8. Проектирование и строительство циклотрона ЛФТИ

Как уже упоминалось, планы сооружения большого циклотрона в ЛТФИ возникли вскоре после перехода Курчатова и Алиханова на ядерную тематику. Однако прошло несколько лет, прежде чем в этом направлении были предприняты конкретные шаги. По-видимому, первым официальным документом, свидетельствующим о том, что стремление ядерных лабораторий построить циклотрон было поддержано научным руководством института, является протоколом заседания Научного совета ЛФТИ от 26 сентября 1936 г. На этом заседании ядерная группа выступила с заявлением о том, что ей необходим циклотрон, и было принято постановление: "Включить в план работы института на 1937 г. постройку установки Лоренса на 10 МэВ и обеспечить работу средствами и фондами".^*

^* (Архив ФТИ, ф. 3. он. 1, ед. хр. 47, л. 15, об.)

Модель циклотрона ЛФТИ, подаренная А. Ф. Иоффе в 1938 г. группой Курчатова

Из названной здесь цифры видно, что прежние наметки были изменены в сторону увеличения энергии ускоренных частиц. Первоначально речь шла об энергии частиц в 6 МэВ; об этом можно судить по "Программе работ и расходов по построению циклотрона на 6 МэВ деитонов".^* Среди параметров циклотронной установки, перечисленных в "Программе", были такие: диаметр полюсов магнита 80 см, мощность ВЧ-генератора 80 кВт, диапазон длин волн 15-20 м. В программу был включен следующий любопытный пункт, связанный с желанием создать хорошо оснащенную установку: изготовить силами института автоматический регулятор резонанса между напряженностью магнитного поля и длиной волны ВЧ-генератора. Исходя из современной практики эксплуатации циклотронов, Намерение несколько наивное, однако мысль о применении методов автоматического регулирования в ускорительной установке была прогрессивной.

^* (Архив ФТИ, ф. 3, оп. 1, ед. хр. 57, л. 1. К сожалению, на этом документе нет даты.)

В январе 1937 г. А. Ф. Иоффе обращается с письмом к народному комиссару тяжелой промышленности Г. К. Орджоникидзе [75, с. 14]. После подробного обоснования необходимости коренным образом улучшить техническую базу ядерных лабораторий ЛФТИ, А. Ф. Иоффе просит выделить определенную сумму денег на строительство циклотрона в ЛФТИ, распорядиться об изготовлении ВЧ-генератора, о выделении железа и меди и т. д.

4 октября 1937 г. на имя начальника Научно-исследовательского сектора по изобретательству (НИСИЗ НКТП) А. А. Арманда было отправлено письмо, в котором говорилось: "В соответствии с договоренностью направляем Вам технически обоснованную заявку на первоочередные материалы и аппаратуру к циклотрону со спецификацией и просим Вас дать распоряжение Отделу снабжения НИСИЗа обеспечить ЛФТИ нужными фондами в 4-м квартале 1937 г.".^* Письмо подписали Иоффе, Али-ханов и Курчатов. К нему было приложено описание циклотрона, который предлагалось построить в ЛФТИ. На этот раз было указано, что диаметр полюсов предполагается равным 1 м, протоны и дейтоны должны ускоряться до 10 МэВ, ток пучка должен достигать 10 мкА. Намечалось изготовить две вакуумные камеры - отдельно для ускорения протонов и дейтонов, обе с внутренним диаметром 80 см. В этом пункте физики из ЛФТИ последовали необычной и непонятной практике, являвшейся особенностью циклотрона ГРИ: у всех изготовленных здесь камер наружный диаметр был меньше диаметра полюса.^**

^* (Архив ФТИ, ф. 3, оп. 1, ед. хр. 57, л. 3.)

^** (Первоначально работники ГРИ считали, что магнитное поле в рабочей области камеры циклотрона должно быть возможно более однородным [В (r)=const], поэтому последний виток орбиты ионов не должен подходить слишком близко к краю полюса. Происхождение этого заблуждения трудно понять, поскольку уже в 1932 г. было хорошо известно [85], что в циклотроне необходимо создавать магнитное поле, для которого В (r) будет слегка убывающей функцией. Без этого не будет магнитной фокусировки и пучок ионов невозможно будет довести до мишени.)

По всей вероятности, в конце 1937 г. Наркоматом тяжелой промышленности СССР было принято решение о выделении материалов и средств на сооружение циклотрона в ЛФТИ. Отметим, однако, что задолго до этого решения Курчатов развернул большую подготовительную работу. Уже в 1936 г. он решил, что необходимо перейти от прикидочных расчетов, выполняемых в лаборатории, к рабочему проектированию, которое следует передать специалистам. К разработке теоретических аспектов циклотрона и к расчету электромагнита были привлечены ученые из Ленинградского индустриального (политехнического) института (ЛИИ) им. М. И. Калинина - сотрудники кафедры теоретической физики инженерно-физического факультета^* Г. А. Гринберг, М. И. Конторович и Н. Н. Лебедев и сотрудники кафедры электрических машин электромеханического факультета С. М. Гохберг, Л. Р. Нейман, А. И. Блохин и Е. М. Кельзон. Рабочий проект электромагнита циклотрона в конце 1937 г. взялся разработать начальник конструкторского бюро машин постоянного тока завода "Электросила" В. К. Федоров. С ним было заключено соответствующее трудовое соглашение. В проекте было предложено предусмотреть устройство для плавного перемещения верхней балки ярма магнита вместе с верхним полюсом и его обмоткой с целью получения возможности вставлять в межполюсный зазор вакуумные камеры разной высоты. Эта особенность конструкции электромагнита циклотрона ЛФТИ оказалась очень удобной при выполнении работ, требующих выкатки вакуумной камеры из магнита. В. К. Федоров неоднократно встречался с Л. М. Неменовым и С. М. Гохбергом для согласования проекта. В начале 1938 г. он представил полный комплект рабочих чертежей магнита с диаметром полюсов 1.2 м. Масса магнита, согласно проекту, составляла ~75 т.

^* (Так некоторое время назывался физико-механический факультет.)

Интересны задачи, которые после подробных обсуждений с "главным теоретиком" циклотрона ЛФТИ Я. Л. Хургиным поставили перед собой сотрудники кафедры теоретической физики ЛИИ. Из составленной М. И. Конторовичем программы работ, подписанной 22 апреля 1936 г., видно, что расчет циклотрона будет состоять из двух частей: в первой будет рассмотрен вопрос о получении однородного магнитного поля в межполюсном зазоре электромагнита, во второй - вопрос о движении частиц в циклотроне. Эту часть расчетов намечалось закончить к 1 ноября 1937 г. Во второй части программы были такие вопросы: учет влияния переменности массы ускоряемой частицы при больших скоростях; расчет формы магнитного поля в межполюсном пространстве, обеспечивающей синхронизацию при переменной массе. Результаты работы этой группы сотрудников ЛИИ изложены в подробном отчете [147]. Отметим, что известная работа Бете и Роуза о значении релятивистских эффектов для работы циклотрона появились только в 1937 г. [148].

Результаты работы второй группы из ЛИИ были изложены в подробном отчете [149] (см. также [150]).

В конце 1937 г. главному архитектору ЛФТИ Я. Д. Гликину было поручено обдумать проект здания для циклотрона [151, с. 195].

Ко времени начала проектирования циклотрона ЛФТИ (1935-1936 гг.) появились планы сооружения циклотронов в ряде стран Западной Европы. Однако ни в одном научном центре Европы не предполагали строить столь большой циклотрон, как в ЛФТИ. Так, в Коллеж де Франс в Париже в 1934 г. начали проектировать циклотрон с D=850 мм (пущен в 1938 г.), в Институте теоретической физики в Копенгагене в 1936 г. - циклотрон с D=900 мм (пущен в 1938 г.), в Кембриджском университете (Англия) в 1936 г. - циклотрон с D=940 мм (пущен в 1939 г.). Таким образом, выбор параметров циклотрона ЛФТИ говорит о смелости замыслов и прозорливости физиков-ядерщиков Физтеха, о большом размахе их планов.

Даже к моменту завершения технического проекта циклотрона ЛФТИ в Европе строился только один циклотрон, по размеру превышавший ускоритель ЛФТИ, - это циклотрон Бирмингамского университета, с D=1560 мм (1938-1950 гг.). В 1939 г. в лаборатории Лоренса в Беркли действовали два циклотрона с D=940 и 1524 мм.

Основными сотрудниками лаборатории Курчатова, занимавшимися циклотроном, были физик-экспериментатор Л. М. Неменов, физик-теоретик Я. Л. Хургин^* и инженер-электрик П. Я. Глазунов. Игорь Васильевич организовал регулярные совещания нескольких групп. Рассматривались вопросы расчета и конструкции электромагнита, теории циклотрона, топографии и коррекции магнитного поля. В список участников совещаний, кроме уже названных лиц из ЛИИ и ЛФТИ, входили сотрудники Радиевого института Д. Г. Алхазов и аспирант Курчатова А. Н. Мурин.

^* (29 июня 1940 г. Я. Л. Хургин защитил кандидатскую диссертацию на тему "Теория циклотрона".)

У строящегося здания циклотронной лаборатории ЛФТИ. Осень 1940 г.: слева направо: А. Ф. Жигулев, И. В. Курчатов, П. Я. Глазунов, Я. И. Лапковский

Постановление Экономического совета при Совете Народных Комиссаров СССР о выделении средств на строительство циклотрона ЛФТИ было принято 7 июня 1939 г. К этому времени уже были готовы проекты установки и здания, на заводах подготовлена почва для изготовления оборудования. Магнит для циклотрона был заказан на заводе "Электросила" (1939 г.), изготовление специального железа типа "армко" для этого магнита взял на себя завод "Большевик". К февралю 1941 г. магнит был готов, и начались его стендовые испытания.

22 сентября 1939 г. состоялась торжественная закладка здания циклотронной лаборатории ЛФТИ.^* Проект здания был составлен архитектором Я. Д. Гликиным, рабочие чертежи - отделом капитального строительства ЛФТИ, начальником которого был Я. И. Лапковский, а главным инженером А. Ф. Жигулев. Этот изобретательный, энергичный и высококвалифицированный специалист сыграл большую роль в успешном строительстве здания циклотрона. Строительные работы выполнялись 1-м строительным участком "Ленмашстроя".

^* (Фактически строительные работы начались значительно раньше, так что ко дню торжественной церемонии уже была выложена часть стен здания.)

Здание циклотронной лаборатории Ордена Ленина Физико технического института им. А. Ф. Иоффе АН СССР

В октябре 1940 г. Курчатов прекратил работу в Радиевом институте и со свойственной ему кипучей энергией всецело отдался руководству строительством циклотрона ЛФТИ. Курчатов и Алиханов распределили между собой обязанности таким образом, что внутренними делами (проектом, строительством) занимался Курчатов, а внешними (добыванием денег, фондов на материалы и т. п.) - Алиханов. Однако часто за подобные дела брался и Курчатов. Например, он где-то раздобыл мотор-генератор мощностью 100 кВт для питания обмоток магнита, дефицитные строительные материалы - белый цемент, гофрированное железо для потолков и т. д.

К лету 1941 г. здание циклотронной лаборатории было почти готово [152]. Сюда был доставлен ВЧ-генератор мощностью ~20 кВт, изготовленный группой сотрудников ЛПИ. Вакуумная камера с пирексовыми изоляторами (ею в основном занимался Л. М. Неменов) успешно прошла вакуумные испытания. Уже наметили срок пуска циклотрона - 1 января 1942 г.

Война прервала все работы...

18 января 1943 г. была прорвана блокада Ленинграда, а в начале февраля начал действовать построенный в невероятно короткий срок участок железнодорожной линии вдоль Ладожского озера, связавший Ленинград с Большой Землей. Курчатов, ставший начальником только что организованной им Лаборатории № 2 АН СССР,^* принимает решение доставить из Ленинграда оборудование для сооружаемого в Лаборатории № 2 циклотрона. Это трудное и опасное дело он поручает своим сотрудникам Л. М. Неменову и П. Я. Глазунову. Они прилетали в Ленинград в марте 1943 г. В два товарных вагона были погружены ВЧ-генератор, изготовленный до войны для циклотрона ЛФТИ, изоляторы дуантов, выкопанные из "хранилища" листы латуни и меди [153]. Груз был благополучно доставлен в Москву и использован для сооружения первого московского циклотрона с диаметром полюса 73 см.

^* (Так назывался в то время Институт атомной энергии им. И. В. Курчатова.)

Сохранилось трогательное письмо, подписанное И. В. Курчатовым и многими сотрудниками Лаборатории № 2, в котором они выражают глубокую благодарность сотрудникам ЛФТИ, оставшимся в Ленинграде (директор - П. П. Кобеко). Они писали: "Вам мы обязаны тем, что ценнейшее оборудование ядерной лаборатории, созданное и приобретенное годами упорной работы коллектива ядерных лабораторий, оказалось в сохранности и может в нужный момент быть использовано. Не ограничиваясь этим, вы оказали нам сейчас огромную помощь при изготовлении и отправке оборудования, весьма необходимого для нашей работы" [154, с. 92].

Циклотрон в Лаборатории № 2 был пущен в 1944 г. Тогда он был единственным действующим циклотроном в СССР.

Курчатов считал, что для обширных исследований по "урановой проблеме", которыми он руководил, этого недостаточно. Поэтому в 1945 г. Государственный комитет обороны принял решение о срочном завершении строительства циклотрона ЛФТИ.

Руководство работой по достройке циклотрона было поручено перешедшему из РИАНа в ЛФТИ Д. Г. Алхазову, у которого был большой опыт, приобретенный в циклотронной лаборатории Радиевого института. С ним работал небольшой коллектив - шесть физиков, несколько конструкторов, электриков и механиков. Главным инженером циклотронной лаборатории был назначен инженер-электрик А. Г. Питюх. Электромагнит циклотрона был перевезен с "Электросилы" и установлен на свое место уже в мае 1945 г. В марте следующего года в "павильон № 1" Физтеха был доставлен 6-каскадный перестраиваемый в широком диапазоне частот ВЧ-генератор с выходной мощностью 100 кВт, изготовленный на одном из ленинградских заводов. Для питания дуантов была использована незаэкранированная лехерова система, так как это позволяло быстро перестраивать собственную частоту дуантного контура [155].

27 ноября 1946 г. был получен пучок дейтонов с энергией 6 МэВ при токе пучка на пробник 250 мкА.

Обстоятельства сложились так, что Игорь Васильевич никогда не увидел в собранном и действующем виде циклотрон ЛФТИ - ту установку, в строительство которой он вложил столь много сил.

В настоящее время у первых советских циклотронов, построенных в Ленинграде, есть множество "потомков" в разных городах Советского Союза. Среди них - самый большой в мире циклотрон с диаметром полюса 4 м, работающий в Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ, г. Дубна.