Р.В.Харьюзов

В апреле 1963 г., по приглашению И.М. Маторы, я приехал из Ленинграда для работы в ЛНФ над проектом ЛИУ–30 и в надежде получить жильё. Вообще – то я закончил Ленинградский политехнический институт по специальности "техническая физика" и девять лет отработал в "ящике", в измерительном отделе. Измерения наши имели "экзотический" привкус, связанный с разработками в области радионавигации для военно – воздушных сил страны. Это сказалось на моём кругозоре, но в ускорителях я "не сёк". Суть ЛИУ пришлось постигать "по ходу". Через пару месяцев ЛИУ, составленный из электроннолучевой трубки (электроны) и пары индукторов (вихревое ускоряющее поле), заработал...

Однажды приходит ИММ и вкрадчивым голосом: – Фёдор хочет, чтоб ты занялся микротроном.

– Кто это?

– ЗАМ!

За окном куковала кукушка, глаза мозолила изрядно выцветшая синька: "График запуска микротрона". Саша Бирюков, прошедший годовую стажировку на микротроне С.П. Капицы, запускать не спешил. Ремонтировал, например, дамские туфли. Жил.

...В зале микротрона было непривычно неуютно: за годы работы в "ящике" глаз привык к хрому с полировкой и светлым тонам, здесь же всё было грязно–серое, но, зато, "уникальное". Вот только "мощность не лезла в резонатор". Магнетрон, волновод, резонатор – знакомо, а электронная нагрузка... Для многих электрических систем нагрузками являются резисторы, проще – сопротивления: утюги, плитки, лампочки. Приволок резонатор в комнату, подключил его к приборам, которых у Саши было достаточно, а роль электронной нагрузки "доверил" терморезистору измерителя малых мощностей – ИММ. Изменяя глубину погружения штыревой антенны в полость резонатора, научил ИММ больше или меньше нагружать, а он добросовестно показывал мощность в нагрузке, т.е. в пучке. Действительно, "мощность лезла в резонатор" только без электронной нагрузки. При любой попытке нагрузить, энергия отражалась от резонатора, в волноводе возникали стоячие волны...

... Микротрон изобрёл В.И. Векслер, у англичан он заработал с очень малым током, С.П. Капица ввёл в резонатор термокатод и вроде бы превратил микротрон в ускоритель с большим током. Но...

...Но ни у него, ни у Ю.Я. Стависского в Обнинске, ни у И.М. Маторы "мощность не лезла"...

...Сижу и напильником "размышляю" над окном связи, через которое энергия от генератора идёт в резонатор. Входит главный инженер С.К. Николаев. И пошло:

– Да, что это? Да, как это? Такую дорогую вещь! Пилить! – ...Грешен. Послал главного, как было принято в "ящике". Оторопев от непривычного, С.К. испарился. ... Выгонит – думаю. Иду в кабинет, извиняюсь, но твёрдо прошу не вмешиваться в мои дела до тех пор, пока я сам не попрошу помощи. Договор получился, главный оказался правильным мужиком, хоть и опасался, чаще, чем надо, встречи с прокурором.

...Мы с Лёвой Меркуловым на площадке зала микротрона смотрим на экран синхроскопа.

И.М.М. и С.П.К. на пульте. Дверь зала открыта, дозиметр молчит. У них ручки управления, у нас импульс, отраженный резонатором. По громкой связи просим увеличивать нагрузку. Дозиметр верещит. Отражения уменьшаются. Дальше, дальше! Дозиметр зашкаливает на самой грубой шкале. Полезла моща!

Не зря пилили резонатор! ...Открылась дорога для дальнейших радиофизических "подвигов"... В ту пору не "дремали" и другие. В.Д. Ананьев отработал электронный подогрев катода, В.И. Лущиков создал стабилизаторы для питания квадрупольных линз, полюсные наконечники которых вычислил И.М.М, а сработали умельцы Н.А. Мацуева... А И.М.М., "окрыляемый" постоянным вниманием Ильи Михайловича Франка и Фёдора Львовича Шапиро не только "вылизал" свои любимые магнитные и электронно – траекторные "сути" микротрона, но ещё и постоянно синхронизовал бесконечные и, можно сказать, сверхчеловеческие усилия ребят из групп В.П. Воронкина, Г.В. Ветохина и своей группы новых разработок. Он же взял на свои плечи и тяжкую ношу опубликования полученных результатов.

С.П.К. регулярно наведывался к нам и переносил наши решения в Москву и Обнинск. Позднее Стависский был "слегка" удивлён, что "это, это, это и это" было найдено и сделано в Дубне.

...Запуск системы ИБР – МИКРОТРОН в 1965 г. подтвердил верность основополагающих замыслов и соответствующих надежд нашего руководства, а мне лично подарил Премию ОИЯИ, степень кандидата технических наук и два изобретения. Поводом же для замены микротрона на линейный ускоритель послужило его главное "достоинство" – термокатод, который распылялся в процессе работы, и каждые 150 – 200 часов требовалась остановка для чистки резонатора.

Однажды, при встрече, Ф.Л. Шапиро предложил мне перенести микротрон в пристройку к лаб. корпусу и продолжить работу с ним.

– А он Вам нужен? – спросил я.

– Да, вроде, нет.

Окончательно решили отправить его в Ужгород, а мне вновь заняться ЛИУ. В беседе с главным инженером микротрона в Ужгороде К.Д. Поповичем я предложил ему такую конструкцию резонатора, при которой загрязнившуюся часть его можно заменять через шлюз, не нарушая вакуума, быстро. Спустя время пришёл денежный перевод из Киевского института ядерной физики – вознаграждение за изобретение номер... Я – соавтор...

...И до сих пор неведома формула изобретения, поскольку оно оказалось "закрытым". Годовая же наработка микротрона стала соизмерима с наработкой ИБРа, и Костя много лет успешно торговал пучком.

...Во время весеннего субботника мы с молодыми физиками сметали песок с площадки возле Доски почёта ЛНФ, и я им саказал:

– Слово микротрон видите? Так вот я – тот самый Харьюзов, которому лично Ф.Л. Шапиро предложил "защититься" по этой теме, лично И.М. Франк подписал диплом К.Т.Н., а Доска умолчала об этом и скромно потупилась.

Все весело рассмеялись...

ЛИУ – 30.

Не могу сказать кто, когда и почему счёл линейный индукционный ускоритель электронов ЛИУ наиболее подходящим инжектором для проектируемого в ЛНФ реактора ИБР – 2. Американский проект "Астрон", ЛИУ – 3000 в ЛВЭ у Векслера – выглядели, видимо, уж очень привлекательно. Сотни ампер электронного пучка по сравнению с сотней миллиампер! Кто откажется от выигрыша в три порядка?

...Группа Ю.П. Вахрушина в НИИЭФА – разработчик ЛИУ – 30, группа И.М. Маторы – куратор проекта и в НИИЭФА, и на Ленинградском сталепрокатном заводе (создан ГОСТ на пермаллоевую ленту толщиной 10 микрон, налажено производство и изготовлено 70 тонн этого продукта), и в ГСПИ (здание, технологическое и электросиловое оборудование). Роль И.М.Маторы при создании ЛИУ–30 переоценить невозможно. И не его, в конце концов, вина в том, что наши познания в те времена, оказались недостаточными.

...Предполагалось, что 250 – амперный осе–симметричный, равноплотный, монохроматический поток электронов, фокусируемый осе–симметричным продольным магнитным полем, получает постепенно, с неизменным темпом, ускорение до энергии 30 МэВ продольным вихревым электрическим полем, создаваемым за счёт последовательного синхронизованного импульсного перемагничивания 1300 "идеальных" ферромагнитных сердечников, размещённых вдоль 250–метровой оси ускорителя... Не слабо?

...Вообще – то, без учёта нагрузки пучком, условия эти, казалось, были выполнены. Начальная часть ускорителя показала и надёжность (всё хорошо включалось, работало и выключалось), и повторяемость результатов (регулярно "отравлялись" оксидные катоды). Из – за этой беды даже в самую благоприятную пору лишь примерно 10% рабочего времени мы ускоряли пучок. Катод, катод, катод. Оксидный катод, даже при идеальной чистоте устройства, японцы в своих телевизорах никогда не выключают. Он всегда горячее окружающих деталей (дежурный режим, у телевизора горит красный огонёк). Тогда мы этим приёмом не пользовались будто бы из соображений пожарной безопасности. Да и об идеальной чистоте даже мечтать не могли, поскольку все вакуумные трубки, в которых летел пучок, были изнутри покрыты тонким слоем, содержащим в себе олово. Этот слой, "прозрачный" для ускоряющего поля, введён был для стекания наведённых пучком электрических зарядов, т.е. для предохранения материала трубки от повреждения. Но он мог распыляться при случайной электронной бомбардировке и губить катод, ибо вакуум в прикатодной области был на порядок выше, и "ветер" всегда дул в сторону катода. "Прозрачность" же слоя, оказалось, могла быть различной для разных спектральных составляющих импульса ускоряющего поля – высокочастотные могли проникать к пучку с меньшими, а низкочастотные с большими потерями. Импульс как бы дифференцировался, начальная часть импульса электронного пучка получала больший прирост энергии, чем каждая за ней следующая. Но этого могло и не быть. Всё зависело от соотношения "сопротивления" пучка и сопротивления покрытия трубки. Принятые тогда подходы оказались ошибочными.

Естественно, что даже в "идеальном" фокусирующем магнитном поле отдельные части электронного пучка в каждом импульсе вели бы себя по–разному. Но поле не было "идеальным". Примерно в половине фокусирующих катушек инжекторного участка ЛИУ – 30 мы наблюдали хаотически распределённые вдоль участка отклонения вектора поля от оси. Поперечная составляющая, достигавшая 5 –10% от значения продольной, была случайным образом ориентирована и связана с дефектами и намотки, и установки катушек. Как раз здесь уместно вспомнить о головном образце (электронная пушка плюс две секции инжекторного участка), на котором в НИИЭФА удалось ускорить и провести примерно 100% тока пучка. Он отличался устройством вакуумной трубки, составленной из отдельных изоляторов, по числу индукторов, и конических экранов, "затеняющих" от пучка изоляторы. Так вот, при "проводке" пучка в течение года, экраны были частично проплавлены, и траектория пучка по этим следам напоминала штопор для откупоривания бутылок. Причина, по–видимому, заключалась в исходной несоосности пучка и поля.

В нашем случае, с учётом перечисленных выше особенностей, отдельные части пучкового импульса "имели право лизать" покрытие трубок, а это должно было вызывать и потери электронов, и распыление олова. Отсюда – и катоды, и переменная нагрузка током перемагничивающих импульсных генераторов (модуляторов).

В быту и на работе высоковольтные линии и потребители электрической энергии соединены между собой понижающими в К раз напряжение трансформаторами, и это позволяет существенно снизить потери энергии в передающих линиях. В ЛИУ же, в погоне за максимальным темпом ускорения, импульсный трансформатор с ферромагнитным сердечником (индуктор) имеет коэффициент трансформации равный единице. Это приводит к искажениям формы импульса модулятора даже при незначительных изменениях сопротивления пучковой нагрузки в течение импульса. Снижение темпа ускорения, например, вдвое позволило бы уменьшить искажения в четыре раза (в К квадрат раз). Кроме того, в энергетике мы имеем дело с одной частотой, а в импульсных устройствах "работает" спектр частот вплоть до нескольких мегагерц, и возможные резонансы в линии передачи способны принести дополнительные "труднообъяснимые" загадки.

Для снижения потерь за счёт токов Фуко, в индукторах использовали рулоны ленты из 50% сплава железа с никелем толщиной 10 мкм, но при отжиге соседние витки рулона могли свариться друг с другом, создавая непредвиденные вариации толщины. Каждый рулон, внутренним, например, диаметром 100 и внешним 300 мм, состоял из нескольких кусков ленты с различной плотностью намотки и различными магнитными свойствами, и волна намагничивания распространялась от внутренних в сторону периферийных слоёв скачками, характерными для каждого сердечника и повторяющимися в виде как бы "замороженного шума" в каждом цикле перемагничивания. Таким образом, ЛИУ с "железом" обречены на "зашумление" ускоряющего поля, а "безжелезные" – этим недостатком не страдают, хоть и требуют многократно больших токов. Кстати, удача с последними ещё и в том, что в них исключены высоковольтные импульсные линии передачи, а накопители энергии размещены вблизи ускоряемого пучка.

Наиболее же явными особенностями всех ЛИУ следует считать "замусоренность" приосевой зоны ускоряющего канала рассеянными магнитными полями перемагничивающих индукторы токов. Так, в Астроне и ЛИУ–30 для перемагничивания использовали три параллельно соединённых проводника, разнесённых на сердечнике на 120 градусов относительно друг друга. "Наружная часть" магнитного потока каждого проводника перемагничивала сердечник, складываясь в общий поток, а "внутренняя", замыкаясь вокруг каждого проводника в пространстве без ферромагнетика, становилось синхронной помехой, поперечное магнитное поле которой убывало в квадратичной от расстояния зависимости. Более привлекательная линейная зависимость, используемая в квадрупольных фокусирующих системах, возможна здесь при двух проводниках индуктора через 180 градусов. Однако для достижения симметрии поперечных магнитных полей потребовалось бы введение ещё двух проводников через 90 градусов от этих, замкнутых специально подобранными резисторами.

Можно было бы избавиться от помехи и магнитными экранами, но разумней, на наш взгляд, использовать эти поля для фокусировки пучка. И понимание этого, и авторское свидетельство появились, к сожалению, слишком поздно...

Казалось, что пучок в конце начальной части ускорителя плохо сфокусирован. Но прибор, созданный в НИИЭФА и состоящий из мишени, покрытой люминофором с малым временем послесвечения, и очень быстроходного оптического затвора, рассеял эту иллюзию. Просто пучок больше был похож на верёвку разной толщины, небрежно брошенную кем – то, чем на ожидаемый стержень. Отдельные части пучка "вырисовывали" на мишени замысловатую, повторяющуюся в каждом импульсе фигуру.

Поскольку и не менее замысловатые искажения формы ускоряющих импульсов в различных частях ускорителя так же повторялись, нами была предпринята попытка осуществить их Фурье анализ. Искаженные за счёт нагрузки пучком ускоряющие импульсы через специальные широкополосные делители напряжения мы подавали на серийный анализатор спектра. Это была кропотливая работа. Из каждого импульса извлекалась частота и амплитуда одной гармоники его (импульса) спектра. Оказалось, что 5 – процентная по амплитуде гармоника 7,5 МгГц, "занесённая" в пучок в электронной пушке, была и умножена нашим ускорителем до 15 – 30 – 45 МгГц, и одновременно усилена. Из ЛИУ–30 могло бы "получиться" подобие усилительно – умножительного клистрона, но ферромагнитные сердечники активно поглощали электромагнитную энергию при 45 МгГц и выше, да и гармоники вдоль пути пучка воздействовали на него отнюдь не в оптимальных фазах. Ведь от одного модулятора в ЛИУ–30 было запитано 24 или 28 индукторов.

И уж если когда–то, кому–то придёт на ум мысль проектировать ЛИУ с "железом", то придётся либо воздерживаться от "чрезмерной" нагрузки пучком, либо жертвовать темпом ускорения и применять многовитковые обмотки на сердечнике с близким к единице соотношением внешнего и внутреннего диаметров. Придётся исключить "кабели– резонаторы" между модуляторами и индукторами, оксидные катоды, проводящие покрытия трубок. Желаю успехов им!

Дубна, ОИЯИ, ЛНФ.

Март 2004г.

Р.Харьюзов.

P.S.

Роберт Васильевич… Думаю, прочитавший эти странички воспоминаний, даже далекий от техники и физики, почувствует глубину осмысления тех трудностей, с которыми столкнулись специалисты, занимавшиеся созданием ЛИУ. Наверно задача оказалась невыполнимой для уровня технологических возможностей 70 – 80 годов. Восхищает стремление Р.В.Харьюзова понять возникшие тогда трудности, найти способы их диагностики, увидеть способы их разрешения. Роберт Васильевич уже после остановки работ на ЛИУ-30 продолжал годами осмысливать детали пройденных наработок. Я уже не помню, чем пришлось ему заниматься после закрытия ЛИУ-30. Какое–то время он продолжал сидеть в своей комнате в здании ЛИУ, а последние годы Р.В. оказался в физическом отделе в команде Г.С.Самосвата, создававшей экспериментальную установку УГРА, предназначенную для продолжения исследований угловых распределений упруго рассеянных нейтронов ядрами, нацеленную не только на измерение дифференциальных сечений рассеянии, но, главным образом, на извлечение из угловых распределений рассеянных нейтронов тяжелыми ядрами фундаментальной характеристики нейтрона – его поляризуемости. УГРА представляет из себя почти космический аппарат – огромную вакуумированную камеру, через которую проходит пучок нейтронов, рассеваемых на исследуемом образце и регистрируемых детекторами, расположенными под разными углами на вращающейся платформе. Р.В. пришлось разрабатывать автоматику управления поворотом платформы и наладкой предусилителей для нейтронных детекторов из батарей 3He – счетчиков. Это были задачи ниже его таланта и квалификации. Чувствовалось, что это его угнетает. Он часто утром, до прихода Г.С.Самосвата заходил ко мне в комнату, садился в кресло и начинал рассказывать о своих разработках на микротроне и на ЛИУ. Слушать его было интересно, потому что в его рассказе всегда присутствовали искорки его инженерной смекалки и физического объяснения возникавших в прошлом проблем. Наверно эти воспоминания и навеяли странички, которые вы прочитали. Уже не помню, как они ко мне попали.

Как-то в этих утренних разговорах я заметил:

- Роб, что-то ты стихи совсем забросил, неужели ничего не пишешь?

Со временем заметил, что Р.В. стал на компьютере набирать стихи, а Люда Мицына ему стала помогать. Теперь есть возможность познакомиться и с поэтическим творчеством Р.В.

А.Попов

Июль 2013 г.