Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт ядерных исследований Российской академии наук

Схема сильноточного линейного ускорителя ионов водорода ИЯИ РАН показана на рис. Инжекторный комплекс состоит из двух инжекторов - протонов и отрицательных ионов водорода - на энергию 750 кэВ на основе ускорительных трубок и высоковольтных импульсных трансформаторов. На выходе ускорительных трубок импульсный ток каждого знака заряда достигает 100-200 мА при проектной длительности импульса 100 мкс и частоте повторения 50 Гц. Система из трех поворотных магнитов обеспечивает для каждого пучка два поворота на 45° и их совмещение в едином створе на третьем участке канала инжекции. На этом участке в дополнение к первоначальному проекту установлена бустерная ускоряющая секция RFQ на частоте 198,2 МГц, рассчитанная на доускорение пучков от энергии 400 кэВ до 750 кэВ.

Ввод в действие бустерной секции RFQ позволил увеличить надежность работы инжекторов при энергии 400 кэВ вплоть до максимальной частоты повторения импульсов 100 Гц, а также увеличить длительность импульса инжектируемого пучка до 190 мкс без насыщения железа высоковольтного импульсного трансформатора. На выходе RFQ каждый макроимпульс пучка содержит около 3,6*10⁴ сгустков длительностью порядка 0,8 нc. Согласование 6-ти мерного фазового объема пучка с аксептансом линейного ускорителя производится с помощью системы четырех квадрупольных линз и группирователя на частоте 198,2 МГц. Для повышения захвата на входе в RFQ установлен второй группирователь на той же частоте.

Согласованный пучок инжектируется в начальную часть ускорителя, состоящую из пяти резонаторов с трубками дрейфа, работающих на частоте 198,2 МГц и ускоряющих ионы до энергии 100,1 МэВ. При этой энергии пучок инжектируется в основную часть ускорителя, в состав которой входят 27 ускоряющих резонаторов на основе ускоряющей структуры с шайбами и диафрагмами, работающих на частоте пятой гармоники 991 МГц и скомпонованных по энергопитанию и автоматизированному управлению в три сектора по 9 резонаторов с энергией на выходе 247,32 МэВ, 423,04 МэВ и 602,03 МэВ. Высокочастотное питание резонаторов начальной части обеспечивается шестью триодными генераторами, а основной части - 32 клистронными генераторами с импульсной мощностью 5 МВт и 4,7 МВт соответственно.

При энергии 160 МэВ имеется промежуточный вывод пучка в прилегающий зал с ловушкой на 100 мкА среднего тока. Фокусировка ускоряемого пучка осуществляется 196 квадрупольными линзами в трубках дрейфа и 120 квадрупольными дублетами между ускоряющими секциями основной части ускорителя. Средний вакуум в ускорительном тракте составляет 5*10^-8 мм рт.ст. Общая длина ускорителя - 450 м. Проектная величина среднего тока на выходе ускорителя составляет 500 мкА. Максимальное значение коэффициента заполнения пучка 1,9%.

В настоящее время наладка и эксплуатация ускорителя ведутся с использованием инжектора протонов. Проведены также испытания инжектора ионов Н- с пучком.

В ходе поэтапной наладки протонный пучок ускорен до энергии 500 МэВ. В настоящий момент энергия ограничивается количеством имеющихся мощных усилительных клистронов КИУ-40 и возможностями предприятия-поставщика. Персоналом ускорителя проведена наладка в номинальном режиме последующих резонаторов с использованием переносного клистрона.

Введена в действие автоматизированная система измерения потерь ионов, что позволило снизить интегральные потери до уровня 0,1 % и дало возможность увеличить средний ток протонов до 120 мкА. Максимальная величина импульсного тока при энергии 500 МэВ достигает 20 мА.

Освоена плавная регулировка энергии ускоренного пучка при точности измерения энергии времяпролетным методом ±0,2%. Создан уникальный прибор для измерения продольной плотности частиц в сгустке и абсолютной величины скорости пучка являющийся know-how ИЯИ РАН, успешно используемый на ускорителе ММФ, а также разработанный специалистами ИЯИ РАН для ряда зарубежных лабораторий Германии, США, Японии и ЦЕРН.

Введен в строй и используется во времяпролетных экспериментах с нейтронами формирователь коротких импульсов пучка с длительностью от 0,1 мкс до 1,0 мкс на основе линии задержки, располагаемый в инжекционном тракте.

Спроектирован и построен канал вывода пучка с энергией 160 МэВ на мишень для производства изотопов. С помощью двух фокусирующих дублетов, корректирующих магнитов и согласующего резонатора, компенсирующего энергетический разброс частиц, на изотопной мишени сформирован пучок с размерами 20 мм по горизонтали и 17 мм по вертикали, содержащий 98% среднего тока 100 мкА.

Ядерно-физические эксперименты проводятся во временной экспериментальной зоне в конце туннеля ускорителя при энергиях от 160 МэВ до 423 МэВ при среднем токе пучка до 1 мкА и скважности 1,7%.

Регулярная работа ускорителя на физические и прикладные задачи началась в 1993 году. С этого времени по 2005 год включительно проведено 63 сеанса общей продолжительностью 27,5 тысяч часов, в том числе за последние годы: 1999 год - 2300 часов (5 сеансов), 2000 год - 1800 часов (8 сеансов), 2001 год - 2400 часов (7 сеансов), 2002 год- 1380 часов (6 сеансов), 2003 год - 2400 часов (7 сеансов), 2004 год - 2200 часов (7 сеансов) и 2005 год - 1920 часов (6 сеансов).

Экспериментальный комплекс ИЯИ РАН

Экспериментальный комплекс Московской мезонной фабрики построен в 1997 году и включает в себя тоннель, соединяющий линейный ускоритель с залом, экспериментальный зал размерами 60 х 130 м² с двумя кранами грузоподъемностью 32 т, пристройку, где размещаются физики-экспериментаторы с регистрирующей аппаратурой, технологические системы и эксплуатационный персонал обеспечивающие работоспособность всего оборудования и экспериментальных установок в зале. Программа исследований на мезонной фабрике была сформулирована академиками А.Н.Тавхелидзе и В.М.Лобашевым в 1983 году. Ход ее реализации неоднократно обсуждался на научных конференциях и семинарах.

С начала сооружения экспериментального комплекса прошло около 20 лет. За прошедшее время программа существенно изменилась и акценты сместились в область фундаментальных и прикладных исследований на вторичных нейтронных пучках. К настоящему времени полностью смонтированы каналы транспортировки протонного пучка и некоторые установки нейтронного комплекса.Современная схема Московской мезонной фабрики представлена на рисунке.

Для транспортировки пучков к установкам создано и смонтировано уникальное радиационно стойкое оборудование. Канал протонов на основе этого оборудования был первоначально создан в 1992 году в конце тоннеля ускорителя перед подъемом протонного пучка в экспериментальный зал. Успешный запуск этого канала продемонстрировал высокую работоспособность изготовленного оборудования. На выходе канала был получен пучок протонов диаметром 3 мм с энергией до 500 МэВ. В этой экспериментальной зоне было размещено несколько физических установок и получены первые физические результаты до проводки основных пучков в экспериментальный зал.

В настоящее время смонтировано и запущено 253 м протонного тракта для транспортировки пучков на комплекс импульсных нейтронных источников.

В составе тракта транспортировки протонного пучка работают автоматизированные системы управления элементами канала, измерения параметров и потерь пучка. На тракте установлено 24 тридцатидвухканальных профилометра с шагом 2 мм и 4 мм для контроля положения протонного пучка и 60 ионизационных камер для измерения потерь при его транспортировке и настройке.

Первый канал тракта транспортировки протонного пучка был запущен в 1995 году на ловушку комплекса нейтронного источника. Перед ловушкой предусмотрено место для размещения экспериментального оборудования двухкристального диффракционного спектрометра МАДИС, на котором планируется проведение исследований мезорентгеновских спектров πр, πd и легких мезоатомов. Геометрические параметры пучка на месте мишени этой установки, измеренные при проводке пучка на ловушку, соответствуют требованиям эксперимента.

В 1997 году был введен в строй основной импульсный нейтронный источник ИН-06. Были измерены его характеристики методом времени пролета и была показана работоспособность всей системы в целом. В процессе экспериментальной проводки протонного пучка была опробована разработанная энергоэкономичная схема питания элементов оборудования тракта транспортировки, позволяющая без ввода дополнительных трансформаторов транспортировать пучок с энергией до 600 МэВ на все установки экспериментального комплекса, включая новый 100-тонный спектрометр по времени замедления в свинце. К настоящему времени изготовлено основное оборудование накопителя-группирователя протонов, предложенного и разработанного совместно с НИИЭФА им.Д.В.Ефремова. Накопитель-группирователь позволит обеспечить все установки нейтронного комплекса качествами, необходимыми для его успешной работы в XXI веке в качестве сверхинтенсивного нейтронного спектрометра по времени пролета. К настоящему времени решены все проблемы, связанные с инжекцией пучка в накопитель и быстрым выводом. Изготовлено и готово к монтажу электромагнитное оборудование, изготовлены вакуумные камеры магнитов и кикер-магнит для быстрого вывода. В накопитель заложены возможности 100% растяжки пучка во времени и пульсации с большой частотой.

Каналы пучков вторичных частиц, пионов и мюонов, разработаны и необходимое оборудование изготовлено. В их состав должны входить: канал пучка поверхностных мюонов, канал мюонов со сверхпроводящим соленоидом и короткий канал мягких пионов. Решен проектом мишенно-ловушечный узел, изготовлена ловушка пучка. Для всех каналов смонтированы система питания, система охлаждения и все коммуникации подведены к месту монтажа каналов.

Ввод в строй мюонных пучков позволит существенно расширить возможности исследований в области физики конденсированных сред, т.к. возможно параллельно использовать методы нейтронной спектрометрии и μSR-метод. В экспериментальном комплексе предусмотрена реализация эксперимента по μ-е конверсии. Планируется постановка экспериментов по исследованию нуклон-ядерных взаимодействий на протонном и нейтронном пучках.

Установка для получения радиоактивных изотопов ИЯИ РАН

В Институте ядерных исследований РАН создана и успешно эксплуатируется подземная лаборатория с установкой по облучению радиоизотопных мишеней протонным пучком линейного ускорителя Московской мезонной фабрики (г.Троицк). Установка используется для получения радиоизотопов медицинского и технического назначения. В настоящее время она является наиболее крупной ускорительной установкой в мире по энергии, аккумулированной для получения изотопов; она обладает высокой степенью автоматизации и безопасностью эксплуатации.

Установка позволяет получать целый ряд радиоизотопов. В первую очередь-стронций-82. Период полураспада этого изотопа (25 дней) позволяет транспортировать его как по территории России, так и за рубеж. В настоящее время осуществляются регулярные поставки мишеней, содержащих более 1 кюри Sr-82, в Лос-Аламосскую национальную лабораторию (США), где его выделяют химически и загружают в генераторы, используемые для кардиологической диагностики с помощью позитронно-эммисионной томографии (ПЭТ).

Много других изотопов уже производятся на установке в меньших количествах или могут производиться в будущем.