JINR.info

Фазотрон
Фазотрон
циклический ускоритель тяжёлых заряженных частиц (протонов, дейтронов, ионов и др.), в котором магнитное поле однородно и постоянно во времени, а частота ускоряющего электрического поля меняется.

Физические задачи

Установка Фазотрон предназначена для создания пучков тяжелых заряженных частиц и выполнения научных исследований и прикладных работ на выведенных пучках. На фазотроне действует 10 каналов пучков, которые используются для экспериментов с π-мезонами, мюонами, нейтронами и протонами. Пять вторичных пучков предназначены для медицинских исследований, главным образом по терапии онкологических заболеваний. Основные направления исследований на фазотроне: 

• ядерная спектроскопия на комплексе ЯСНАПП; 
• исследования μ-катализа; 
• изучение редких распадов частиц; 
• изучение свойств конденсированных сред; 
• медико-биологические исследования. 

Принцип действия 

Синхроциклотрон или фазотрон – циклический ускоритель тяжёлых заряженных частиц (протонов, ионов), в котором частицы двигаются в постоянном и однородном магнитном поле и ускоряются в уменьшающемся по частоте высокочастотном электрическом поле. В своих основных чертах принцип действия и устройство фазотрона те же, что и у циклотрона. Однако циклотрон ускоряет нерелятивистские частицы, для которых справедливы законы ньютоновской механики (например, протоны с энергией до 25 МэВ). Для таких частиц время одного оборота в дуантах не зависит от энергии и поэтому в циклотроне используется ускоряющее высокочастотное поле неизменной частоты. Однако, когда скорость протона достигает примерно 1/5 скорости света, вступают в силу законы релятивистской механики и условие синхронизма нарушается. С каждым новым оборотом время обращения увеличивается, и частицы с всё большим опозданием подходят к зазору между дуантами, попадая не в ускоряющую, а в замедляющую фазу высокочастотного электрического поля. В фазотроне этот эффект релятивистского запаздывания компенсируется соответствующим снижением частоты ускоряющего поля. В этой связи фазотрон функционирует в режиме повторяющихся с определённой частотой интервалов ускорения. Частота ускоряющего поля в рабочей части каждого интервала падает в соответствии с энергией частиц, а затем возвращается к своему начальному значению. После этого начинается следующий интервал ускорения. 

Основные технические параметры фазотрона: 

энергия ускоренных протонов – (659 ± 6) МэВ; частота циклов ускорения протонов (частота модуляции) – 250 Гц; интенсивность выведенного протонного пучка в режиме" быстрого" вывода – 2 – 2,5 µА; и в режиме "медленного" вывода 1,6 – 2,0 µА. Выведенный протонный пучок имеет микроструктуру – сгустки частиц длительностью около 10 наносекунд следуют с интервалом около 70 наносекунд. 

История создания

Фазотрон располагается в Лаборатории ядерных проблем – старейшей лаборатории Института. Лаборатория была основана в 1947 г., когда началось создание крупнейшего в то время ускорителя – пятиметрового синхроциклотрона на энергию 560 МэВ. Пуск ускорителя состоялся 14 декабря 1949 г. Для исследований на синхроциклотроне был организован Институт Ядерных Проблем АН СССР. В 1956 г. синхроциклотрон и весь штат сотрудников ИЯП АН СССР были переданы Советским правительством в ведение организованного в Дубне Объединенного института ядерных исследований. В 1979 – 1984 годах синхроциклотрон был реконструирован в фазотрон с пространственной вариацией магнитного поля. В результате проведенной реконструкции интенсивность выведенного пучка протонов возросла в 20 – 25 раз. 

Пучки Фазотрона для прикладных исследований

Первый в Советском Союзе (ныне СНГ) протонный пучок с необходимыми для лучевой терапии параметрами быт создан в 1967 г по предложению В. П. Джелепова в Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ (Дубна) на фазотроне 680 МэВ [2] Все работы на этом пучке проводились совместно сотрудниками Института экспериментальной и клинической онкологии АМН СССР (ныне Онкологический научный центр Российской АМН) и группой физиков Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ Клинические исследования были начаты после серии физико-дозиметрических и радиобиологических экспериментов. 
В конце 1985 года в Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ было завершено создание шестикабинного клинико-физического комплекса, включающего в себя: 

• три протонных канала медицинского назначения для облучения глубоко залегающих опухолей широкими и узкими протонными пучками различной энергии (от 100 до 660 МэВ); 
• π-мезонный канал медицинского назначения для получения и использования в лучевой терапии интенсивных пучков отрицательных π -мезонов с энергиями от 30 до 80 МэВ; 
• канал сверхбыстрых нейтронов медицинского назначения (средняя энергия нейтронов в пучке около 350 МэВ) для облучения больших резистентных опухолей; 
• терапевтическую гамма-установку, которая будет использоваться в качестве резервного источника излучения, а также для отработки различных методов облучения.