инжектора линейного ускорителя ЛУ-20. Его сооружение происходило под руководством Ю.Д.Безногих, Л.П.Зиновьева, А.И.Говорова, В.А.Попова, В.Л.Степанюка и других специалистов. Была повышена интенсивность ускоренного пучка протонов до величины 1012 частиц в импульсе.

В 1977 году был разработан источник высокозарядных ионов КРИОН под руководством Е.Д.Донца. В 1981 году заработал на физический эксперимент источник поляризованных дейтронов ПОЯЛРИС Ю.К.Пилипенко. В 1984 году начата эксплуатация источника ионов с использованием лазерного излучения, созданного на основе разработок МИФИ под руководством В.А.Мончинского.

Параллельно начинается этап сооружения для проведения физических экспериментов на канале медленного вывода нового экспериментального павильона - корпуса N205 ("гектар под крышей"). В нем планировалось разместить целую сеть каналов транспортировки пучков и физических установок с различными методиками исследований и огромный энергетический комплекс систем электропитания общей установочной мощностью порядка 20 Мегаватт. Строительство закончилось в 1979 году.

На электротехнический отдел, сектор источников стабильного тока, группу защиты, руководимых соответственно Б.Д.Омельченко и В.Г.Глущенко возлагается большая проектная работа. Ведущими сотрудниками этих подразделений отдела Г.Д.Борисовой, С.В.Каленовым, Н.Г.Кондратьевым, Р.С.Семиной совместно с сотрудниками ГПИ ТПЭП были разработаны схемы управления и защит, схемы первичной и вторичной коммутации сильноточных стабилизированных источников тока в количестве 55 штук, на базе выпускаемых промышленностью силовых блоков на токи от 300 до 4000 А для возбуждения стандартных элементов магнитной оптики каналов транспортировки первичных и вторичных пучков заряженных частиц в новом корпусе. Пришлось решать массу всяких технических и организационных проблем. В результате к 1979 году создаются новые каналы транспортировки частиц с прецизионными источниками электропитания и монтируются новые физические установки в корпусе N205, значительно повышается коэффициент одновременной работы в одном цикле ускорения нескольких физических установок с различными методиками исследований, повышается эффективность работы ускорителя.

Проделанная общими усилиями ведущих инженеров ускорительного "куста" ЛВЭ модернизация помогла сделать синхрофазотрон долгожителем, приблизить его по возможностям применения в физическом эксперименте к ускорителям последующих поколений.

(Продолжение следует)