ОИЯИ-50: страницы истории

(Продолжение. Начало в №34.)

В начале 70-х годов во многих исследовательских центрах мира ученые и инженеры вступили в соревнование по созданию новых технологий для внедрения техники сверхпроводимости в основные приборы физического эксперимента - ускорители заряженных частиц.

С 1973 по 1974 года в ЛВЭ ОИЯИ также начинается разработка проблемы создания сверхпроводящего жесткофокусирующего двух каскадного ускорителя релятивистских ядер - нуклотрона с ориентировкой на сверхпроводящие магниты с максимальными уровнями полей порядка 5 Тл типа "cos ", который должен был придти на смену синхрофазотрону. Это был дорогой проект жесткофокусирующего ускорителя, не учитывающий финансовые возможности ЛВЭ и ОИЯИ. Изготавливать магнитные системы нуклотрона предполагалось в промышленности по чрезвычайно сложной технологии. Были развернуты совместные работы с ведущими сотрудниками НИИЭФА имени Д.В.Ефремова. В1974 году общими усилиями был подготовлен эскизный проект нуклотрона. В качестве бустера был подготовлен рабочий проект ТИС - синхротрона для ускорения тяжелых ионов, но все так и осталось на бумаге.

В 1975 году неожиданно возобладала другая концепция - ускоритель со сверхпроводящими магнитами погружного типа по прототипу магнитов, созданных и исследованных в начале 70-х годов американскими инженерами из Брукхэйвена. В 1979 году И.А.Шелаевым был создан эскизный проект сверхпроводящего инжектора нуклотрона - СПИН. Но, судя по его месту расположения и наличию собственной системы инжекции, это был проект самостоятельного ускорителя с энергией ускоренных протонов до 1 ГэВ. Проект не проходил экспертизу и не был официально утвержден. Тем не менее, дирекцией ЛВЭ было принято решение о развертывании работ по сооружению ускорителя без официально утвержденного финансирования. В конечном итоге попытка обогнать американцев и первыми создать сверхпроводящий ускоритель не увенчалась успехом. Были затрачены огромные ресурсы мастерских и финансовые средства, привлеченные из других проектов. В 1985 году в процессе монтажа были разрушены сверхпроводящие обмотки линз. Интерес у руководства ЛВЭ к СПИНу пропал, так как в ЛВЭ была разработана новая технология создания сверхпроводящих ускорителей.

Принимая участие в испытаниях первых магнитов СПИНа, я понял, что дело можно существенно улучшить и упростить, выполнив обмотку возбуждения из трубчатого сверхпроводника с каналом для прокачки жидкого гелия. В 1977-1978 гг. мною был разработан и изготовлен модельный дипольный магнит типа "оконная рама" с габаритами и размерами рабочей апертуры, близкими к диполям СПИНа. Магнит получил название ЦСД-1 (циркуляционный сверхпроводящий диполь). Трубчатый пропаянный сверхпроводник на рабочий ток 6 кА для его обмотки мне помогли изготовить Ю.В.Куликов, Е.К.Курятников - сотрудники отдела электрофизической аппаратуры ЛВЭ, создавшие крутильную машину для изготовления плоского кабеля Резерфордовского типа для обмоток магнитов СПИНа. В криогенных испытаниях ЦСД-1 приняли активное участие А.Г.Зельдович и его сотрудники по криогенному отделу. Под руководством Е.И.Дьячкова, с активным участием Г.Г.Ходжибагияна, В.А.Белушкина, Н.Н.Агапова, В.Н.Кузичева и других сотрудников, была создана криогенная часть стенда для испытания магнитов прокачного типа. В создании источника электропитания активно участвовал П.И.Никитаев. С этими квалифицированными инженерами судьба меня свела на многие годы совместной работы при проектировании магнито-криостатной системы Нуклорона, серийных испытаниях магнитов и квадруполей, при монтаже и комплексной наладке магнитной системы нового ускорителя и его дальнейшей эксплуатации.

В процессе изготовления и испытаний обмотки возбуждения ЦСД-1 мною были сформулированы все необходимые требования к трубчатому кабелю и родилась его технологичная непаянная конструкция с использованием выпускаемых промышленностью компонент. На это техническое решение мне было выдано авторское свидетельство на изобретение. Ключ к решению проблемы создания магнитов нового типа для нуклотрона был найден. Короткий образец нового типа сверхпроводящего кабеля был изготовлен и испытан в составе магнита ЦСД-1 в виде добавочного витка.

Многочисленные испытания ЦСД-1 убедительно подтвердили, что можно создать новую по типу магнитную систему сверхпроводящего ускорителя, выгодно отличающуюся от прежней. Основные концептуальные преимущества по сравнению с погружной системой СПИНа и новизна магнитной системы нуклотрона позволяли работать с рекордной частотой повторения циклов в единицы Герц; использовать в качестве эффективного хладоагента малые объемы двухфазного гелия; избавиться от гелиевого сосуда, что в целом упрощает всю удобно собираемую и разбираемую магнито-криостатную систему ускорителя, облегчает доступ к магнитам и линзам и другим устройствам, расположенным внутри разборного вакуумного кожуха, уменьшает вероятность появления гелиевых течей в вакуумной камере, обеспечивает высокую электрическую прочность магнитов.

Успешные испытания первой модели прокачного типа способствовали дальнейшему развитию этого нового направления. Был разработан проект создания полномасштабных элементов магнитной системы нуклотрона на основе магнитов с железным ярмом и обмоткой из трубчатого сверхпроводника. Главной целью этого проекта было изготовление сверхпроводящей магнитной системы для ускорителя релятивистских ядер с энергией 6 ГэН/нуклон. Проект получил одобрение на заседании ускорительной секции ОИЯИ под председательством В.П.Дмитриевского и был утвержден директором ОИЯИ Н.Н.Боголюбовым, а я был назначен руководителем этого проекта. Конечной целью проекта была опытная сборка и испытания суперпериода (октанта) магнито-криостатной системы нуклотрона.

К концу 1983 года были созданы и испытаны полномасштабные диполи ЦСД-2, ЦСД-3. Неоценимую помощь в изготовлении сверхпроводящих кабеля и обмоток этих модельных магнитов оказали умельцы электромонтеры моего отдела Н.М.Сазонов и Ф.Г.Воронин. Шаблонную форму они сконструировали совместно с В.Н.Кузичевым. Несколько позже сотрудниками моего отдела и группы Ю.В.Куликова был создан участок по изготовлению сверхпроводящих обмоток штатных магнитов нуклотрона.в корпусе №2 ЛВЭ. В корпусе №205 под руководством Ю.В.Куликова и Е.К.Курятникова была создана линия для изготовления трубчатого кабеля. Всего для нуклотрона было изготовлено порядка 12 километров такого сверхпроводника.

В начале 1985 года мною в совместной работе с конструктором- механиком А.В.Головиным была сделана полная проработка общего вида конструкции модульной трехсекционной магнито-криостатной. системы нуклотрона. Для этой цели использовалась схема магнитной структуры нуклотрона из эскизного проекта 1974 года, которая была рассчитана сотрудником НИЭФА И.А.Шукейло и его учеником из ЛВЭ В.А.Михайловым. Позже при подготовке рабочего проекта пришлось оптимизировать размеры рабочей апертуры магнитов ввиду отсутствия бустерного каскада.

Для развертывания работ ко мне прикомандировали конструкторскую группу из сотрудников разных подразделений - В.Н.Кузичева, Т.Б.Морохову, А.В.Головина, А.В.Бычкова, В.Г.Аксенова и других специалистов. Прикомандированные не имели необходимых специфичных знаний, но вместе со мной и Г.Г.Ходжибагияном, способным инженером-криогенщиком, сделали необходимые рабочие чертежи конструкций сверхпроводящей системы и различной технологической оснастки для изготовления и сборки магнитов.

В январе 1986 года был утвержден рабочий проект, состоящий из 12 томов, - "Реконструкция магнитной системы синхрофазотрона на сверхпроводящую - нуклотрон". Разработка второго тома этого проекта под названием "Магнитная система. Система электропитания" была поручена мне. В основу сверхпроводящей магнитной системы легки апробированные технические решения, выработанные в процессе реализации предыдущего проекта. Проработка системы электропитания в проекте была сделана в упрощенном эскизном варианте.

Особенности основной магнитной системы нуклотрона потребовали специальной разработки совместимых с ней конструкций, элементов магнитной оптики с токами возбуждения порядка 100-250 А для вводных и выводных каналов, инфлекторного магнита и линз резонансной раскачки пучка для медленного вывода. В совместной работе с В.И.Черниковым и Ю.В.Куликовым было реализовано мое техническое предложение - применить в трубчатом кабеле сверхпроводящие провода, имеющие электроизоляционное покрытие лаком "Имидаль". Изготовление 10-витковой однорядной седлообразной обмотки инфлекторного септум-магнита осуществлялось по технологии изготовления обмоток штатных магнитов нуклотрона на шаблонных устройствах. Затем выводные концы кабеля обмотки сводились вместе и после этого отдельные провода в кабеле обмотки соединялись последовательно пропаянной скруткой (ПОС-60), образуя 310-витковую обмотку возбуждения с номинальным током возбуждения до 200-250 А. Такое техническое решение позволило отказаться от охлаждаемых сильноточных токовводов и просто решить проблему электропитания этих магнитов. Обмотки выводных магнитов Ламбертсона изготовлялись из штатного сверхпроводящего кабеля и включались в цепь электропитания последовательно с поворотными магнитами кольца. Здесь следует подчеркнуть, что нуклотрон - единственный сверхпроводящий ускоритель, имеющий медленный вывод, выполненный на сверхпроводящих магнитах.

По проекту магнитная система нуклотрона с длиной периметра порядка 257 метров собиралась из 48 магнито-криостатных модулей, состоящих из трех секций. В двух секциях собиралось два дипольных магнита длиной 1,45 метра каждый и в одной - квадрупольная линза длинной 0,45 метра в едином блоке с устройствами разного типа и назначения: с корректорами магнитного поля (28 штук), станциями наблюдения за положением пучка и 8 линзами резонансной раскачки пучка при медленном выводе. Шестнадцать таких модулей без дипольных магнитов использовались в качестве линейных промежутков между октантами магнитной системы, в которых располагались вводные, выводные устройства и ускоряющие высокочастотные станции. Общий вес охлаждаемых магнитов и линз нуклотрона - приблизительно 80 тонн.

Чертежи на узлы и детали магнито-криостатной системы были переданы в Опытное производство ОИЯИ, где прошли технологическую проработку, и началось массовое изготовление различных узлов нуклотрона. Исключительное внимание к нашему заказу проявили рабочие, инженеры и руководители Опытного производства разного ранга - М.А.Либерман, В.И.Данилов, Ю.А.Солнцев, А.А.Горянинов, В.В.Вахромов, Р.М.Иванов, П.М.Былинкин, А.А.Любимцев, В.В.Карасев, Е.И.Голованова и другие.

Огромную роль в сооружении нуклотрона сыграли производственные мастерские ЛВЭ, действующие под руководством опытного станочника и организатора производства Ю.И.Тятюшкина. Перечислить все проделанное в мастерских лаборатории не представляется возможным, но энтузиазм и профессионализм мастеров участков и рабочих В.Ф.Кокшарова, В.И.Шарапова, В.Н.Соколова, И.Н.Егорова, А.И.Егорова, Г.А.Зимина, В.Я.Карпинского, Д.С.Калашникова, В.А.Филиппова, В.И.Румянцева, Ю.Р.Румянцева, В.Д.Лушина, А.С.Маляренко и многих других следует отметить особенно.

С 1987 по 1993 годы были запущены в серийное производство, изготовлены и прошли комплексные индивидуальные испытания на специально созданном стенде все секции дипольных и квадрупольных магнито-криостатных модулей нуклотрона. В феврале 1990 года успешно проведены испытания октанта магнитной системы нуклотрона - цепочки из 16 секций криогенно-магнитных модулей, соединенных последовательно 12 дипольных и 4 квадрупольных магнитов. Охлаждение от комнатной до гелиевой температуры длилось 17 часов и осуществлялось с помощью установки КГУ-1600/4,5, расположенной в корпусе №205. Для электропитания цепочки магнитов под руководством П.И.Никитаева был разработан и изготовлен рабочими энергетической группой источник питания на ток 6 килоампер, мощностью порядка 120 киловатт с системой защиты сверхпроводящих магнитов. В процессе испытаний с номинальным током возбуждения 6 килоампер инициировалось локальным подогревом обмоток несколько десятков переходов сверхпроводящих магнитов в резистивное состояние. Изучались режимы эвакуации энергии из магнитов при разной длительности процессов вывода. Длительность испытаний составила 192 часа (около 200 тысяч циклов возбуждения). Работа магнитов оставалась стабильной и при значительных отклонениях параметров криостатирования от их номинальных значений.

Параллельно другие отделы "ускорительного куста" ЛВЭ разработали систему криогенного обеспечения, корректоров магнитного поля, высокочастотные ускоряющие станции, канал инжекции, систему медленного вывода, системы управления и контроля различных устройств нуклотрона из концентратора корпуса №1 и центрального пульта управления в корпусе №2 и многое другое в соответствии с 12-томным проектом создания нуклотрона. Мне приходилось принимать участие во многих перечисленных работах для их увязки с магнито-криостатной системой ускорителя.

Профессор А.А.СМИРНОВ

(Окончание следует.)