Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

Научная школа: Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

В научной школе «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника» (рук. профессор Усов Ю.П.) выполняются научные исследования по изучению воздействия мощных ионных и нейтронных потоков на вещество.

Разработаны методы высокодозной имплантации импульсно-периодическими пучками ионов металлов в условиях квазистационарного разогрева образцов импульсно-периодическим пучком с увеличением глубины легирования и послойного нанесения покрытий с использованием абляционной плазмы, показана возможность формирования адгезионно-прочных покрытий с широким переходными слоями.

Ускорительная техника в ТПИ (ТПУ) – ускорители заряженных частиц, разработанные учеными Томского политехнического института.

Предпосылки

Разработка проблем теории и практики ускорения заряженных частиц в Томском политехническом институте была начата в 1946г. по инициативе ректора института профессора А.А. Воробьева. В те годы все работы, касавшиеся учкорителей, как в СССР, так и в других странах, были строго засекречены и взаимный обмен научной ирнформацией между чеными практически исключался. Поэтому созданный в ТПИ небольшой коллектив ученых и инженеров был поставлен перед необходимостью начинать исследованиря с нуля – изучения основ теории индукционного ускорения электронов, проектирование отдельных узлов ускорителя и установки в целом, разработка технологии производства, а затем – изготовление, монтаж, накладка и запуск готового ускорителя. [1; 60]

Бетатроны

В качестве первого ускорителя ТПИ, подлежащего разработке, Воробьевым А.А. был предложен индукционный ускоритель – бетатрон. Постановка такой задачи была очень смелым шагом, так как требовала длясвоего решения наличия специалистов высокой квалификации в различных областях науки и техники – в теории электромагнитного поля, электротехнике, высокочастотной импульсной технике, вакуумной технике, дозиметрии и др.

Последующий ход событий показпал, что выбранное научное направление являетсячрезвычайно плодотворным, и принятые методы решения научных и практических проблем вполне себя оправдали. Бетатронной тематикой были впоследствии заняты сотни научных сотрудников, инженеров и студентов института, организованы многие научные лаборатории и опытные производства, открыта подготовка инженерных кадров по ряду новых специальностей (ускорители заряженных частиц; дозиметрия ионизирующих излучений; неразрушающие методы контроля и др.). В результате изготовлены и посталены заказчикам многие десятки бетатронов. Бетатроны ТПИ работают во многих странах мира (Китай, Индия, Англия, Франция, Финляндия, Германия, Италия, Польша, Чехия и др.).

Созданные оригинальные конструкции бетатронов предназначены для исследования и обеспечения технологических процессов контроля материалов и изделий, радиоактивного анализа и применении в медицине и биологии, а в последующем для постановки тонких экспериментов по исследованию характеристического и переходного излучений, возникающих при взаимодействии ускоренных электронова со средой. [1]

Сама идея создать такой ускоритель зародилась в 20-е – 30-е гг., в том числе у немецкого физика Штейнбека и швейцарца Р. Видерое. Военные события конца 30-х годов не позволили реализовать эти идеи в Европе. Первый бетатрон был запущен в 1941г. в Иллинойском технологическом университете США группой физиков под руководством профессора Д. Керста, в 1946г. – в Швейцарии под руководством профессора Р. Видерое, в 1947г. – в Томске. Бетатроны изготавливались и в других странах, и в других институтах СССР. Но только в Томске эта проблема была решена как создание нескольких классов установок общего и специального назначения.

В апреле 1964г. в г Иена (ГДР) под председательством директора Технико-физического института профессора Эккарда состоялась международная конференция по созданию и применению бетатронов. На этой конференции советских бетатроностроителей предствляла делегация в составе профессора А.А. Воробьева и доцентов В.А. Москалева и М.Ф. Филиппова. На пленарном заседании после вступительного слова председателя оргкомитета профессора Эккарда выступили вице-президент академии наук ГДР Штейнбек, руководитель электротехнического отдела швейцарскойфирмы «Браун-Бовери» профессор Видерое, профессор А.А. Воробьев, а также ученые США, Чехословакии и Румынии, где также были созданы оригинальные конструкции бетатронов.

Однажды, в конце дня, профессор Эккард пригласил А.А. Воробьева к себе в кабинет для обсуждения достиженийи перспектив дальнейшего развития бетатроностроения. В кабинете, кроме профессора Эккарда, были профессора Штейнбек и Р. Видерое, основатель и президент фирмы «Гамма-Мат» профессор Зауервейн. У собеседников было очень много вопросов о достижениях томской школы бетатроностроения. При этом неоднократно говорилось, что создание трех классов установок, т.е. промышленного назначения на энергии 15-35 Мэв, специального назначения – сильноточных и стереобетатронов, а также малогабаритных, является не только достижением мирового уровня, но и свидетельствует о создании в Томском политехническом институте коллектива специалистов. Подчеркивался высокий уровень научного руководства работами и прогнозированием направления развития проблемы. В итоге профессора Штейнбек, Р. Видерое и Зуервейн выразили желание приехать в Томск для озакомления с достижениями в бетатроностроении. В последующем стараниями профессоров Л.М. Ананьева и В.Л. Чахлова удалось создать соваместное производство малогабаритных бетатронов с английской фирмой и выйти, таким образом, на мировой уровень развития и производства бетатронов.

В начале 1940-х гг. А.А. Воробьев сделал попытки начать работу в данном направлении, однако в то время не было ни технической готовности, ни специалистов. Работы по этой проблеме по инициативе А.А. Воробьева были продолжены в 1945г. группоспециалистов в составе доцентов Б.Н. Родимова, А.К. Потужного, В.Н. Титова, М.Ф. Филиппова и еще нескольких человек. Наибольшего успеха в этом деле добилось второе поколение ученых. Это профессор В.И. Горбунов, специализировавшийся со своим коллективом по установкам широкого назначения, профессора Л.М. Ананьев и В.Л. Чахлов, возглавившие разработку малогабаритных бетатронов и профессор В.А. Москалев, создавший уникальные сильноточные бетатроны и стереобетатроны. Научное руководство общей проблемой возглавлял А.А. Воробьев. [2; 79-81]

Синхротрон «Сириус»

В начале 50-х годов А.А. Воробьев четко представлял, что успешное использование электронных ускорителей заряженных частиц в ядерной физике возможно только в случае создания таких ускорителей уже не на миллионы, а на миллиарды электронвольт. Из циклических ускорителей, как показали работы учеников Александра Акимовича, И.П. Чучалина, Г.И. Димова и И.Г. Лещенко, максимальная энергия ускоренных электронов в бетатронах ограничивается сотнями МэВ. Поэтому он предложил заняться разработкой и созданием ускорителей электронов–синхротронов на энергии, измеряемые миллиардами электронвольт.

Для разработки и создания таких уникальных установок потребовались высококвалифицированные, специально подготовленные кадры и новые формы научно-исследовательских работ. Много сил и энергии приложил А.А. Воробьев для открытия в ТПИ новых факультетов и кафедр, чтобы готовить инженеров-физиков для реализации ядерной программы. Итогом его усилий явилось постановление Совета Министров СССР от 7 мая 1949 года об организации в ТПИ физико-технического факультета. Затем последовал приказ министра Высшего образования СССР С.В. Кафтанова об открытии в 1950 году ФТФ при ТПИ в составе четырех специальностей, а также предписывалось на ФТФ создание 6 кафедр. Ректору ТПИ, профессору А.А. Воробьеву была предоставлена широкая возможность для обновления и пополнения преподавательского состава за счет привлечения к учебному процессу молодых перспективных ученых, главным образом, выпускников аспирантуры. С этой миссией А.А. Воробьев побывал во многих ведущих вузах страны, в частности, в Ленинградском электротехническом институте, Харьковском электротехническом институте и др. Ряды преподавателей ТПИ пополнили Г. Сипайлов, В. Панов, Б. Извозчиков, И. Зильберман, М. Пинский, В. Денисова, К. Шульженко и др. Большинство из них считали годы работы в ТПИ наиболее плодотворными и полезными и давали высокую оценку мудрой политике А.А. Воробьева в кадровом вопросе, отмечая его решающую роль в росте рейтинга и популярности политехнического.

В 1955 году в составе ФТФ была организована научно-исследовательская лаборатория №2, начальником которой был назначен И.П. Чучалин, а главным инженером Г.И. Димов. Научным руководителем лаборатории являлся А.А. Воробьев. В этом же году при обсуждении эскизного проекта синхротрона «Сириус» (Сибирский резонансный импульсный ускоритель) на совещании в Минвузе СССР было принято решение о повышении максимальной энергии ускоренных электронов с 1000 до 1500 МэВ, так как к тому времени уже было известно о разработке синхротрона в Италии на 1100 МэВ и о разработке в США Корнельского синхротрона на 1200 МэВ.

При поддержке первого секретаря Томского обкома КПСС В.А. Москвина и содействии заместителя председателя Совета министров М.Г. Первухина, курировавшего атомную и ядерную энергетику, Воробьев добился принятия решения СМ СССР о выделении ТПИ необходимых фондов на материалы и комплектующие изделия, а также средств на их приобретение и изготовление.

Реализацию этого решения А.А. Воробьев поручил своим ученикам – руководителям лабораторий и ответственным исполнителям отдельных узлов. В 1958 году на базе трех лабораторий ФТФ: №1 – фотоядерных исследований, №2 – разработки электронных ускорителей, №3 – циклотронной лаборатории, был создан НИИ ядерной физики, электроники и автоматики. Директором НИИ ЯФ был назначен 32-летний к.т.н. И.П. Чучалин, руководителем сектора разработки ускорителей на высокие энергии – Г.И. Димов, разработки электротехнических и радиотехнических систем – Б.А. Солнцев, вакуумной техники – А.Г. Власов, сверхвысоких частот – А.Н. Диденко.

К процессу изготовления отдельных узлов синхротрона были привлечены на договорной основе заводы Ленинграда, Свердловска, Новосибирска, Томска, Юрги и др.

Для большей гарантии того, что создаваемый синхротрон «Сириус» оправдает возлагаемые на него надежды, было принято решение создать модельный синхротрон на энергию 300 МэВ (установка «РФ-Томск»). Изготовление отдельных элементов модельного синхротрона производилась в экспериментальных мастерских, а его монтаж и настройка - в помещении нового 11-го корпуса. 12 апреля 1961 года состоялся успешный пуск модельного синхротрона.

28 января 1965 года был осуществлен физический пуск синхротрона «Сириус» на 1,5 ГэВ. [3]

Синхротрон имеет два канала для получения тормозного и рентгеновского излучений, два канала синхротронного излучения, автоматизированную систему исследований. [1]

Первые эксперименты на синхротроне начались с изучения динамики ускоряемых частиц. Были проведены исследования влияния квантового характера синхротронного излучения на динамику электронов в синхротроне. В первом эксперименте, проведенном в1968-1969 годах уже на пучке γ-квантов, было измерено время жизни π°-мезона с лучшей в мире точностью. Теоретические исследования были связаны с изучением свойств гиперядер, рассеянием, фото- и электророждением мезонов на нуклонах и ядрах. В 70-х годах уже прошлого века в теоретических и экспериментальных исследованиях на «Сириусе» сложилось в лаборатории два основных научных направления, в которых сотрудниками лаборатории получены приоритетные результаты. [4]

В 80-е и 90-е годы был модернизирован синхротрон, получены интенсивные поляризованные пучки фотонов высокой энергии, созданы многоцелевые детектирующие системы на основе широкоапертурных детекторов, создана локальная вычислительная сеть. На новых экспериментальных установках были получены важные и приоритетные физические результаты по околопороговому образованию нейтральных мезонов на легких ядрах, эксклюзивному фотообразованию пионов на ядрах углерода и по парциальным реакциям фотообразования нейтральных пионов на легчайших ядрах, фотодезинтеграции дейтерия линейно поляризованными фотонами.

Важным направлением исследований на синхротроне была физика взаимодействия ультрарелятивистских электронов с конденсированными средами. Это направление начало интенсивно развиваться в конце 70-х под руководством А.П. Потылицына.

Прецизионное измерение характеристик КТИ, проводившееся на синхротроне “Сириус" во второй половине 70-х годов, показало на¬личие явных аномалий, которые не описывались теорией КТИ. Так, в эксперименте, проведенном на "Сириусе" с монокристаллом алмаза, был обна¬ружен эффект КТИ В. Началось исследование излучения при каналировании (ИК) релятивистских частиц. В эксперименте на «Сириусе» в 1978 г. впервые было показано, что радиационные потери имеют ярко выражен¬ный максимум в случае движения электронов вдоль кристаллографической оси. Несколько позже аналогичные результаты были получены российско-американской группой на позитронном пучке Стэнфордского ускорителя и ереванской группой на синхротроне "АРУС". Обнаруженный эффект широко использовался впоследствии для ориентации кристал¬лических мишеней на многих ускорителях. Также целый ряд других характеристик ИК, измеренных впервые на синхротроне "Си¬риус", нашли свое подтверждение и развитие в экспериментах, поставленных на раз¬личных электронных ускорителях Европы, Японии и стран СНГ. В качестве возможного приложения ИК была показана возможность создания эффектив¬ного источника позитронов на основе конвертора из ориентированного кристалла, которая была проверена в 1996 г. в российско-японском эксперименте на Токийском синхротроне. В 1998 г. аналогичный совместный эксперимент был проведен на линейном ускорителе Национальной лаборатории по физике высоких энергий (Цукуба, Япония).

В 1985 году в эксперименте, проведенном на "Сириусе", обнаружен новый тип излучения, названный параметрическим рентгеновским излучением (ПРИ). В дальнейшем, ха¬рактеристики ПРИ были исследованы на "Сириусе" с использованием современной аппаратуры (гониометр с азотным охлаждением, координатные рентгенов-ские детекторы, полупроводниковые спектрометры и др). Результаты пионерских экспериментов томской группы были подтверждены как теоретически, так и экспериментально во многих ускорительных лабора¬ториях США, Японии, Канады, Германии.

Сотрудники лаборатории неоднократно принимали участие в экспериментах по исследо¬ванию характеристик ПРИ на зарубежных ускорителях, а известные ученые из США и Японии (М. Моран, Р. Фиорито, И. Эндо, К. Накаяма) приезжали в Томск для со-вместных экспериментов на синхротроне "Сириус".

В этот же период проводилось исследование излучения релятивистских электронов в аморфных средах. Так, был впервые зарегистрирован эффект Ландау-Померанчука при излучении электронов с энергией менее 1 ГэВ. В 1996 году было впервые зарегистрировано поляризационное тормозное излучение. В 2002 г. объект "Сириус" под руководством Н.А. Лашука вошел в состав лаб.11.

В 2000-е годы на синхротроне «Сириус» проведены два эксперимента. В одном исследовались изобарные конфигурации в ядрах. Была сделана оценка числа Delta-изобар в основном состоянии легких ядер. Результаты другого эксперимента по фотообразованию отрицательных пионов на углероде были интерпретированы как проявление квазисвязанного состояния ядра и Delta-изобары (такие состояния были названы нами Delta-ядрами). На основе данных эксперимента были оценены масса и ширина Delta-ядра 11BΔ. Также выполнен анализ ранее полученных экспериментальных данных по фотообразованию пионов на ряде ядер в Майнце, Сакле и Томске. В результате, дополнительно обнаружены еще четыре Delta-ядра. Перспективы развития этой тематики связаны с продолжением исследований на электронном синхротроне «Пахра» ФИАНа в рамках договора о научно-техническом сотрудничестве между ТПУ и ФИАНом, подписанном в 2009 году.

В течение более 40 лет на синхротроне "Сириус" выработано на эксперимент около 100 тысяч часов пучкового времени. По результатам создания ускорителя, экспериментальным и теоретическим исследованиям проведено 9 всесоюзных конференций по электронным ускорителям, всесоюзная школа молодых ученых, заседание Совета АН по Э/М взаимодействиям, 8 международных симпозиумов "Излучение релятивистских электронов в периодических структурах" (RREPS), защищено более 20 докторских и около 100 кандидатских диссертаций.

С 2000 г. на пучках синхротрона и микротрона–инжектора синхротрона «Сириус» были начаты исследования дифракционного излучения релятивистских частиц и излучения Смита-Парселла в оптическом и миллиметровом диапазонах длин волн, что положило начало новому направлению исследований – невозмущающей диагностики пучков. [5]

Параллельно с разработкой и сооружением ускорителей собственными силами, в ТПУ монтировалисьт ускорители, изготовленные и поставляемые в ТПИ другими научными учреждениями СССР. Так институтом электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова (Ленинград) были посмтавлены циклотрон и электростатический генератор ЭСГ-2,5. Циклотронная лаборатория была создана в ТПИ в 1957г. Циклотрон с диаметром полюсов 120 см. может ускорять протоны до 33 Мэв. Позже циклотрон был модернизирован, что позволило ускорять на нем, кроме протонов, также дейтроны, ядра гелия, ионы тяжелых газов – углерода, азота, кислорода. Наряду с физическими исследованиями, получением коротеорежущих радионуклидов, на базе циклотрона создан (совместно с НИИ онкологии) медико-биологический комплекс для нейтронной терапии злокачественных опухолей.

Электронные и ионные ускорители в ТПИ в 1960-1980-х гг.

Параллельно с разработкой и сооружением ускорителей собственными силами, в ТПУ монтировалисьт ускорители, изготовленные и поставляемые в ТПИ другими научными учреждениями СССР. Так институтом электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова (Ленинград) были посмтавлены циклотрон и электростатический генератор ЭСГ-2,5. Циклотронная лаборатория была создана в ТПИ в 1957г. Циклотрон с диаметром полюсов 120 см. может ускорять протоны до 33 Мэв. Позже циклотрон был модернизирован, что позволило ускорять на нем, кроме протонов, также дейтроны, ядра гелия, ионы тяжелых газов – углерода, азота, кислорода. Наряду с физическими исследованиями, получением коротеорежущих радионуклидов, на базе циклотрона создан (совместно с НИИ онкологии) медико-биологический комплекс для нейтронной терапии злокачественных опухолей.

Электростатический генератор на 2,5 Мэв может ускорять или электроны, или ионы; с его помощью проводятся исследования по радиационной физике. Генератор дает пучки электронов, ионов гелия, ионов водорода с энергией 2,3 Мэв. На базе электростатического ускорителя получен новый «ионный микрозонд». Фокусирующаясистема позволяет получать пучок диаметром до 10 микрометров, что значительно расширяет экспериментальные возможности усановки.

Линейный ускоритель электронов «Электроника» ЭЛУ-4 предназначен для радиационной обработки электронным пучком изделий электронной техники. Ускоритель разработан в НПО «Торий» (Москва) и введен в эксплуатацию в 1986г. Диапаззон регулировки средней энергии ускоренных электронов составляет 2,3-4,1 Мэв. Максимальная энергия ускоренных электронов достигает 6 Мэв. Максимальный средний ток ускоренных электронов равен 1000 мкА. Ускоритель снабжен устройством для развертки электронного пучка. Ускоритель используется для радиационных испытаний элементов бортовой аппаратуры космических аппаратов, радиационной стерилизации радиационного сырья и изделий, медицинской техники, а также для отработки радиационных технологий.

На основе комплекса ускорителей в составе линейного ускорителя ЭЛУ-4, бетатрона МИБ-6э и бетатрона Б-10э в НИИ интроскопии создана учебно-научная лаборатория «Прикладнаяфизика» для выполнения лабораторных работ студентами физико-технического, электрофизического, а также факультета автоматики и электромеханики.

60-70-е гг. ознаменовались развитием сильноточных электронных и ионных ускорителей. За короткий срок была создана серия ускорителей с энергией частиц до 1 Мэв и мощностью пучка до 100 МВт. Первым таким ускорителем явился сильноточный ускоритель «Тонус». Затем появился сильноточный ускоритль микросекундной длительности с запасаемой энергией мегаджоульного диапазона «Тонус-2М», сильноточный ускоритель с промежуточным емкостным накоплением энергии «Вера», многоцелевой сильноточный ускоритель «Луч», сильноточный ускоритель «Дубль», линейные индукционные ускорители.

На ускорителях проводились исследования по транспортировке сильноточных релятивистских электронных пучков в газе и вакууме, их взаимодействию с границей раздела двух сред, влияний на свойства различных материалов, по генерации мощного СВЧ-излучения.

Одновременно с работами по электронным пучкам были начаты исследования по генерации сильноточных ионных пучков. Предложены и реализованы принципиально новые методы и системы для эффективного формирования мощных ионных пучков наносекундной и микросекундной длительности («Темп», «Вера», «Мук»). Созданы сильноточные источники ускоренных ионов и плазмы, основанные на генерации плазмы вакуумной дугой, работающие в режиме импульсно-периодического извлечения и ускорения ионов и в импульсно-периодическом или непрерывном режимах формирования плазменных потоков («Радуга-1»-«Радуга-2»).

Ионные пучки находят широкое применение в исследованиях по модификации поверхности материалов и реализации технологических режимов –высококонцентрированной имплантации и плазменного осаждения покрытий и динамических режимов ионного перемешивания.

Решающий вклад в развитие ускорительной тематики в ТПУ, выполнявшийся под общим руководством А.А. Воробьева, внесли коллективы, руководимые профессорами И.П. Чучалиным, А.Н. Диденко, В.А. Москалевым, Л.И. Ананьевым, В.И. Горбуновым, Ю.П. Усовым, Г.Е. Ремневым, А.И. Рябчиковым, В.А. Чахловым и др. [1]

Источники

1. Журнал ТПУ «Томский политехник» /Издание Ассоциации выпускников ТПУ; № 6, 2000г.-224с.

2. М.Г. Николаев. «Ректор Томского политехнического института А.А. Воробьев. Воспоминания, размышления». Изд-во «Красное знамя», Томск, 2000г. – 142с.

3. http://portal.tpu.ru/person/vorobiev/science/synchrotron

4. http://portal.tpu.ru/departments/laboratory/lab11

5. http://portal.tpu.ru/departments/laboratory/lab11/history