Протвинский Ускорительно-накопительный комплекс (УНК): Не затонувший флагман отечественной науки

Публикация интервью на сайте Тоннелей России https://rustunnel.ru/news/3757.html вызвала дискуссию на форуме.

Что такое протвинский ускоритель протонов? Об этом в своей статье рассказывают инженеры Г.Гуров и Г.Дерновой.

https://gd-info.km.ru/unk/niz495.htm

Опубликовано: журнал «Наука и жизнь», №4, апрель 1995 г.

УСКОРИТЕЛЬ ПРОТОНОВ В ПРОТВИНО

Двенадцать лет назад началось строительство крупнейшего научного объекта России (и бывшего СССР) — ускорительно-накопительного комплекса протонов (УНК) в подмосковном городе Протвино. Наиболее полно об этом гигантском ускорителе рассказано в статье «В глубины строения материи», опубликованной, когда только-только было принято правительственное решение о сооружении УНК (см. «Наука и жизнь» № 3, 1981 г.). Вряд ли кто-нибудь мог тогда представить, что строительство будет вестись так долго, трудно и завершится лишь к концу века…

Г. ГУРОВ — главный инженер УНК, кандидат технических наук
Г. ДЕРНОВОЙ, ведущий инженер (оба — Институт физики высоких энергий).

Слово «ускоритель» ассоциируется у нас с огромной машиной для исследования атомных ядер. Что это за машина?
Г. ГУРОВ — главный инженер УНК, кандидат технических наук Г. ДЕРНОВОЙ, ведущий инженер (оба — Институт физики высоких энергий).
Немногие, видимо, обращают внимание на то, что собственный ускоритель есть практически в каждом доме, в каждой семье. Это телевизор, вернее, его основная деталь — телевизионная трубка, кинескоп. Катод кинескопа, нагретый миниатюрной печкой, служит источником электронов. Вылетев из катода, они попадают в ускоряющее электрическое поле и приобретают дополнительную энергию за счет его воздействий. Энергия ускоренных электронов измеряется в единицах, называемых электрон-вольтами (эВ). Один электрон-вольт энергии приобретает частица с единичным зарядом (например, электрон или протон) под действием электрического поля с разностью потенциалов один вольт. В телевизионной трубке поле создается электрическим напряжением около 20 киловольт (кВ), так что кинескоп и есть линейный ускоритель, разгоняющий электроны до энергии около 20 кэВ (кило-электрон-вольт). Этой энергии вполне достаточно, чтобы заставлять светиться люминофор — вещество, которым покрыт телевизионный экран.
Управляемые пучки быстрых частиц оказались единственным подходящим инструментом для операций внутри атомов и атомных ядер, для исследования ассортимента и устройства ядерных частиц. Но для этого нужна энергия в десятки, сотни и даже тысячи ГэВ (гигаэлектрон-вольт; 1 ГэВ = 10⁹ эВ), то есть в миллиарды и даже триллионы электрон-вольт. Так что отнюдь не случайно область фундаментальных исследований строения материи называется физикой высоких энергий. Если бы ускорители на высокие энергии делались по принципу телевизионной трубки линейными, то, как показывают расчеты, их размеры достигали бы многих сотен километров. Поэтому ускоритель как бы сворачивают в кольцо, заставляя частицы многократно проходить участки, где действует ускоряющее электрическое поле. Чем выше энергия частиц, тем труднее завернуть их, пустить по круговой траектории, тем более сильные заворачивающие магнитные поля нужны для этого. Кроме того, одноименно заряженные частицы в пучке взаимно отталкиваются, а также рассеиваются на остатках атмосферы в вакуумной трубе ускорителя. Поэтому наряду с поворачивающими магнитами нужны и магниты фокусирующие, сжимающие частицы в тонкий пучок. Максимальная энергия современных ускорителей ограничивается разумным пределом размеров и стоимости именно магнитной системы, наиболее громоздкой и дорогостоящей.
Сформированный ускорителем пучок частиц (обычно это электроны или в 2000 раз более тяжелые протоны) направляют на специально подобранную, исходя из задач эксперимента, мишень, при соударении с которой рождается множество разнообразных вторичных частиц. С помощью достаточно сложных систем — детекторов — эти частицы регистрируют, определяют их массу, электрический заряд, скорость и многие другие характеристики. Затем путем сложной математической обработки этой информации на ЭВМ восстанавливают траекторию движения и всю картину взаимодействия ускоренной частицы с веществом мишени. И, наконец, сопоставляя результаты измерений с предварительным расчетом, делают выводы о параметрах теоретической модели взаимодействия. Именно здесь и добывается новое знание о свойствах внутриядерных частиц. Очень может быть, что именно знания, которые даст нам физика высоких энергий, позволят создать новую энергетику — энергетику XXI века, которая положит конец тотальному уничтожению ресурсов нашей планеты.
Вместо неподвижной мишени можно использовать и встречный ускоренный пучок частиц. Это позволяет, при соответствующей компоновке ускорителей, гораздо эффективнее использовать энергию их пучков. Такие самые современные ускорители на встречных пучках называют коллайдерами. В мире пока всего несколько коллайдеров. Они находятся в США, Японии, Германии, а также в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН), базирующейся в Швейцарии. Наша страна много лет также была среди лидеров разработки и строительства ускорителей и, соответственно, в физике высоких энергий.

Так, в частности, были в свое время «мировыми рекордсменами» по энергии ускоренных протонов и по своим размерам построенный в 1956 году синхрофазотрон в Дубне (энергия 10 ГэВ, длина орбиты частиц около 200 метров, вес кольцевого электромагнита 40 тысяч тонн), а затем — построенный в 1967 году синхротрон в городе Протвино близ Серпухова (энергия 76 ГэВ, длина орбиты полтора километра, вес электромагнита 22 тысячи тонн). С помощью этих машин был получен целый ряд фундаментальных результатов и сделано несколько открытий. Были, например, впервые зарегистрированы ядра антивещества и обнаружен так называемый «серпуховский эффект» — возрастание полных сечений адронных взаимодействий (величин, определяющих ход реакции двух сталкивающихся частиц) и многое другое.
Ускоритель У-70 Института физики высоких энергий в Протвино, дающий энергию протонов 70 ГэВ, и поныне остается крупнейшим в России. На нем проводят исследования физики из многих лабораторий нашей страны, стран СНГ и выполняется ряд совместных с Западом физических программ. В ходе его реконструкции для начальной стадии ускорения был-установлен первый в мире линейный ускоритель с высокочастотной фокусировкой, без магнитов, а также введен в действие «промежуточный» синхротрон на энергию 1,5 ГэВ диаметром 30 метров. В результате этой модернизации интенсивность протонного пучка (грубо говоря, количество частиц в пучке) была увеличена на порядок, что позволило даже после появления за рубежом более мощных ускорителей сохранить интерес физиков к отечественной исследовательской программе.
Кольцевой зал крупнейшего в России ускорителя У-70. Получив пучок протонов с энергией 1,5 ГэВ из синхротрона (канал, подводящий частицы, виден справа), ускоритель разгоняет их до энергии 70 ГэВ. Ускоритель У-70, в свою очередь, будет служить ступенью, источником предварительно ускоренных протонов для УНК.

Одновременно был разработан проект нового ускорителя УНК (ускорительно-накопительный комплекс), который на долгое время мог бы стать наиболее мощным в мире и привлечь, таким образом, лучшие силы мирового физического сообщества. Уже в 1983 году, после принятия соответствующего правительственного решения, в Протвино начались работы по сооружению УНК, который в итоге должен был обеспечить энергию 3000 ГэВ — это втрое превышает энергию наиболее мощного сейчас в мире ускорителя, принадлежащего лаборатории имени Э.Ферми (ФНАЛ) в США. В систему УНК в качестве первой «разгонной ступени» должен был войти и ныне действующий ускоритель У-70. Основа УНК—два кольцевых ускорителя, одинаковые по размерам, но совершенно разные по конструкции. Основная задача первого из этих колец (первой ступени) — принять из У-70 пучок протонов с энергией 70 ГэВ и поднять ее до промежуточного значения 400 — 600 ГэВ. Во втором кольце (вторая ступень) энергия протонов будет поднята до конечной величины — 3000 ГэВ. Первая ступень УНК спроектирована по традиционной для подобных машин схеме. В частности, сворачивание протонного пучка в кольцо и его фокусировка осуществляются классическими электромагнитами с ярмом из электротехнической стали и с алюминиевыми обмотками, охлаждаемыми водой. Общее число магнитных блоков — 2500, каждый из них весит около 10 тонн. В процессе ускорения протоны, летящие почти со скоростью света, проходят путь около 30 миллионов километров, частицы движутся в вакуумной камере — трубе из нержавеющей стали диаметром около 80 мм. Давление в ней составляет менее 10^—7 мм ртутного столба; его поддерживает огромный «завод вакуума» — уникальная вакуумная система.
Одновременно был разработан проект нового ускорителя УНК (ускорительно-накопительный комплекс), который на долгое время мог бы стать наиболее мощным в мире и привлечь, таким образом, лучшие силы мирового физического сообщества. Уже в 1983 году, после принятия соответствующего правительственного решения, в Протвино начались работы по сооружению УНК, который в итоге должен был обеспечить энергию 3000 ГэВ — это втрое превышает энергию наиболее мощного сейчас в мире ускорителя, принадлежащего лаборатории имени Э.Ферми (ФНАЛ) в США. В систему УНК в качестве первой «разгонной ступени» должен был войти и ныне действующий ускоритель У-70. Основа УНК—два кольцевых ускорителя, одинаковые по размерам, но совершенно разные по конструкции. Основная задача первого из этих колец (первой ступени) — принять из У-70 пучок протонов с энергией 70 ГэВ и поднять ее до промежуточного значения 400 — 600 ГэВ. Во втором кольце (вторая ступень) энергия протонов будет поднята до конечной величины — 3000 ГэВ. Первая ступень УНК спроектирована по традиционной для подобных машин схеме. В частности, сворачивание протонного пучка в кольцо и его фокусировка осуществляются классическими электромагнитами с ярмом из электротехнической стали и с алюминиевыми обмотками, охлаждаемыми водой. Общее число магнитных блоков — 2500, каждый из них весит около 10 тонн. В процессе ускорения протоны, летящие почти со скоростью света, проходят путь около 30 миллионов километров, частицы движутся в вакуумной камере — трубе из нержавеющей стали диаметром около 80 мм. Давление в ней составляет менее 10 мм ртутного столба; его поддерживает огромный «завод вакуума» — уникальная вакуумная система.
Важнейшая особенность второй ступени — электромагниты со сверхпроводящими обмотками. Они несравненно сложнее обычных («теплых») магнитов еще и потому, что сверхпроводимость обеспечивают мощные криогенные системы, производящие жидкий гелий и жидкий азот. Но, как говорится, дело стоит того — сверхпроводящие магниты позволяют создать в пять раз более сильное поле, и при той же длине магнитной «дорожки» (а это десятки километров!) можно ускорять частицы до энергии в пять раз большей. Кроме того, сверхпроводящий ускоритель, даже с учетом затрат мощности на работу криогенной системы, потребляет в десятки раз меньше энергии, чем ускоритель обычный. Так что ведущийся сейчас в ускорительных центрах мира переход на сверхпроводящие технологии — не дань моде, а мотивированная необходимость.

Обе ступени УНК разместятся в одном подземном кольцевом тоннеле длиной почти 21 километр. Тоннель имеет внутренний диаметр 5 метров и расположен в стабильных и сухих породах на глубине от 20 до 60 метров (в зависимости от рельефа местности). По длине и глубине залегания он аналогичен кольцевой линии московского метрополитена. Сходство с метро дополняется и тем, что примерно через каждые полтора километра к кольцевому тоннелю ускорителя примыкают подземные залы для размещения крупногабаритного оборудования («станции»). Эти залы связаны с поверхностью вертикальными шахтами для проводки коммуникаций, транспортировки оборудования и т.д.
Над кольцевым тоннелем нового ускорителя длиной 21 километр остались нетронутыми лес, поля, поселки и дороги. 1. Ускоритель У-70. 2. Канал инжекции — ввода пучка протонов в кольцо ускорителя УНК. 3. Канал антипротонов. 4. Криогенный корпус. 5. Тоннели к адронному и нейтронному комплексам.
Сооружение комплекса УНК ведется уже более 10 лет. Параллельно идут наземные и подземные строительные работы, проектирование, изготовление и монтаж оборудования. В известной мере знаменательным оказался прошедший 1994 год, когда были завершены два важных этапа программы. В марте был введен в строй первый участок нового ускорителя — подземный канал длиной 2,7 км, соединяющий У-70 и УНК. В канале смонтированы вакуумная система, около 200 электромагнитов, приборы наблюдения за пучком. После тщательной настройки всех элементов канала протоны с энергией 70 ГэВ пролетели по проектной траектории вплоть до будущей точки ввода в подземное кольцо УНК. В декабре 1994 г. горнопроходчики выполнили последнюю сбойку на проходке основного тоннеля, замкнув 21-километровое подземное кольцо. И хотя более половины тоннеля уже готово под монтаж инженерных систем, на завершающей его части еще предстоит большая работа — по сварке внутренней металлоизоляции тоннеля, сооружению части подземных залов, чистовой отделке. Тем не менее можно с уверенностью сказать, что наиболее ответственная часть строительных работ подходит к концу. Заказ на изготовление большей части электрофизического оборудования первой ступени УНК был размещен на заводах России и частично — Украины. Некоторая часть оборудования делается непосредственно в ИФВЭ. В настоящее время осталось изготовить около трети оборудования — магнитов, вакуумных камер, источников питания. Производственные мощности заводов позволяют завершить эту работу за год — полтора, однако всё сдерживается резким сокращением финансирования. Так, например, федеральный бюджет России на 1994 год отдельной строкой предусматривал выделение 96,7 миллиарда рублей на сооружение УН К, однако реальные поступления составили менее половины этой суммы. Положение к тому же усугубляет инфляция, так что делать оптимистические прогнозы о сроках пуска хотя бы первой ступени УНК затруднительно.

Как уже говорилось, важнейшим элементом второй ступени ускорителя служат сверхпроводящие магниты. Их образцы изготовлены и успешно испытаны в институте, однако требования к точности изготовления магнитов оказались за пределами реальных возможностей промышленности. В связи с этим в ИФВЭ была разработана собственная уникальная технология изготовления и испытаний сверхпроводящих магнитов. Более того — был построен цех, способный выпускать до трех магнитов в сутки. Однако массовое их производство пока пришлось отложить: в связи с резким сокращением финансирования программы пришлось пересмотреть всю стратегию сооружения комплекса. Чтобы скорее начать физические исследования, основные усилия сейчас направлены на завершение первой ступени — ее можно будет временно использовать как самостоятельный ускоритель с энергией 600 ГэВ (У-600).
Участки двух ступеней ускорителя протонов УНК (1), смонтированных в одном тоннеле . Сверху проложена труба первой ступени ускорителя с обычными, «теплыми» магнитами (2). Внизу находится сверхпроводящая магнитная система второй ступени (3). Она охлаждается жидким гелием с температурой 4,4К(4), и от притока тепла защищена слоем (5) жидкого азота (Т= 80К) и вакуумом (6) между азотным, экраном и внешней стенкой.

Сегодня это уже, конечно, не рекорд, однако существует достаточно интересная область исследований, не «охваченная» более мощными ускорителями США и Западной Европы. При этом интенсивность протонного пучка на ускорителе У-600 будет в десять раз выше, чем на западных машинах, а это резко повысит эффективность исследований. Кроме того, У-600 позволит выводить пучки вторичных частиц, что невозможно в других исследовательских центрах. Уже сейчас ведется подготовка совместного российско-американского эксперимента «НЕПТУН» на У-600 с использованием сверхпроводящей мишени новой конструкции, полностью изготовленной физиками Мичиганского университета.
Затраты на создание УНК по масштабу соизмеримы с затратами на сооружение атомной электростанции. Часто возникает вопрос: какова же реальная отдача от таких проектов? Вряд ли можно говорить о какой-либо конкретной прямой отдаче в ближайшие годы, но кто мог предсказать возникновение атомной энергетики на основе первых опытов Резерфорда по изучению атомного ядра? Сам Резерфорд такой перспективы не видел, хотя именно его работы в итоге привели к прогрессу атомной энергетики, ставшей энергетической основой экономики в целом ряде стран.

Очевидно и то, что огромные интеллектуальные ресурсы, сосредоточенные для реализации научных проектов таких масштабов, как УНК, нередко дают в качестве побочного продукта новейшие технологии, а они, в свою очередь, приводят к качественному скачку целых отраслей производства. Так, скажем, бурное развитие вычислительной техники во многом обязано потребностям физики и техники современных ускорителей. По оценкам европейских промышленников, каждый доллар, вложенный в развитие фундаментальных исследований, дает 4 доллара прибыли.
На цветной вкладке журнал поместил крупные фотографии, представленные здесь справа
/и сопроводил их без согласования с авторами надписями, содержащими следующие существенные ошибки:
- дипольные электромагниты на верхнем снимке названы «ускоряющими», что есть нонсенс;
- нижний снимок представляет вид макета УНК по полному проекту, из одной ступени на теплых магнитах и двух ступеней на СП-магнитах/

Ближайший аналог таких западных проектов в России — программа создания ускорителя УНК, которая вполне может оказаться своеобразным пробным камнем для оценки всей будущности страны. Совершенно очевидно, что страна с разрушенной экономикой, не имеющая ясных перспектив своего дальнейшего развития в составе мирового сообщества, осуществить подобный проект не сможет. Как это ни сложно бывает в наше время, хочется все же быть оптимистом. И верить, что обновленная Россия займет свое достойное место в ряду эффективно работающих, а потому и преуспевающих стран. Одним из конкретных и весьма показательных проявлений этого станет завершение работ по созданию УНК— уникальной машины познания, работающей на наше будущее.