Судьба ускорителя
В этом году исполнилось 45 лет началу строительства синхрофазотрона,давшему жизнь Лаборатории высоких энергий.
Отдавая дань уважения к великим труженикам той эпохи, нам бы хотелось напомнить в этой связи факты связанные с возникновением этой машины. Приняв предложение академика А. М.Балдина помогать ему в научном совете по физике электромагнитных взаимодействий РАН в качестве ученого секретаря, автор этого сообщения получил в распоряжение много интересных материалов. На наш взгляд они заслуживают привлечения внимания широкой аудитории как отражающие важнейший этап становления научной культуры России.
Ускорители частиц высоких энергий иногда называют "пирамидами XX века". Такое сравнение вызвано не только гигантскими масштабами крупнейших из этих приборов. Не менее значительный импульс был дан коллективному творчеству людей в науке и технике, преодолевающему даже временные рамки существования могучих социально-политических систем. Можно сказать, что магниты современных ускорителей продолжают притягивать к себе людей по всему земному шару и даже целые города. Наша эпоха имеет шанс войти в историю человеческой цивилизации как "культурный слой строителей синхротронов"
. Сейчас, когда в России решается судьба этих установок, важно оценить их значение для научно-технического и культурного потенциала нашей страны. В основе удивительного долголетия этого класса инструментов лежит их способность к качественному совершенствованию при углублении фундаментальных исследований и развитию на их базе новых прикладных разработок. Достаточно сказать, что из пяти ускорителей созданных под руководством В. И. Векслера все остаются в работе и продолжают привлекать очень широкий круг исследователей. Укрепление коллективов этих машин, обеспечение их ресурсами плавно переходит из чисто экономической области в область практических политических решений. Обсуждая будущее дубненского синхрофазотрона, стоит обратиться к судьбе его прототипа - модели кольцевого магнита (или сокращенно МКМ), созданного в начале пятидесятых годов с целью проверки решений, принимаемых при создании синхрофазотрона. Замечательный факт состоит в том, что и в наши дни этот прототип - действующий ускоритель релятивистских электронов на энергию от 300 до 630 МэВ. Несмотря на почти полувековой возраст, он поддерживается в прекрасной рабочей форме, играя заметную роль мировых исследованиях с использованием синхротронного излучения. Напомним историю возникновения этой машины.
В 1944 г. В. И. Векслером, увлеченно работавшим над проблемой состава космических лучей в высокогорных экспериментах, был сделан в важнейший шаг для становления этих исследований в лабораторных условиях. Открытие им принципа автофазировки для резонансного ускорения заряженных частиц дало новую идейную основу для стремительного продвижения по шкале энергий. Уже в 1945 г. Векслер с помощью двух молодых физиков - экспериментатора Б. М. Белоусова (погибшего в горах в 1952 г.) и теоретика М. С. Рабиновича - приступил к созданию ускорителя на новом принципе. Работа над ним начиналась в здании ФИАН на Миусской площади. Отношение к его новаторским идеям заметно улучшилось после появления в 1945 г. статьи американскго физика Э. Макмиллана, несколько позднее установившим этот принцип. Усилия коллектива лаборатории В. И. Векслера (или Эталонной лаборатории Физического института имени П. Н. Лебедева Академии наук СССР) всего за год, выросшей с 4 до 30 человек, были сконцентрированы на создании электронного синхротрона. Так началось создание целого "каскада" ускорителей, первым из которых был бетатрон на энергию 3 МэВ. Позднее этот бетатрон был передан на кафедру ускорителей МГУ. В 1946 г. англичане Говард и Барнес, переделав имевший уже бетатрон в синхротрон, получили пучок электронов с энергией 8 МэВ, чем экспериментально подтвердили принцип автофазировки.
В ФИАН в 1947 г. завершился запуск первого ускорителя релятивистских частиц на энергию 30 МэВ (С-3 или "тройка"), использующего принцип автофазировки. Создание С-3 стало стимулом выработки инженерных решений, легших в основу последующих машин: освоение бетатронного режима для начального ускорения, создание вакуумной системы с камерой, питание магнита, измерения магнитного поля, высокочастотные резонаторы и проч. Закладывались, по сути дела, основы нового направления науки и техники. Ускоритель С-3 стал основным ускорителем Лаборатории фотоядерных реакций ФИАН. На нем (с 1970 г. он передан в ИАИ РАН), и сейчас продолжаются исследования возбуждения ядер в области гигантского резонанса. В январе 1948 г. был завершен первый советский бетатрон (В. И. Векслер, А. П. Комар, П. А. Черенков). В 1950 г. запущен модельный синхротрон на 100 МэВ. После того как на нем был выполнен ряд методических работ, он был передан в 1953 г. в Ленинградский физико-технический институт. Еще до окончания работ на малом синхротроне, проходившего весьма непросто из-за полного отсутствия опыта инжекции, началось проектирование и сооружение ускорителя на энергию 270 МэВ (С-25). Для строительства была выбрана площадка в 20 минутах ходьбы от нынешнего здания ФИАН под названием "Питомник" (очень удачное название, принятое от соседствовавшего питомника роз Ботанического сада).
В 1949 г. этот электронный синхротрон был запущен в работу под руководством В. И. Векслера, П. А. Черенкова, М. С. Рабиновича. На пучке фотонов тормозного излучения был открыт процесс фоторождения мезонов. Основными направлениями стало изучение процессов образования заряженных и нейтральных мезонов на нуклонах, поляризуемости "деформируемости" нуклонов под действием фотонов , фоторасщеплению легких ядер для понимания их структуры и природы многонуклонных сил, а также комптоновскому рассеянию. Эксперименты продемонстрировали возможность описания явлений физики мезонов на основе квантовой теории поля. Они позволили связать электромагнетизм и новую физику сильных взаимодействий. Эти работы (включая создание С-25) были удостоены трех Государственных премий СССР. Их результаты даже в настоящее время отвечает самым высоким мировым стандартам.
На С-25 начинали работу молодые физики, занявшие впоследствии лидирующие позиции в крупнейших научных центрах: М. И. Адамович, А. М. Балдин, А. С. Белоусов, Б. Б. Говорков, В. И. Гольданский, А. Н. Горбунов, Ю. М. Адо, С. П. Денисов, Р. М. Лебедев, В. И. Мороз, А. П. Онучин, Л. Н. Струнов, Е. И. Тамм, И. В. Чувило, Л. Н. Штарков. Многие выпускники физфака МГУ прошли школу Векслера еще в Памирской экспедиции; среди будущих дубненцев - А. Л. Любимов, К. Д. Толстов, М. И. Подгорецкий, И. В. Чувило. Практический опыт, накопленный в лабораториях В. И. Векслера и А. Л. Минца, и разработанные в конце сороковых годов физические принципы и теория движения частиц в ускорителях, открыли возможность создания ускорителей на еще большие энергии. В 1949 году по инициативе В. И. Векслера и С. И. Вавилова начались работы по проектированию синхрофазотрона в Дубне (Проект КМ - кольцевой магнит; его после кончины С. И. Вавилова утверждал в январе 1951 г. Д. В. Скобельцин). Одновременно было решено создать в ФИАН модель этого ускорителя МКМ (или С-60) на энергию протонов 180 МэВ (руководитель В. А. Петухов, в будущем заместитель директора ЛВЭ). Этот ускоритель был запущен в 1953 г., а с 1959 г. МКМ работает в режиме ускорения электронов. На С-25 и С-60 прошли проверку основные идеи и были подготовлены специалисты, внесшие заметный вклад в создание синхрофазотрона, серпуховского и ереванского ускорителей. На нем выросло новое поколение специалистов по физике высоких энергий. Среди них особенно приятно назвать ветерана Лаборатории высоких энергий Л. П. Зиновьева, запускавшего МКМ и синхрофазотрона. В работах на МКМ принимали участие молодые специалисты, только что закончившие институты - К. П. Мызников, И. Б. Иссинский, Э. А. Мяэ, Е. М. Кулакова и другие.
В шестидесятые годы при поддержке Векслера был спроектирован ускоритель С- 25Р на энергию 1,2 ГэВ, работающий сейчас в отделении ФИАН в г. Троицке (руководитель Е. И. Тамм). Рассказ об исследованиях на этой машине заслуживает специальной статьи. Интересно отметить, что и американский физик Э. Макмиллан в 1945 г. как основной для себя проект выбрал именно создание электронного синхротрона на энергию 300 МэВ. Этот ускоритель заработал в 1948 г. и вскоре был передан в Калифорнийский университет. В 1950 году группой В. И. Векслера (А. М. Балдин, А. А. Коломенский, А. П. Комар, В. В. Михайлов, В. А. Петухов, М. С. Рабинович) было разработано физическое обоснование технического проекта синхрофазотрона на энергию 10 ГэВ для Электрофизической лаборатории АН СССР (ныне ЛВЭ). Этот ускоритель был запущен в 1957 г. Энергия пучка протонов была выбрана для того, чтобы преодолеть порог образования не открытых еще антипротонов. Опираясь на свой опыт исследований, фиановцы (прежде всего М. А. Марков) настаивали на варианте электронного пучка. Однако, победила точка зрения физиков, связанных с Лабораторией N2 И. В. Курчатова, выступивших за протонный вариант. Этот выбор оказался важным для определения научной судьбы ЛВЭ уже через двадцать лет - возникновению на базе синхрофазотрона релятивистской ядерной физики. Конечно, такой размах работ по становлению ускорительной техники и физики высоких энергий в нашей стране был обусловлен мощной государственной поддержкой этого направления Советским правительством. Тогдашней государственной система выдвинула людей способных руководить масштабными проектами и брать на себя отвественность за принимаемые решения. Было бы весьма интересно проследить и их судьбу. В то же самое время в ФИАН зародилось новое направление использования пучков релятивистских электронов. Эта работа была предпринята для экспериментальной проверки высказанной впервые В. И. Векслером идеи о возможности использования сгустков заряженных частиц в синхротроне для генерации излучения сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн.
В начале 1949 года А. М. Прохоров (фиановская лаборатория колебаний) предложил переделать предоставленный лаборатории бетатрон на энергию 3 МэВ в синхротрон, работающий на кратной частоте. В результате А. М. Прохоровым и М. Е. Жаботинским был создан синхротрон, работавший на второй кратности, обнаружено и измерено когерентное излучение синхротрона. Одновременно был предложен оригинальный метод определения угловых размеров сгустков электронов по интерференционной картине излучения в синхротроне. В июле 1950 г. Н. Г. Басовым была завершена дипломная работа, в ходе которой был запущен синхротрон на четвертой и пятой кратностях частоты и измерены соответствующие пики излучения. Так начались в нашей стране работы по синхротронному излучению.
Вернемся к судьбе ускорителя МКМ. С 1975 г. ускоритель С-60 Лаборатории электронов высоких энергий ФИАН используется как источник синхротронного излучения (руководитель А. А. Комар). Имея максимальную энергию 630 МэВ, он является оптимальным источником мягкого рентгеновского излучения (максимум в спектре лежит при 20 А) и вакуумного ультрафиолетового излучения. Квазинакопительный режим работы ускорителя, высокое значение тока ускоренных электронов на орбите (100-150 мА) делают ускоритель С-60 лишь незначительно уступающим по рабочим параметрам анаплогичным современным источникам СИ (накопителям). В то же время однобанчевый режим работы ускорителя С-60, во многих случаях отсутствующий в современных источниках СИ, делают его незаменимым инструментом для спектроскопических исследований, нацеленных на изучение кинетики различных процессов. Ускоритель С-60 отличается надежной устойчивой работой и может обеспечить до 4000 часов в год. Эксплутация ускорителя в настоящее время обеспечивается небольшим штатом физиков и инженеров. В рамках Учебно-научного центра по оптике и спектроскопии ускоритель С-60 является базой для работ студентов и дипломников МГУ.На ускорителе имеется 5 рабочих станций для работы пользователей, использующих синхротронное излучение. Проблематика исследований на С-60 включает в себя такие направления как люминесцентная спектроскопия широкозонных кристаллов, оптика мягкого рентгеновского излучения, разрешенная по времени спектроскопия биологических объектов. Расскажем о них подробнее.
Спектроскопические исследования в области вакуумного ультрафиолета являются одним из основных методов получения информации о структуре электронных уровней широкозонных ионных кристаллов, т. е. кристаллов с шириной зоны запрещенных энергий свыше 6 электрон-вольт. Интерес к ним вызван разработками сцинтилляторов для работы в условиях больших загрузок при высоком временном разрешении, люминофоров для запоминающих экранов и газоразрядных приборов, активных сред лазеров. Мягкое рентгеновское излучения (МРИ) позволяет изучать возбуждения электронов внутренних оболочек атомов и молекул; в ней находится максимум излучения низкотемпературной плазмы. Использование МРИ лежит в основе рентгенолитографии для создания микросхем субмикронных размеров. Решение важных проблем биологии клетки возможно при использовании МРИ. С 1993 г. на источнике С-60 проводятся исследования по созданию оптических элементов МРИ на основе каппилярных систем. Развитие оптики МРИ на основе таких систем открывает широкие возможности создания приборов нового класса: формирование поляризованных пучков, передача рентгеновского изображения, рентгеновская сканирующая микроскопия и других. Сотрудниками НИИ физико-химической медицины для изучения кинетики люминесценции освоены на С-60 методики временных измерений в наносекундном диапазоне для медико-биологических исследований, на основе которых разработан метод флуоресцентных зондов. Основное направление этих исследований - поиск новых методик диагностики структуры крови, ее связь с различными заболеваниями. В этом отношении ускоритель имеет важные преимущества перед другими импульсными источниками, например, импульсными лазерами: высокую стабильность временной структуры, значительно более широкий интервал монохроматического излучения и малая мгновенная мощность облучения, что важно при изучении биологических объектов.
Регулярно высказываемый в ОИЯИ интерес физиков стран-участниц к исследованиям с синхротронным излучением мог бы найти вполне реальное воплощение на уже существующей в России установке. ОИЯИ вполне мог бы взять на себя роль "посредника" в поддержке исследований и эффективном использовании научно-технического потенциала российских центров физиками стран-участниц Института.
ОИЯИ и ФИАН по-прежнему связывает не только история, но научные и практические интересы. Физики ФИАН выражают заинтересованность в прикладных исследованиях на пучках синхрофазотрона по проблеме электроядерного метода генерации энергии и трансмутации радиоактивных отходов. Энергия запрашиваемого пучка легких ядер невысока - 1-2 ГэВ на нуклон, что означает примерно шестикратное снижение энергопотребления по сравнению с обычным режимом. Группа ФИАН, работающая на электронном пучке в Троицке заинтересована в развитии своих экспериментов по поиску так называемых эта-ядер на внутренней мишени нуклотрона. Это связи закреплены соответствующими протоколами о сотрудничестве. По-видимому, развитие на новом уровне горизонтальных связей ускорительных лабораторий может стать одним путей к изменению отношения к судьбе ускорительных центров в России.
В заключение, напомним одну историю, которую рассказывает А. М. Балдин при встречах с гостями Лаборатории высоких энергий. Во время утверждения в сенате США строительства ускорителя в Батавии его руководителя Р. Вильсона настойчиво спрашивали, даст ли реализация этого проекта что-нибудь важное для интересов нации: экономики, здравоохранения, может быть, обороны. Ответ был примерно таков: "Даст - для обороны. Он сделает нацию более достойной обороны!"