Синхроциклотрону ПИЯФ 40 лет

5 ноября 2007 года исполняется 40 лет со дня первого пуска синхроциклотрона на энергию протонов 1000 МэВ Петербургского института ядерной физики им Б.П.Константинова Российской академии наук. Синхроциклотрон ПИЯФ, создающий пучки протонов, ускоренных до высокой энергии, наряду с исследовательским реактором ВВР-М, обеспечивающим физиков пучками нейтронов, является основой экспериментальной базы института. Пуск в Гатчине самого крупного в мире синхроциклотрона явился знаменательным событием, которое широко освещалось в средствах массовой информации тех лет.

История создания синхроциклотрона ПИЯФ такова. В середине 50-х годов было принято Правительственное решение о создании на базе Ленинградского Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе АН СССР Филиала института, который позднее был переименован в ПИЯФ РАН. В Филиал ФТИ предполагалось перевести из ФТИ все исследования в области физики ядра и элементарных частиц. Местом создания Филиала был выбран город Гатчина Ленинградской области. С принятием решения о сооружении синхроциклотрона в Гатчине у Физтеха возникла очень ответственная задача по реализации этого решения.

Научным руководителем по сооружению и запуску синхроциклотрона был назначен заведующий циклотронной лабораторией Физтеха Дмитрий Георгиевич Алхазов. К работе по созданию синхроциклотрона был привлечен целый ряд молодых сотрудников Физтеха: Н.К.Абросимов, Н.Н.Чернов, А.В.Куликов, С.П.Димитриев, Г.Ф.Михеев, Г.А.Рябов, В.А. Елисеев, И.А Петров, Ю.Т. Миронов. Заместителем научного руководителя по сооружению синхроциклотрона был назначен тогда еще комсомолец Н.К. Абросимов. Благодаря энтузиазму и активному напору молодых сотрудников, сооружение синхроциклотрона и его ввод в эксплуатацию удалось провести в достаточно короткие сроки, и уже в 1967 году был произведен первый физический пуск ускорителя.

Сооружение самого крупного в мире синхроциклотрона потребовало решения целого комплекса сложных научно-технических проблем, сложность которых была обусловлена в первую очередь высокой проектной энергией ускоряемых протонов, которая для ускорителя типа синхроциклотрон является, по-видимому, предельной. К числу этих проблем следует отнести:

· создание самого большого в мире электромагнита с диаметром полюса 7 метров и весом 8 тысяч тонн;

· создание высокочастотной резонансной системы синхроциклотрона с рекордными параметрами;

· разработка и создание экспериментального комплекса синхроциклотрона для проведения на пучках ускорителя научных и прикладных работ.

Решение этих проблем потребовало поиска принципиально новых подходов к созданию ряда узлов и систем ускорителя. Многие из найденных в ходе разработки ускорителя технических решений были защищены авторскими свидетельствами.

Наиболее серьёзная проблема заключалась в создании высокочастотной системы синхроциклотрона с рекордным перекрытием по частоте, равным 2,3, что явилось следствием высокой для этого типа ускорителей конечной энергии ускоряемых протонов. Такое перекрытие по частоте ускоряющего напряжения на момент создания синхроциклотрона ПИЯФ среди действующих синхроциклотронов не было достигнуто нигде, и для решения этой проблемы потребовался поиск принципиально новых решений, как для выбора конструктивной схемы резонансной системы, так и для выбора схемы основного узла высокочастотной системы - вариатора частоты.

В разработке, сооружении и вводе в эксплуатацию синхроциклотрона ведущая роль принадлежала Филиалу ФТИ и Научно-исследовательскому институту электрофизической аппаратуры им.Д.В.Ефремова (НИИЭФА). Проект здания синхроциклотрона и его технологических систем по техническому заданию Филиала ФТИ был разработан в "Ленинградском проектном институте" (теперь ГУП ГИ ВНИПИЭТ), проект систем электропитания и нестандартного электротехнического оборудования разработали НИИЭФА и ГПИ "Тяжпромэлектропроект". Изготовление нестандартного оборудования синхроциклотрона осуществлено на заводе ЛЭЗ ЛЕО «Электросила». Строительство синхроциклотрона было начато в 1957 году силами военных строителей «Главспецстроя», и уже в 1964 году были построены все здания ускорительного комплекса и закончен монтаж основного оборудования и систем электропитания.

В 1967 году на синхроциклотроне были закончены все строительно-монтажные работы, запущены системы электроснабжения и водоохлаждения, смонтирован электромагнит и вакуумная камера, в камере получен вакуум. Были завершены работы по формированию магнитного поля синхроциклотрона. Осталась только высокочастотная система, которая была привезена в Гатчину весной 1967 года. И вот тут началась трагедия. Первые измерения показали, что высокочастотная система синхроциклотрона, которая должна подать на дуант ускорителя ускоряющее напряжение с частотой, изменяющейся от 30 до 13 МГц, не обеспечивает диапазон частот ускоряющего напряжения, необходимый для ускорения протонов от нуля до 1000 МэВ. Что же делать? Начался «мозговой штурм».

Летом 1967 года к нам приехал из Дубны известный физик, специалист по ускорителям Венедикт Петрович Джелепов, который посмотрел на наш ускоритель и сказал: «Эта груда железа работать не будет». Появилось предложение – отправить высокочастотную систему обратно в НИИЭФА на доработку. Если бы мы это сделали, пуск ускорителя был бы отложен на много лет. И здесь наша молодежь сказала: «Никуда отправлять ничего не будем, сделаем все сами». Наш шеф Д.Г. Алхазов вначале был против, считая, что мы берем на себя слишком большую ответственность. Однако, через некоторое время мы его уговорили, и он активно вместе с нами взялся за дело. Нужно было проанализировать конструкцию резонансной системы синхроциклотрона и понять, что необходимо изменить, чтобы получить необходимый диапазон частот ускоряющего напряжения.

В то время очень просто было что-либо планировать. Были красные дни календаря: 1 мая, 7 ноября, 22 апреля, 5 декабря и надо было все этапы своей деятельности рассчитывать так, чтобы они заканчивались к красным дням календаря. В 1967 году таким днем было пятидесятилетие советской власти 7 ноября. Перед нами была поставлена задача: осуществить первый пуск синхроциклотрона к 7 ноября. Приближаясь к этой дате, мы работали день и ночь. Каждый четверг Н.К. Абросимов, как руководитель работ, должен был являться к директору Физтеха Владимиру Максимовичу Тучкевичу с докладом о том, как идут дела. Мы сутками не выходили из корпуса ускорителя. Наконец, в ночь на 5 ноября мы совершили первый пробный пуск нашего синхроциклотрона. Нам не удалось тогда получить полную проектную энергию ускорителя 1000 МэВ, ускорили протоны только до энергии около 750 МэВ. Интенсивность пучка оказалась достаточной, чтобы только убедиться по гамма-излучению от рассеянных протонов в его существовании. Д.Г. Алхазов работал вместе с нами. В 5 часов утра, после того как мы зарегистрировали ускоренные протоны, он позвонил на квартиру В.М. Тучкевича, разбудил его и сказал:

-Владимир Максимович, ситуация складывается так, что с Вас коньяк.

Надо отдать должное В. М. Тучкевичу, который обладал хорошим чувством юмора. Он все понял и ответил:

- Понял, Утром буду у Вас в Гатчине.

Утром Владимир Максимович явился с бутылкой коньяка. Где он его взял - не известно, так как в те времена коньяк по утрам не продавали. Потом понаехали корреспонденты и во всех газетах появились статьи об очередном достижении наших ученых, которое они сделали к пятидесятилетию советской власти. После этого мы работали еще два с половиной года, пока не довели наш ускоритель до рабочего состояния и к 100-летию со дня рождения В.И. Ленина сдали его в эксплуатацию.

С вводом синхроциклотрона в эксплуатацию было завершено создание первой очереди ускорительной базы ПИЯФ, на основе которой было обеспечено на длительную перспективу проведение фундаментальных и прикладных исследований в различных областях физики, медицины и радиационной технологии.

В 1975 году на синхроциклотроне ПИЯФ совместно с ЦНИРРИ Минздрава СССР был создан комплекс протонной лучевой терапии , предназначенный для лечения различных заболеваний головного мозга и в частности аденом гипофиза и артериовенозных аневризм головного мозга. В отличие от других отечественных и зарубежных центров протонной терапии, где для целей протонной лучевой терапии применяются протоны с энергией 70 – 200 МэВ, а для формирования глубинных дозных полей используется эффект увеличения ионизационных потерь протона в конце пробега (пик Брэгга), на синхроциклотроне ПИЯФ используется разработанная совместно с ЦНИРРИ методика облучения («Гатчинский метод») протонами с энергией 1000 МэВ напролет в сочетании с подвижной техникой облучения. Основное преимущество метода состоит в возможности формирования дозных полей малого объема с очень высоким краевым градиентом, что позволяет концентрировать поглощенную энергию облучения в очаге поражения при минимальных радиационных нагрузках на окружающие ткани. По состоянию на сегодняшний день курс облучения на синхроциклотроне ПИЯФ прошли более 1300 больных. Из всех больных, прошедших курс протонной терапии, 80% случаев составили больные микроаденомами гипофиза (АГ) и артериовенозными мальформациями головного мозга (АВМ). Клиническая ремиссия зафиксирована в 85% случаев. Отметим, что лечение заболеваний, требующих эктомии малых участков головного мозга размерами в несколько мм³, возможно только по «гатчинской» методике на синхроциклотроне ПИЯФ.

В настоящее время на пучках синхроциклотрона проводится широкая программа научных и прикладных исследований по планам Российской Академии наук. При проведении экспериментальной программы исследований на синхроциклотроне коллектив ученых ПИЯФ сотрудничает с большинством научных центров данного профиля, как в России, так и за рубежом.

К научным организациям России, с которыми в использованиии синхроциклотрона взаимодействует наш институт, являются: РНЦ Курчатовский институт, РИАН им В.Г.Хлопина, ОИЯИ (Дубна), ИТЭФ, ВНИИЭФ (Саров) МФТИ, ЦНИРРИ МЗ РФ, ГНЦ ФЭИ, ЦНИИ “Электронстандарт”, НПО “Специализированные электронные системы” (Москва), НИИ Приборов (г. Лыткарино), МИСИС, Стерлитамакский филиал Академии Наук Республики Башкортостан (СФАНБ) и другие.

К зарубежным научным центрам, с которыми мы струдничаем, относятся: Калифорнийский Университет (США), Абелинский университет (США); Институт физики излучений ядерной физики Бонского Университета (Германия); Брукхейвенская Национальная Лаборатория (США); Институт Пауля Шерера PSI (Швейцария), КФК (Юлих, Германия); GSI (Дармштадт, Германия); ISOLDE (CERN, Швейцария); Резерфордовская Лаборатория (Англия); Аргонская Национальная Лаборатория (США); GANIL (Каен, Франция); Центр ядерных данных NDC/JAERI (Токаймуре, Япония); Исследовательский центр ядерной физики (Осака, Япония); Лундский Университет (Швеция); ONERA (Тулуза, Франция); Университет Ювяскюля (Финляндия); SATURN (Сакле, Франция); FNAL (США) и другие.

В настоящее время синхроциклотрон ПИЯФ на энергию протонов 1000 МэВ остается одним из активно действующих протонных ускорителей средних энергий в России и успешно эксплуатируется, обеспечивая выполнение плана научно-исследовательских и прикладных работ института.

В 1996 году синхроциклотрон ПИЯФ решением МинПромНауки РФ получил статус уникальной установки Российской Федерации национальной значимости.

Зав. ускорительным отделом

Доктор технических наук Н.К. Абросимов