Современное состояние линейного ускорителя
Московская мезонная фабрика ИЯИ РАН разрабатывалась и сооружалась как уникальный инструмент для проведения как прикладных, так и фундаментальных исследований в области физики атомного ядра и элементарных частиц [1-3]. В настоящее время основными объектами мезонной фабрики являются: · Сильноточный линейный ускоритель. · Экспериментальный комплекс. · Комплекс по производству медицинский радиоизотопов. Комплекс инженерных и вспомогательных сооружений.	Внешний вид линейного ускорителя
Сильноточный линейный ускоритель -------- Экспериментальный комплекс ----------- Комплекс по производству изотопов -------- Комплекс инженерных и вспомогательных сооружений -------
Основу мезонной фабрики составляет сильноточный линейный ускоритель со следующими основными проектными параметрами: ускоряемые частицы – протоны и ионы Н^-, энергия – 600 МэВ, средний ток – 500 мкА, импульсный ток – 50 мА, длительность импульса – 100 мкс, частота повторения импульсов – 100 Гц. Ускоритель включает инжекторный комплекс, начальную часть ускорителя до энергии 100 МэВ и основную часть до энергии 600 МэВ. Предусмотрен промежуточный вывод пучка с энергией 160 МэВ.
Инжекторный комплекс состоит из двух инжекторов, - протонов и отрицательных ионов водорода, - по проекту на энергию 750 кэВ на основе ускорительных трубок и высоковольтных импульсных трансформаторов, - и инжекционных трактов. На выходе ускорительных трубок импульсный ток каждого знака заряда составляет десятки 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 снизить энергию инжекторов до 400 кэВ, что позволило увеличить надежность их работы вплоть до максимальной частоты повторения импульсов 100 Гц, а также увеличить длительность импульса инжектируемого пучка до 200 мкс без насыщения железа высоковольтного импульсного трансформатора.
До конца 2006 года работы велись только с протонами, поскольку по экономическим причинам сооружение инжектора ионов Н^- и соответствующего участка инжекционного тракта не было завершено. В декабре 2006 года осуществлен физический пуск инжектора и инжекционного тракта ионов Н^- с последующим ускорением в пучка в начальной части ускорителя.
Инжектор линейного ускорителя	Схождение инжекционных трактов протонов (слева) и ионов Н- (справа)
Бустерная секция RFQ (Справа – начало первого ускоряющего резонатора с трубками дрейфа)	На выходе RFQ каждый макроимпульс пучка содержит около 4·10^4 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 также установлен второй группирователь, работающий на той же частоте. Согласованный пучок инжектируется в начальную часть ускорителя, состоящую из пяти резонаторов Р1-Р5 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 нее входят 27 ускоряющих резонаторов Р6-Р32 на основе ускоряющей структуры с шайбами и диафрагмами. Резонаторы работают на частоте пятой гармоники 991 МГц. Они скомпонованы по энергопитанию и автоматизированному управлению в три сектора по 9 резонаторов в каждом, с энергией на выходе 247,32 МэВ, 423,04 МэВ и 602,03 МэВ, соответственно. Высокочастотное питание резонаторов начальной части обеспечивается шестью триодными генераторами с импульсной мощностью 5 МВт, а основной части – 32 клистронными генераторами с импульсной мощностью 4,7 МВт.
Фокусировка ускоряемого пучка в ускорителе 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 торр. Общая длина ускорителя - 450 м. 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.
Начальная часть ускорителя	Основная часть ускорителя
Основным критерием правильной настройки ускорителя является обеспечение уровня потерь пучка не более нескольких десятых долей процента на участке ускорителя свыше 100 МэВ. Введена в действие автоматизированная система измерения потерь ионов, что позволило снизить интегральные потери до уровня 0,1 % и дало возможность работать со средними токами пучка до 120 мкА. Максимальная величина импульсного тока достигает 20 мА. На ускорителе разработан, освоен и реализован широкий спектр методик настройки ускорителя с пучком: метод фазового сканирования, дельта-Т процедура, поперечное согласование и коррекция пучка и пр. 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. Такой прибор успешно используется не только на ускорителе ММФ, но также разработан специалистами ИЯИ РАН и для ряда зарубежных лабораторий Германии, США, Японии и ЦЕРН. Для проведения времяпролетных экспериментов на нейтронном комплексе, а также для работ на спектрометре по времени замедления нейтронов в свинце на инжекционном комплексе создан формирователь коротких импульсов тока пучка на основе отклоняющей структуры с бегущей волной. В течение макроимпульса тока пучка длительностью 200 мкс формируются один или два коротких импульса длительностью от 0,3 до 50 мкс с регулируемой задержкой. Спроектирован и построен канал вывода пучка с энергией 160 МэВ на мишень для производства радиоизотопов. Частицы отклоняется двумя поворотными магнитами и с помощью двух фокусирующих дублетов на мишени формируется пучок интенсивность до 120 мкА с размерами примерно 15 мм по основанию. Для уменьшения тепловой нагрузки на мишени и выводном окне, а также для более однородного облучения с помощью корректирующих магнитов обеспечивается вращение пучка с амплитудой примерно 5 мм. Для проведения ядерно-физических экспериментов пучок транспортируется в экспериментальный комплекс, расположенный на выходе ускорителя. Энергия и интенсивность пучка при этом зависят от требований эксперимента и наличия клистронов. Регулярная работа ускорителя на физические и прикладные задачи началась в 1993 году. Работы по разработке, сооружению и вводу в научную эксплуатацию сильноточного линейного ускорителя протонов отмечены премией Правительства РФ в области науки и техники 2001 года.
Слева направо: А.П. Федотов, Е.Д. Лебедев, С.К. Есин, В.А. Матвеев, Б.И. Бондарев, А.Н. Тавхелидзе, Н.И. Уксусов, Л.В. Кравчук, О.Д. Пронин, В.Л. Серов.