История ускорителя и человека

   Осенние правительственные хроники далекого уже   1967 года сохранили, помимо прочего, также новость,   ставшую тогда подлинной сенсацией для   отечественной и мировой физической науки. А   сообщалось в ней о том, что «... в Институте физики   высоких энергий успешно запущен самый крупный в   мире ускоритель протонов, получена проектная   энергия 70 ГэВ (миллиардов электрон-вольт), который будет использован для дальнейшего развития ядерной физики и проникновения в тайны строения материи…»   (по газете «Правда» от 25 октября 1967 г.).

Прошло время. И по сей день протонный синхротрон У-70, размещенный в полуторакилометровом кольцевом зале близ города Протвино Московской области, остается крупнейшим исследовательским прибором отечественной фундаментальной науки.   Успешная работа У-70 в течение вот уже многих лет - это уже само по себе выдающееся научное достижение. Для того чтобы сосчитать подобного рода ускорители-гиганты на планете, хватит пальцев на одной руке, а уж "долгожителей" среди них и того меньше. Ускорители такого класса, несмотря на то, что они делаются на пределе технических возможностей своего времени, постоянно модернизируются и переделываются под новые физические задачи. И вообще говоря, каждый ускорительный научный центр любой страны или группы стран (разумеется, такие машины по силам только наиболее развитым в научно-техническом плане государствам) - это целый комплекс различного типа ускорительных машин, соединенных в единую цепочку для достижения максимально возможной энергии разгоняемых частиц. Протоны, то есть ядра атомов водорода, надо вначале сформировать в поток, затем провести предварительное ускорение в линейном ускорителе, и лишь затем «пересадить» на кольцевую орбиту в вакуумной трубе (у нас, напомню, длиной полтора километра) для многократного её прохождения с одновременным ускорением  - до расчётной энергии. На каждом этапе – своя выверенная методика, и своя соответствующая техника.

Ускорительный комплекс ИФВЭ выделяется тем, что в его состав с начала 80-х входит уникальный, первый в мире линейный ускоритель-инжектор на энергию 30 МэВ (миллионов электрон-вольт), работающий без применения специальных электромагнитных устройств, предназначенных для фокусировки частиц. Вот на этой особенности хотелось бы остановиться подробнее. Тем более что есть важный повод, связанный с «человеческим фактором», суть которого будет раскрыта ниже.

Почему проблема фокусировки частиц важна для ускорителей? Дело в том, что ускоряемый в вакуумной трубе ускорителя пучок протонов (точнее говорить - "сгустки" или "пакеты" из множества "субъектов ускорения", поскольку все ускорители работают в импульсном режиме) состоит из одноименно заряженных частиц. Они, помимо взаимодействия с остаточным вакуумом, претерпевают так называемое «кулоновское расталкивание», из-за чего всему ансамблю частиц грозит разбухание и вылет на внутренние стенки вакуумной камеры. Именно поэтому ускорение частиц долгое время считалось невозможным без применения специально расставленных электромагнитов, в зоне действия которых силами магнитного поля осуществляется "поджимание" частиц к оси ускорения.

Именно так, по "схеме Альвареца" (в честь пионера протонных линейных ускорителей, американского физика - нобелевского лауреата 1968 года Луиса Уолтера Альвареца), были устроены все достаточно мощные линейные ускорители протонов, появившиеся в ускорительных лабораториях мира во второй половине XX века. Схема оказалась работоспособной. Минусы этой схемы - внушительные размеры (а значит – и стоимость) высокочастотного оборудования и фокусирующих устройств. Кроме того, эффективное ускорение оказалось возможным начинать от энергий, близким к величине порядка 1 МэВ, что само по себе требовало наличия сверхмощных импульсных трансформаторов. Так работал, выдавая протоны с энергией 100 Мэв для дальнейшего ускорения в синхротроне У-70, линейный ускоритель И-100, также рекордсмен своего времени по энергии ускоренных частиц и габаритам (внутри трубы резонатора при монтаже мог свободно проходить человек).

Разумеется, физики - ускорительщики думали о том, как сделать линейные ускорители протонов и более тяжелых ионов и дешевле, и экономичнее. Уже в середине 50-х годов в во Франции (П. Лапостоль) и нашей стране были проведены теоретические, «на кончике пера», исследования возможности фокусировки частиц самим ускоряющим полем. Первые работы В.В. Владимирского, а затем - углубленные исследования И.М. Капчинского и В.А. Теплякова, - стали основанием для регистрации этими тремя учеными открытия нового типа линейного ускорителя ионов с т.н. «пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой» - ПОКФ. Расчеты, а затем практические исследования, проведенные в ИФВЭ, показали, что  в диапазоне от 0.1 до 2-3 МЭВ применение ПОКФ позволяет проводить ускорение практически без потерь частиц. Для дальнейшего ускорения до энергий, достаточных для инжекции в кольцевую машину (а это уже десятки Мэв) можно переходить, но уже на гораздо более выгодных условиях, к традиционной «схеме Альвареца». Либо, как предложили наши ученые, использовать специальную форму и расстановку ускоряющих электродов, обеспечивающих фокусирующий эффект. Как говорится – просто до гениальности!

Но это на бумаге всё получалось, но практически – не всё и не сразу... Наиболее последовательно и целеустремленно, несмотря на временные неудачи, работала над поставленной задачей команда исследователей во главе с Владимиром Александровичем Тепляковым, которая была собрана к началу работы ускорительного комплекса ИФВЭ  (преимущественно – из некоторых предприятий бывшего Минсредмаша на  Урале) в подразделении, занимавшемся запуском, а затем и эксплуатацией линейного ускорителя протонов на энергию 100 Мэв  качестве инжектора в синхротрон (И-100, схема Альвареца). Расчеты и экспериментальные исследования новой ускоряющей структуры убедили в правильности выбранного пути, и уже к середине 70-х годов Тепляков с сотрудниками практически доказали работоспособность этой схемы до энергий ускоряемых протонов порядка 30 МэВ. Были изготовлены и испытаны как начальная часть ускорителя с ПОКФ, так и две секции на более высокие энергии на т.н. «рогатых» электродах. Стало известно, что буквально «по пятам Теплякова» исследования ПОКФ ведутся в Западной Европе и в США, где она получила название «высокочастотные квадруполи» - RFQ в английской транскрипции.

Как раз этому же времени в ИФВЭ было принято решение: с целью повышения интенсивности протонного пучка на выходе У-70 модернизировать систему инжекции с использованием дополнительного промежуточного (бустерного) сравнительно небольшого синхротрона с длиной орбиты 100 метров, который производит промежуточное ускорение пучка до энергии порядка 1 - 1,5 ГэВ, и лишь затем – разгон в большой машине. В качестве инжектора в бустер первоначально предполагалось использовать часть (первый резонатор) линейного ускорителя И-100, который перестал бы существовать в качестве самостоятельной машины. И вот здесь надо отдать должное смелости руководителей Института: было решено применить "ускоритель Теплякова", получивший к тому времени имя собственное - УРАЛ-30 (ускоритель резонансный автофокусирующий линейный на энергию протонов 30 МэВ). Соответствующие работы были произведены, и уже в начале 80-х отечественный ускоритель-гигант начал работать с новой системой инжекции – от УРАЛ-30. Благодаря её применению такой важный эксплуатационный показатель работы ускорителя, как интенсивность пучка, был повышен на порядок, то есть в 10 раз.

   Эта модернизация, как и последующие работы по обновлению   наиболее «износоподверженных» элементов систем ускорителя,   обеспечила проведение в ИФВЭ широкого фронта исследований в   области физики частиц как во второй половине 80-х, так и в   последующие годы, когда основным фактором для обеспечения   работы ускорительного комплекса стало наличие необходимых   ресурсов (прежде всего – финансовых). Как бы там ни было,   российская наука по-прежнему располагает ускорителем на   энергии, по-прежнему самыми высокими на всем евразийском   пространстве - от восточной Европы до Японии включительно.   Наличие такого работающего ускорителя - своего рода гарантия   того, что российские ученые продолжают работать на отечественном оборудовании с сохранением признанного мирового уровня.

Создателю  УРАЛа-30 Владимиру Александровичу Теплякову 6 ноября 2005 года исполнилось 80 лет. В Институте, в родном отделе достойно и вместе с тем скромно отметили юбилей. И вот здесь хотелось бы рассказать немного о нем самом. Это удивительный человек, прошедший незаурядный жизненный путь - от солдата Великой Отечественной войны до замечательного ученого и изобретателя. Судите сами.

С января 1943 года Владимир Тепляков – в действующей армии. Сразу же обнаруживает склонность к работе с техникой связи, так что служит в должности радиомастера, затем – начальника радиомастерской. Приходилось участвовать и в боевых действиях, свидетельством чему стали орден «Славы», медали «За отвагу», «За освобождение Вены». Вскоре после Победы выбирает для себя науку. И вот здесь начинается его «путь к УРАЛу». Получив высшее образование, Владимир Тепляков работает в Институте химической физики АН СССР, где под руководством академика Н.Н. Семенова в то время были развернуты поисковые работы по созданию сильноточного линейного ускорителя ионов непрерывного режима.

Как рассказал сам юбиляр, эта масштабная и, как оказалось, крайне сложная программа, имела отношение прежде всего к «атомному проекту», поскольку такой ускоритель мог бы в известной степени восполнить нехватку природного урана. Впрочем, залежи урана вскоре были открыты, но впереди замаячила идея «электроядерной программы», другие прикладные задачи – например, «выжигание» радиоактивных отходов, столь актуальная ныне проблема. С конца 50-х эти работы были продолжены на Урале, в Челябинске-70 (ныне г. Снежинск) под руководством Б.К. Шембеля. Научные интересы молодого ученого естественным образом сосредоточились в области радиотехники ускоряющих систем и динамики частиц в ускорителе. Об остальном – уже сказано выше.

К сему можно добавить, что доктор технических наук, профессор, почетный гражданин города Протвино В.А.Тепляков после 30-летнего руководства коллективом Отдела линейных ускорителей  по-прежнему каждое утро ходит на работу в родной институт, но уже в качестве главного научного сотрудника ГНЦ ИФВЭ. Под его научным руководством ведутся работы по созданию нового ускорителя типа УРАЛ, в котором не только учтен опыт создания и многолетней эксплуатации «первенца», но и реализуются новые идеи В.А. Теплякова и его учеников по повышению темпа ускорения, улучшению других параметров ускорителя. Эти же идеи заложены в проект прототипа линейного ускорителя для перспективной международной разработки в ЦЕРНе (Женева) по реализации режима ускорения, близкого к непрерывному. Таким образом, более чем сорокалетние исследования у нас и за рубежом, направленные на создание мощного ускорителя ионов непрерывного режима, продолжаются – с участием В.А. Теплякова.

Об успехах ученого судят прежде всего по конкретному результату его творческих усилий. Что касается В.А. Теплякова, то в ИФВЭ можно увидеть такой результат, что называется "в железе. И не только в ИФВЭ - применение ПОКФ, или RFQ-структур, стало теперь непременным условием при создании новых ускорителей ионов в отечественных и западных ускорительных лабораториях. Вот так эффект, в буквальном смысле этого слова "вычисленный на кончике пера", обрел свою жизнь. Как и многое другое, это отечественное изобретение было быстро подхвачено за рубежом, и начало свое победное шествие по ускорительным центрам планеты.

Именно поэтому В.А. Тепляков награжден таким редким знаком отличия, как премия Американской школы ускорителей (вместе с И.М. Капчинским). Родина также достойно отметила выдающуюся роль В.А. Теплякова в развитии отечественной ускорительной науки и техники – он награжден орденом Октябрьской революции, а вместе со своим соратником (по теоретическим изысканиям) из ИТЭФ И.М. Капчинским был удостоен Ленинской премии по науке и технике за 1988 год.

Но главная, видимо, награда в его жизни - осуществленная мечта. Это, разумеется, "УРАЛ-30" - ускоритель резонансный автофокусирующий линейный на энергию протонов 30 МэВ - инжектор в бустер протонного синхротрона ИФВЭ, первая в мире действующая машина такого типа.

Посетив незадолго до юбилея Владимира Александровича на его рабочем месте (см., фото автора), я задал ему немало вопросов на темы, которые изложены выше.

  А когда я спросил в завершение беседы: «Как считаете, Владимир Александрович, жизнь удалась?» - этот исключительно скромный человек ответил коротко: «Думаю, да. Мне повезло в том, что я работал не один, а с друзьями. Вот только до непрерывного режима не добрались пока…»

 *     *    * 

К великому сожалению всех, кто знал В.А.Теплякова, со следующей юбилейной датой поздравлять его  не довелось - он скончался в 2009 году,  лишь немного не дожив до своего 85-летия.

А ускоритель УРАЛ остался служить науке... 

Личная авторская справка:  Владимир Александрович лично принимал меня на работу в отдел инжектора в июле 1972 год, где мне довелось проработать, зачастую контактируя непосредственно с ним, около 12 лет...