ВЭП-1 - ПЕРВОЕ ДЕТИЩЕ УСКОРИТЕЛЬНОЙ ШКОЛЫ ИЯФ

Такое событие нельзя назвать полным юбилеем - пока еще нет 50 лет! - но дата тоже хорошая. Нет с нами Андрея Михайловича (Будкера), есть только его портрет и Круглый стол, и нет еще ряда товарищей, но об этом не будем говорить сейчас. Сорок лет назад ВЭП-1 достиг первой результативной фазы, когда мы занимались не только пучками, но и видели первые рассеянные на малые углы электроны. Это был 1964 год.

	ВЭП-1

А начиналось все намного раньше. Первые сравнительно реальные разговоры о встречных пучках начались в 1956 году после обсуждения итогов Женевской конференции по мирному использованию атомной энергии и конкретного предложения Дж.О'Нила использовать затухание в электронных ускорителях благодаря синхротронному излучению для того, чтобы накапливать и сжимать пучки для получения достаточной производительности. К тому времени прошли эксперименты в Штатах по рассеянию электронов до 500 МэВ сначала на ядрах, потом на протонах. Было видно, что закон Кулона при этих энергиях нарушается очень сильно, то есть объект, который рассеивает, в ядерных масштабах имеет большой размер. Сначала думали, что это проявляется просто структура ядра, но на протонах тоже увидели, хотя и в меньших размерах,что проявляется ярко и понятно нарушение закона Кулона из-за неточечности взаимодействующих объектов - протонов и электронов. К тому времени общее мнение было таково, что это нарушение нужно отнести к протону, а не к электрону (хотя формальный "классический" размер электрона даже больше размера протона!). Все понимали, что за наблюдаемое отклонение, видимо, ответственен протон, но ведь прямого доказательства не было.

Правда, пока разворачивались эти пионерные работы по встречным пучкам, по совсем другим процессам было показано, что квантовая электродинамика справедлива для электронов до нужных расстояний. Размер, который проявлялся в экспериментах по электрон-протонному рассеянию, должен быть отнесен к протону, а не к электрону. Поэтому основной момент, ради которого физическое обоснование - зачем делать эксперименты, - вроде бы и отпал. Но к тому времени желание развить методику встречных пучков только выросло.

1956 год для нашего круга - это первые разговоры о встречных пучках: очень интересно заняться таким принципиально новым направлением, хоть и совсем маленьким, не вполне родившимся коллективом - будущим Институтом ядерной физики. Ведь мы родились юридически в 1958 году, но все равно оставались пока лабораторией новых методов ускорения и сектором 36 в институте И.В.Курчатова.

Идея заниматься встречными пучками появилась еще до подписания постановления о создании нашего института. Разговор о том, что институт появится, начался уже в 1957 году. Весной 1957 года, когда я был студентом 4 курса физфака МГУ, пришел Вадим Волосок (тогда его так называли, а ныне - В.И.Волосов), нашел меня в общежитии и стал агитировать войти в компанию, которая потом преобразуется в институт. В августе 1957 года мы приехали после каникул, и несколько человек пошли на собеседование для поступления на практику. Центральными фигурами при проведении собеседования были Б.В.Чириков и Б.Г.Ерозолимский. Я позорным образом там не сообразил, что должен быть дрейф электронов в скрещенных полях. Вот такой прокол был у меня. Но взяли. С предыдущего курса там уже были на практике Гриша Сильвестров, Игорь Протопопов, Юра Глаголев.

Меня направили в группу, которой руководил Б.В.Чириков. Там было два сотрудника (меня направили к В.И.Волосову) и несколько практикантов, один из которых - Гриша Сильвестров.

Сентябрь, октябрь, может быть, и ноябрь прошли, а потом, видимо, по рекомендации Чирикова Андрей Михайлович Будкер меня позвал и сказал: "Мы собираем компанию, которая займется электрон-электронными встречными пучками. Хотим привлечь тебя". Я, конечно, сразу согласился.

К концу 1957 года стала формироваться группа. Началось формирование понятия, что же такое электрон-электронные пучки. Стало ясно, что потребуется какой-то инжектор. Был опыт спирального накопления на Б-1 и бетатронного режима на Б-2. Инжектор позволял получить пучок с энергией 2 МэВ и ток 10 А на малом радиусе. Как было ускорить до 50 МэВ и выпустить пучок? Это стало основной задачей. А потом предстоял еще более трудный этап - впуск в еще не существующий даже на бумаге ВЭП-1. Это было в научно-техническом смысле самым болезненным местом.

И сегодня в больших машинах впуски и выпуски - особо деликатные места. А тогда мы вынуждены были браться за задачу при условии, что полное время оборота пучка всего 19 наносекунд, и необходимые фронты высоковольтного импульса, сажающего впускаемый пучок на орбиту, порядка 1 наносекунды! Проблема была острой.

В 1958 году чертежи были готовы. Производство самого накопителя ВЭП-1 началось в 1959 году на Турбинке, здесь, в Новосибирске, директором завода был Александр Абрамович Нежевенко. Очень многое в тех начальных чертежах было наивно - по полной новизне задачи. Один вопрос такой: кольца соприкасаются, и здесь, соответственно, должно быть однородное поле. Как обеспечить устойчивость поперечных колебаний электронов? Решили, после бурных обсуждений с Андреем Михайловичем, распределить поле так: на азимуте соприкосновения поле однородное, потом крылья с увеличенным градиентом, так чтобы сохранить и интеграл поля, и интеграл градиента поля.

Это еще делали в Москве. ВЭП-1 разбирали и собирали несколько раз. Несмотря на сложные двойные уплотнения, серьезная вакуумная часть была хорошо сработана. А досадная неприятность связана с тем, что часть камеры нижней дорожки была сварена обычными электродами вместо нержавейных, что серьезно искажало магнитное поле. Этот дефект удалось скомпенсировать внутренним витком.

Хочу сказать про инжекцию еще раз. Импульс с наносекундным фронтом и с малыми хвостами - задача трудная. Первый вариант, работавший в Москве только на выпуск, был разработан Левой Бондаренко и Б.Г.Ерозолимским. Система выпуска была сделана, и мы увидели однооборотно выпущенный электронный пучок, правильно структурированный по времени. Для нас это была большая победа. Несколько позднее задача формирования коротких импульсов была более успешно и надежно решена Сашей Киселевым.

Еще одно место было чрезвычайно сложным. У магнитной дорожки накопителя где-то есть край полюсов. Естественно, поле на краю ужасное - очень крутой радиальный спад, а ведь через него нужно проводить впускаемый в ВЭП-1 пучок. Была придумана компенсирующая система, устроенная так, чтобы компенсация была вдоль всей траектории впуска и по всему сечению впускаемого пучка. Задача почти неразрешимая - градиенты ужасно велики. Этой системой, как и в целом каналами перепуска, занимался Гриша Сильвестров. Родилась идея сделать перпендикулярный вход электронного пучка, расширив магнитные полюса дорожек на участке впуска, а уж такое резко упрощенное магнитное поле импульсно компенсировать. Такие решения оказались правильными. Харьковчане, например, "накололись" на всем этом.

Интересно вспомнить нетехническую вещь. Мы шли каждый год (1957 и 1958 годы) под флагом: к конференции, которая будет в августе, нужно успеть сделать то-то и то-то. К 1959 сделали однодорожечный накопитель (впоследствии использованный Г.Димовым для перезарядной инжекции). Из-за этого меня Андрей Михайлович (по протесту Б.Г.Ерозолимского) не пустил в отпуск. Все ушли, а я работал. Но ни разу в эти годы мы не выполнили и трети своих планов к "очередной конференции"! В этом смысле тяжелое морально время было.

Другой элемент нашей жизни. Я в 1959 году закончил университет. В сейфе у меня стояло пять литров спирта. Нужно было за лето сделать антресоль и еще кое-какую монтажную работу, и я расплачивался с рабочими спиртом. И это было в знаменитом Институте атомной энергии! При переезде в Новосибирск нам пришлось устроить моральную революцию - исключить спирт из способов выполнить работу (чтобы он перестал быть валютой). И нам это удалось (я не говорю, что не пили и не пьют - но ведущие сотрудники не используют спирт как валюту, я надеюсь!).

Еще один, более ранний, эпизод. Когда я был у Б.В.Чирикова, мне нужно было для регистрации ионов, которые вылетают из виртуального катода, сделать прозрачную сетку из 10 мкм вольфрамовой проволоки. Я пошел в мастерские. Там были дамы, человек пятнадцать, которые занимались точечной сваркой на весь большой институт. Когда я пришел к ним, то меня они послали куда подальше и сказали, что этого сделать нельзя. Я решил сделать сам (хотя никогда ни одной сварки до этого не делал) и за 3-4 дня сделал эту сетку. Вадим Волосов ее, оказывается, хранил и подарил на мое пятидесятилетие.

С ВЭП-1 многое было сложно. Сначала мы думали, что он останется в Москве, а в Новосибирске будет сразу создаваться еще гораздо более сложный комплекс ВЭПП-2 - установка со встречными электрон-позитронными пучками. Но всетаки в 1962 году ВЭП-1 был перевезен в Новосибирск, исправлен, смонтирован, запущен, и в мае 1964 года были получены первые рассеянные встречные электроны.

ВЭП-1 - единственный в мире ускоритель, орбита которого вертикальна. Было тесно, его поставили сначала в поликлинике Института атомной энергии. А.М. Будкер не хотел сначала брать ВЭП-1 в Новосибирск. Он предложил мне остаться в Москве. Но я не хотел работать на каких-то "хвостах". Тогда он сказал: "Поедем в Новосибирск". Команда Б.Г.Ерозолимского оставалась в Москве и стала добиваться статуса лаборатории в Курчатовском институте. Этот конфликт возник тогда, когда я уже был в Новосибирске, в 1962 году. Я был при разборе этого дела в Средмаше. Там резко выступил М.А.Лаврентьев. Он сказал, что некоторые хотят развивать науку в Сибири, а здесь не хотят отдать оборудование. Решение было в пользу А.М.Будкера. В один день команда Г. Блинова демонтировала ВЭП-1 так, что восстановить его было уже нельзя. Его быстро перевезли сюда. Г.Димову здесь поручили собрать ВЭП-1.

Решение о том, что я буду работать в Институте ядерной физики (ИЯФ), было принято весной 1958 года после того, как я прошел собеседование. Собеседование проводили Б.Г.Ерозолимский и Б.В.Чириков. До окончания учебы в МГУ оставалось полгода. Они поинтересовались моей дипломной работой. Я в это время работал в ФИАН, в лаборатории П.А.Черенкова, занимался "черенковским" счетчиком, регистрирующим оптическое излучение быстрых заряженных частиц, проходящих через прозрачное вещество. Они предложили мне включиться в работу по созданию системы регистрации для эксперимента на ВЭП-1 по проверке квантовой электродинамики, где предполагалось использовать такие счетчики. Я с удовольствием принял это предложение.

В мае 1959 года я пришел на работу в ИЯФ, который в это время находился в Москве, в Институте атомной энергии имени И.В. Курчатова (тогда он назывался ЛИПАН - Лаборатория измерительных приборов Академии наук). ИЯФ занимал маленькое одноэтажное здание бывшей поликлиники. Здесь шла работа по созданию первой в мире установки со встречными электронными пучками ВЭП-1. Было известно, что аналогичную установку сооружали в США. Темп работ в ИЯФ был очень высоким. До поздней ночи продолжались работы по получению больших токов на ускорителе-инжекторе Б-2, активное участие в которых принимал мой сокурсник Саша Скринский. Накопитель ВЭП-1 изготавливался на заводе в Новосибирске, но запускать его в работу предполагалось в Москве. Для него вскоре выкопали яму в том самом здании поликлиники. Надо сказать, проект установки ВЭП-1 выглядел весьма оригинально. Кольца накопителя располагались в вертикальной плоскости одно над другим. В таком виде накопитель с трудом вошел в маленький зал. Магнит этого накопителя можно и сейчас увидеть как музейный экспонат в коридоре ИЯФ.

Напомню, что главной целью первых в мире установок со встречными электронными пучками - американской и нашей - было измерение размера электрона, который с точки зрения квантовой электродинамики является точечной частицей. Измерить размер электрона можно, сталкивая между собой два электрона, движущиеся навстречу друг другу со скоростью, близкой к скорости света, и исследуя угловое распределение при их упругом рассеянии на большие углы. Именно для изучения такого процесса и предназначалась система регистрации.

Установки со встречными пучками были совершенно новым словом в ускорительной технике, и системы регистрации для них приходилось создавать с чистого листа. Когда я пришел в ИЯФ, уже шло изготовление системы регистрации на основе "черенковских" счетчиков с радиаторами из оргстекла, физический проект которой разработали В.Приходько и С.Родионов. Это был первый вариант, позже появилось еще два с "черенковскими" и сцинцилляционными счетчиками. Реальный же эксперимент по рассеянию электронов на большие углы был сделан на четвертой системе с оптическими искровыми камерами, которые позволяли сфотографировать следы вылетающих из места столкновения частиц. Метод искровых камер начал энергично внедрять только что приехавший из Москвы молодой заведующий лабораторией В.А.Сидоров.

Мне нужно было рассчитать скорость счета событий упругого рассеяния электронов, для чего требовалось знать число циркулирующих в накопителе частиц, или, что то же самое, токи электронных пучков. Б.Г.Ерозолимский посоветовал спросить величину тока у Андрея Михайловича Будкера. Андрей Михайлович сказал мне: "Ускоритель даст ток 1 А, сто раз можно захватить пучок, значит, будет 100 А". Я сделал расчет для таких токов, у меня до сих пор сохранился журнал с этими расчетами. Реальность оказалась совершенно другой. Здесь, в Новосибирске, после успешной инжекции в ВЭП-1 вскоре убедились, что удается накопить ток не более 10 мА. Стало ясно, что придется работать сначала с такими токами, надеясь в будущем иметь 100 мА вместо 100 А. Это означало, что скорость счета в системе регистрации будет в миллион раз меньше, чем рассчитывали.

Но для того чтобы настраивать установку, нацеливать встречные пучки друг на друга, нужно было регистрировать события взаимодействия частиц, происходящие хотя бы десятки раз в минуту. Кто-то из ускорительщиков (может быть, С. Попов) предложил регистрировать рассеяние частиц на малые углы (около 1°), для чего поставить счетчики в апертуру магнитов, близко к циркулирующим пучкам. Расчет показал, что эта вспомогательная система даст скорость счета в 1000 раз больше, чем вся система регистрации рассеяния электронов на большие углы, что было уже приемлемым.

И вот 19 мая 1964 года удалось зарегистрировать первый десяток событий рассеяния электронов на малые углы. Мы ликовали!!! Эта дата запомнилась мне потому, что я в этот день по микрофону поздравил Сашу Скринского с рождением дочери. В конце 1964 года и начале 1965 года мы провели первый эксперимент на системе регистрации с искровыми камерами. В 1965 году была конференция во Фраскатти (Италия), мы представили данные по рассеянию на большие углы при энергии 43 МэВ, где было зарегистрировано 150 событий.

Всего в экспериментах по рассеянию на большие углы мы отсняли более 100 тысяч фотографий, среди которых было найдено около тысячи полезных событий. Окончательные результаты эксперимента по проверке квантовой электродинамики на нашей установке были опубликованы в 1967 году. Было показано, что размер электрона по крайней мере в 2 раза меньше, чем размер протона. Одновременно работавшая американская установка со встречными электронными пучками, которая имела большие размеры и большую энергию частиц, "уменьшила"размер электрона еще в 10 раз.

На установке ВЭП-1 изучались и другие процессы: рождение при столкновении электронов энергичного фотона (гамма-кванта) и одновременное рождение двух гамма-квантов, летящих в противоположных направлениях. Последний процесс, получивший название двойного тормозного излучения, впервые наблюдался именно на ВЭП-1 и в дальнейшем часто использовался на установках со встречными пучками для измерения их светимости.

Однако наиболее важным результатом первых установок со встречными пучками было то, что они заработали. На многие вопросы были получены ответы. С тех пор метод встречных пучков получил бурное развитие во всем мире. Появились установки со встречными электрон-позитронными и протон-антипротонными пучками, на которых можно исследовать гораздо более широкий круг физических явлений. Сегодня основная доля информации в физике элементарных частиц поступает с установок со встречными пучками. Фантастически выросли размеры установок. Если длина орбиты пучков на установке ВЭП-1 была меньше 3 м, то самая большая на сегодняшний день установка со встречными пучками в Европейском центре ядерных исследований около Женевы имеет длину 27 км, и, не умещаясь в Швейцарии, уходит в большей части на территорию Франции. Кстати, методом встречных пучков в последние годы показано, что квантовая электродинамика справедлива вплоть до расстояний, в 500 раз меньших, чем размер протона.

Я ВИДЕЛ ОДИН ЭЛЕКТРОН!

Было принято решение, что надо поднять энергию электронов в ВЭП-1 во время инжекции до 43 МэВ, чтобы вести наблюдение за пучком по синхротронному излучению и получить достаточно малое время затухания поперечных и продольных колебаний. Такая энергия была уже на пределе надежности нашего ускорителя-инжектора (синхротрона Б-2С) и основной конденсаторной батареи.

Нам многое приходилось делать собственными руками. Я хорошо запомнил гаечный ключ на 17 мм. Этим ключом мы закручивали и откручивали фланцы на синхротроне: их нужно было затянуть так, чтобы проволочка между фланцем и обечайкой обеспечивала электрический контакт и скиновые токи формировали необходимое поле безжелезного синхротрона. И еще нужно было часто бегать в зал и подкручивать разрядники. Рекордсменом в этом был Саша Скринский - эту процедуру по времени он делал быстрее всех.

		ВЭП-1 - первое детище ускорительной школы ИЯФ // Выпускники МГУ в Новосибирском научном центре СО РАН. 1957-2007. - Новосибирск: Гео, 2007. - С.219-224.

ОГЛАВЛЕНИЕ