Опыт эксплуатации показал, что СЦ оказался очень удачным ускорителем, особенно для исследований атомных ядер. Энергия протонов 1000 МэВ оптимальна для глубокого изучения структуры ядра (идеальная область применения теории Глаубера-Ситенко для количественного описания ядерных реакций). Хорошая моноэнергетичность пучка (0,3 МэВ), хорошая временная структура (коэффициент заполнения 30%), достаточно высокая интенсивность (1мкА выведенного пучка) оставляют этот ускоритель востребованным и в современных ядерных исследованиях.

На базе СЦ действует единственная в России ISOL установка ИРИС (Исследование Радиоактивных Изотопов на Синхроциклотроне), где производятся и исследуются радиоактивные изотопы элементов Периодической системы. С момента запуска установки исследовано более 300 ядер, 17 из которых идентифицированы впервые. На ИРИСе впервые был разработан и применен метод лазерного ионного источника для селективного получения нуклидов.

Богатый опыт эксплуатации установки ИРИС и результаты новых разработок будут использованы при создании новой ISOL системы ИРИНА, как на реакторе ПИК, так и на пучке сильноточного циклотрона Ц-80 для получения медицинских радионуклидов высокой чистоты.

В настоящее время на пучке СЦ исследуются прототипы мишеней для получения генераторного медицинского радиоизотопа Sr-82 и других радионуклидов для медицины. Разработанные мишенные устройства будут использованы для получения медицинских радионуклидов на радиоизотопном комплексе Ц-80.

За годы работы СЦ был получен целый ряд важных результатов, в частности, в исследовании пион-протонного и протон-протонного взаимодействия. На мюонном канале синхроциклотрона была успешно выполнена серия экспериментов по исследованию мюонного катализа реакций ядерного синтеза. Мюонный пучок эффективно используется также для исследования магнитных свойств различных материалов с помощью метода вращения спина мюона.

Пучок протонов с энергией 1000 МэВ оказался удачным и для осуществления нейрохирургических операций. Разработанный в ПИЯФ совместно с РНЦРХТ метод протонной терапии вот уже в течение многих лет успешно используется для лечения сложнейших заболеваний головного мозга. Курс лечения прошли 1394 пациента.

pt

Кроме сотрудников ПИЯФ, в экспериментах на СЦ принимали и продолжают принимать участие физики из многих институтов страны. Например, 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), НИИКП, МИСИС, Стерлитамакский филиал Академии Наук Республики Башкортостан (СФАНБ) и другие.

Именно в ходе экспериментов на СЦ выросли квалифицированные специалисты и родились экспериментальные методики, составившие затем основу участия нашего института в международных экспериментах.

Среди зарубежных научных центров, с которыми успешно сотрудничает ПИЯФ, можно, например, назвать: 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.

Трудно отразить все научные результаты, полученные в физических исследованиях за годы работы СЦ. Укажем только основные:

  • В опытах по упругому и квазиупругому рассеянию протонов на ядрах получены наиболее точные данные о пространственном распределении нуклонов в ядрах и о глубоких ядерных оболочках.
  • Исследовано более 60 новых протонно-избыточных изотопов вплоть до границ стабильности ядер. Обнаружен эффект возрастания энергии спаривания вблизи границы стабильности.
  • Систематические исследования πр и рр-рассеяния позволили выполнить однозначный фазовый анализ до энергии 600 МэВ (πр) и 1000 МэВ (рр).
  • Разработан метод исследования малоуглового рассеяния адронов, позволивший провести тест одной из фундаментальных теорем физики элементарных частиц (дисперсионные соотношения) в широком диапазоне энергий (Государственная премия).
  • Разработан метод исследования мю-катализа ядерного синтеза. Детально исследованы реакции ddμ и dtμ синтеза.
  • Получены наиболее точные значения массы и времени жизни пи-мезона.
  • Исследовано подпороговое рождение K-мезонов на рекордном уровне чувствительности.

Основная научная программа, выполняемая в настоящее время на пучках СЦ-1000, представлена следующими направлениями:

  • ядерно-спектроскопические исследования атомных ядер, удаленных от полосы бета - стабильности, с помощью лазерной спектроскопии и светосильных спектрометров высокого разрешения;
  • исследование структуры атомных ядер методом упругого и квазиупругого рассеяния протонов с энергией 1 ГэВ на ядрах;
  • восстановление амплитуды пион-нуклонного взаимодействия при энергиях до 600 МэВ;
  • восстановление амплитуды NN-взаимодействия при энергиях до 1 ГэВ;
  • исследование мюонного катализа реакций ядерного синтеза;
  • исследование рождения η-мезонов в ядерных реакциях;
  • изучение деления и фрагментации ядер;
  • исследование магнитных фазовых переходов в сплавах μSR-методом;
  • разработка способов получения радиофармацевтических препаратов для диагностики и лечения различных заболеваний.

Наряду с широкой научной программой на пучках СЦ выполняется обширная программа прикладных работ. Перечислим некоторые из них:

  • лучевая терапия на пучке протонов с энергией 1 ГэВ для лечения аденом гипофиза и артерио-венозных аневризм головного мозга:
  • радиационные испытания материалов и изделий;
  • тестирование аппаратуры, разрабатываемой в институте для участия в международных экспериментах, проводимых или планируемых на ускорителях высокой энергии и коллайдерах в США (Феникс), Швейцарии (мю-катализ), ЦЕРНе (LHC, Atlas, LHC-B, CMS), Германии (HERMES);
  • исследование различных вопросов, связанных с проблемой трансмутации отходов ядерной промышленности.

Более подробную информацию об СЦ-1000 и работах на нем можно найти в отчетах ПИЯФ: "Основные результаты 1971-1996", "Основные результаты 1997-2001", "Основные результаты 2002-2006","СБОРНИК ПИЯФ 2007-2012","СБОРНИК ПИЯФ 2010-2013","СБОРНИК ПИЯФ 2014","СБОРНИК ПИЯФ 2015".

Базовые параметры СЦ-1000

Одной из базовых экспериментальных установок НИЦ КИ - ПИЯФ является самый крупный в мире синхроциклотрон (СЦ-1000) на энергию протонов 1 ГэВ и током выведенного пучка 1 мкА.

 sc1000

Рисунок 1. Синхроциклотрон НИЦ КИ – ПИЯФ

Синхроциклотрон  предназначен для  использования в исследованиях по физике элементарных частиц, структуры ядра и механизма ядерных реакций, а также в различных областях медицины и прикладной физики. Широкий диапазон исследований определил в качестве основного требования к ускорителю его универсальность и оснащенность различными трактами пучков. Поэтому при сооружении СЦ основное внимание было уделено созданию достаточно интенсивного внешнего протонного пучка с хорошими временными и геометрическими характеристиками, а также к разработке и созданию целого набора пучков вторичных частиц: нейтронов,  пи- и мю-мезонов. Специальные меры были предприняты для уменьшения фона в экспериментальном зале ускорителя и автоматизации процедур проводимых исследований.

 Основные параметры синхроциклотрона НИЦ КИ - ПИЯФ приведены в Таблице 1.

Таблица 1

Диаметр полюса магнита

6,85 м

Вес магнита

8000 Т

Диапазон частот

30÷13 МГц

Частота повторения

40÷60 Гц

Энергия выведенного пучка

1 ГэВ (const)

Однородность энергии

1%

Интенсивность пучка внутри камеры

3 мкА (var)

Коэффициент вывода

30%

Коэффициент растяжки

85%

 

Первичные и вторичные пучки сц-1000

Универсальность синхроциклотрона СЦ-1000 обусловлена хорошо развитой системой первичных и вторичных пучков.

Схема трактов транспортировки пучков  СЦ представлена на следующем рисунке:

puchki1

I - основной протонный пучок

II – второй параллельный пучок протонов

III – нейтронный пучок

1 – нейтронообразующая мишень

2 – внешняя мезонообразующая мишень

3 – разводящий магнит СП-40

π1 – π-мезонный канал высоких энергий

4-π2B, 5-π2A – направления вывода π-мезонных пучков низких энергий

6 -μA,  μB – направления вывода пучков μ-мезонов

Параметры основных протонных пучков Р1, Р2, Р3

Параметры представлены в таблице

Протонные пучки

Энергия, МэВ

ΔЕ/Е, %

Интенсивн. част./с

Канал

 

Примечание

 

1000

1

6×1012

Р1, Р2, РЗ

Основной пучок

1000

1

108

Р2

Медицинский пучок  Ø3÷5 мм

1000

1

1010

II

Второй выведенный пучок

1000

3×10-3

1010

Р2

Спектрометрический пучок

60÷900

1,0÷14

107÷1012

РЗ

Протонный пучок с переменной энергией.

 

Замечание 1: Второй выведенный протонный пучок II

Кроме основного протонного пучка из камеры синхроциклотрона одновременно с основным выводится второй пучок «малой» интенсивности ~1010 с-1 (~1% основного пучка). Пучок может быть использован параллельно основному пучку как для физических, так и для прикладных целей, в частности, для проведения протонной лучевой терапии.

Замечание 2: Протонный пучок Р3 с переменной энергией 60 − 900 МэВ

Тракты транспортировки Р1,Р2,Р3 позволяют получить пучки протонов с постоянной энергией 1000 МэВ. Однако для ряда физических и прикладных исследований требуются пучки других энергий. Для этой цели на тракте транспортировки Р3 с помощью деградера создан пучок переменной энергии. Диаметр полученных пучков разных энергий ~ 30 мм, а Δр/р находится в диапазоне 1.3%÷14%, интенсивность пучка может меняться в диапазоне 107÷1012 с-1 (в зависимости от энергии). Начиная с 2015 г. реализован набор энергий: ~60,100,200,300,400,500,600,700,800 и 900 МэВ.

Вторичные пучки  π- и  μ - мезонов и их параметры

Все пучки π и μ мезонов образуются на внешней мезонообразующей мишени. На ускорителе созданы три канала мезонов: π1 – канал, π2 – канал низких энергий и μ - канал.

Канал  π1  отбирает  π± -  мезоны с нулевым углом рождения и поэтому на этом канале получаются π± - мезоны с предельной для синхроциклотрона ПИЯФ энергией.

Мезонный канал синхроциклотрона обеспечивает получение пучков сепарированных μ - мезонов обоих знаков в диапазоне импульсов 29÷150 МэВ/c с интенсивностью на уровне 104÷105 част.×см-2×с-1.

Канал π2 является составной частью μ-мезонного канала. На этом канале имеется возможность получать пучки π-мезонов низкой энергии обоих знаков.

Параметры пучков вторичных частиц

Частицы

Импульс,

МэВ/с

ΔP/P,

%

Интенсивн.,

част/с

Канал

СЦ

π+

π-

450

450

6

6

106

3×105

π1-канал

π-

π+

µ+

250

250

29

2.5÷12

2.5÷12

12

105÷5×106

3×105÷107

3×104

 

π2-канал

µ-

µ+

160

170

10

10

9×104

3×105

μ-канал

 

Нейтронный пучок III и его параметры

Нейтронный пучок III  генерируется в камере ускорителя в результате однооборотного сброса протонного пучка на внутреннюю нейтроно-образующую свинцовую мишень. Его параметры приведены в следующей таблице:

Энергия,

МэВ

Интенсивность, част×с-1

Длительность

импульса на мишени, нс

Частота,

Гц

10-2 ÷ 1000

3×1014

10

50

Строительство  протонного синхроциклотрона (СЦ) на рекордную для этого типа ускорителей энергию 1000 МэВ было начато осенью 1959 года. В разработке, создании и наладке СЦ основное участие принимали НИИЭФА им. Д.В.Ефремова и ФТИ им. А.Ф.Иоффе. Научным руководителем по сооружению и запуску синхроциклотрона был назначен  заведующий циклотронной лабораторией ФТИ Дмитрий Георгиевич Алхазов. К работе по созданию синхроциклотрона был привлечен целый ряд молодых сотрудников ФТИ: Н.К. Абросимов, Н.Н. Чернов, А.В. Куликов, С.П. Дмитриев, Г.Ф.Михеев, Г.А.Рябов, В.А. Елисеев, И.А Петров, Ю.Т. Миронов. Заместителем научного руководителя по сооружению синхроциклотрона был назначен Н.К. Абросимов. В первой половине 1967 года 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 СЦ. Осталась только высокочастотная система, которая была привезена в Гатчину весной 1967 года из НИИЭФА. И, как оказалось, неудачная.

В ночь на 5 ноября 1967 года состоялся физический пуск ускорителя, при этом энергия протонов была доведена только до 750 МэВ. Проектная энергия 1 ГэВ в ходе пробного пуска не была достигнута из-за недостатков высокочастотной системы.

В течение 1968 и 1969 года коллективом сотрудников ускорительного Отдела (УО) был осуществлен первый этап реконструкции СЦ, который позволил достичь проектной энергии протонов 1 ГэВ, и обеспечил высокоэффективный вывод пучка.  Существенные изменения были внесены сотрудниками УО в конструкцию вариатора частоты, который в варианте НИИЭФА не обеспечивал необходимого перекрытия по емкости. Для увеличения конечной емкости вариатора были введены дополнительные индуктивности для индуктивных статорных пакетов. Для снижения напряжения на роторе вариатора была значительно увеличена емкость заземляющих ротор вариатора "земляных" статорных пакетов и полицилиндрических конденсаторов. В НИИЭФА была разработана система связи высокочастотного генератора с резонансной системой, в которой был использован вращающийся синхронно с вариатором частоты переменный конденсатор связи. Вместо этого в УО была разработана и осуществлена состоящая из коаксиальных фидеров статическая система прямой и обратной связи, обеспечивающая постоянство коэффициента трансформации напряжения от анода генераторной лампы к ускоряющей щели, а также надежное подавление паразитных поперечных колебаний дуанта.

Пришлось отказаться и от созданной в НИИЭФА системы вывода пучка из ускорительной камеры. Была разработана и изготовлена новая регенеративная система вывода, состоящая из регенератора и выводного магнитного канала. Оптимальные параметры системы были определены расчетным путем, что было революционным прорывом для того времени. На основе теоретического анализа потерь пучка в процессе вывода (с целью увеличения коэффициента вывода) были значительно расширены (по сравнению с первоначальным вариантом) эффективные апертуры магнитного канала и регенератора, оптимизированы фокусирующие градиенты секций канала и проведено тщательное шиммирование системы. Все это, вместе взятое, позволило после тщательной настройки системы получить рекордную для того времени эффективность вывода пучка, составляющую величину около 30%.

Одновременно с созданием системы вывода пучка из ускорителя была разработана система транспортировки пучков в экспериментальный зал к мишеням физических установок. Высокий коэффициент вывода пучка из ускорителя позволил отказаться от внутренних мишеней для получения пучков π-мезонов и перейти целиком на более удобные для формирования пучков вторичных частиц внешние мишени.

Вместо разработанного в НИИЭФА ионного источника с подогревным катодом, требующего частой замены нити накала, был использован разработанный в ЛЯП ОИЯИ ионный источник с холодным катодом типа Пенинга.

Эксплуатация СЦ в полном объёме началась с апреля 1970 года. И не на пустом месте - для организации исследований на синхроциклотроне еще в 1963 году в филиале ФТИ (Гатчина) была образована Лаборатория Физики Высоких Энергий (ЛФВЭ), основу которой составил коллектив лаборатории рентгеновских и гамма-лучей ФТИ. Первым заведующим ЛФВЭ стал А.П.Комар, руководивший этой лабораторией вплоть до 1971 года. Далее, до июля 2017 года -  и уже отделением - руководил А.А. Воробьев. Сейчас отделение возглавляет О.Л. Федин.

   Именно в ЛФВЭ, в тесном контакте с УО, началась целенаправленная подготовка к будущим экспериментам на синхроциклотроне. Разрабатывалась различная аппаратура: магнитные спектрометры, сцинтилляционные годоскопы, масс-сепаратор, водородная пузырьковая камера, тяжеложидкостная диффузионная камера, мишень поляризованных протонов и т.д.

Администрация:

  • Зав. отделом: канд. техн. наук  Евгений  Михайлович  Иванов
  • Зам. зав. отделом по лучевой терапии: Василевская Ирина Викторовна
  • Главный инженер: Лев Анатольевич Сухоруков

Подразделения:

  • Лаборатория Физики и Техники Ускорителей (ЛФТУ)
  • Цех Эксплуатации СЦ – ЦЭУ
  • Группа Протонной Терапии (ГПТ)

Лаборатория Физики и Техники Ускорителей – ЛФТУ

Заведующий: канд. физ.-мат. наук. Артамонов Станислав Александрович

Цех Эксплуатации Ускорителя СЦ-1000: ЦЭУ

Заведующий: к.т.н. Иванов Евгений Михайлович

Гл. инженер: Сухоруков Лев Анатольевич

Структура ЦЭУ:

  1. Служба управления СЦ
  2. Радиотехническая служба
  3. Электротехническая служба
  4. Вакуумно-технологическая служба
  5. Служба дозиметрии и радиационного мониторинга
  6. Служба управления нейтронного генератора (ГНЕЙС)
  7. Служба эксплуатации

Администрация:

Зав. отделом: канд. техн. наук  Евгений  Михайлович  Иванов

Зам. зав. отделом по лучевой терапии: Василевская Ирина Викторовна

Главный инженер: Лев Анатольевич Сухоруков

Подразделения:

  • Лаборатория Физики и Техники Ускорителей (ЛФТУ)
  • Цех Эксплуатации  СЦ – ЦЭУ
  • Группа Протонной Терапии (ГПТ)

Лаборатория Физики и Техники Ускорителей – ЛФТУ

Заведующий: канд. физ.-мат. наук. Артамонов Станислав Александрович

ЛФТУ объединяет научных работников и инженеров УО, специализирующихся в области пучков заряженных частиц, а также конструирования и производства электрофизических установок, их применения в различных отраслях науки, техники, промышленности, медицины. На базе СЦ-1000, Ц-80 и ГНЕЙС проводится научная и практическая работа по развитию и модернизации этих установок, а также и по актуальным направлениям развития ускорительной техники, СВЧ-энергетики, нано-технологиям, ядерной энергетики, ядерной медицины, исследованию вакуумных систем, проектированию систем управления, автоматизации проектирования.

В ЛФТУ проводятся как фундаментальные, так и прикладные исследования, соответствующие приоритетным направлениям развития науки и техники, утвержденным правительством России. К числу важнейших из них можно отнести:

  • Оптика пучков
  • Динамика пучков
  • Математическое моделирование, как отдельных систем, узлов, так и целых ускорительных установок (в том числе - новых)
  • Магнитные измерения
  • ВЧ системы ускорителей
  • Ионные источники для ускорителей
  • Радиационный мониторинг
  • Проектирование и сооружение

 

Цех Эксплуатации СЦ – ЦЭУ

Заведующий: к.т.н. Иванов Евгений Михайлович

Гл. инженер: Сухоруков Лев Анатольевич

 

Структура ЦЭУ:

  1. Служба управления СЦ
  2. Радиотехническая служба
  3. Электротехническая служба
  4. Вакуумно-технологическая служба
  5. Служба дозиметрии и радиационного мониторинга
  6. Служба управления нейтронного генератора (ГНЕЙС)
  7. Служба эксплуатации

 

Группа Протонной Терапии (ГПТ)

Руководитель: к.б.н. Карлин Джан Леонидович

Зам. рук. группы: Халиков Александр Ифратович

  1. Лаборатория физики и техники ускорителей
  2. Ускорительный отдел