Первой премией ОИЯИ за 2019 г. в номинации «Научно-методические и научно-технические работы» был награжден коллектив авторов в составе Б. Н. Гикал, Г. Г. Гульбекян, С. Н. Дмитриев, И. А. Иваненко, Н. Ю. Казаринов, И. В. Калагин, Н. Ф. Осипов, С. В. Пащенко, Н. Н. Пчелкин, В. А. Семин за цикл работ «Разработка, создание и запуск в эксплуатацию циклотрона ДЦ-280 Фабрики сверхтяжелых элементов ЛЯР ОИЯИ».

Открытие новых сверхтяжелых элементов с Z = 114 – 118 явилось одним из наиболее ярких научных результатов последнего десятилетия. Приоритетные эксперименты были выполнены в ОИЯИ (Дубна, Россия) на ускорительном комплексе У-400 Лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флерова ОИЯИ. Синтез осуществлен в реакциях полного слияния дважды магического ядра ⁴⁸Са с нейтронно избыточными ядрами актинидов (^242,244Pu, ²⁴³Am, ²⁴⁹Cm, ²⁴⁹Bk, ²⁴⁹Cf).

Открытие новой области (острова) стабильности и сам факт существования сверхтяжелых элементов поставил целый ряд новых вопросов, связанных с фундаментальными свойствами ядерной материи. Могут ли существовать еще более тяжелые ядра? Является ли «Остров стабильности СТЭ» последним на карте нуклидов? Могут ли сверхтяжелые ядра образоваться в процессах нуклеосинтеза, подобно тому, как образовались в природе стабильные и долгоживущие ядра группы Pt, Pb и U–Th? Где границы Периодической таблицы Д. И. Менделеева? Насколько химические свойства сверхтяжелых элементов подобны их легким гомологам?

Прямой синтез элементов с Z>118 в реакциях слияния, связан с переходом к бомбардирующим ядрам тяжелее ⁴⁸Ca, т.к. возможности наработки на ядерных реакторах мишенного материала ограничены производством изотопов Cf. Ожидается, что сечения образования ядер с Z = 120 в реакции ²⁴⁸Cm + ⁵⁴Cr и ядер с Z = 119 в реакции ²⁴⁹Bk + ⁵⁰Ti будут примерно в 10-20 раз ниже сечения образования изотопов СТЭ в экспериментах по синтезу 114 и 115 элементов в реакциях с ⁴⁸Cа. Для более детального изучения ядерно-физических и химических свойств СТЭ также необходимо существенно повысить эффективность экспериментов.

Решению данной задачи и посвящен реализуемый в ЛЯР ОИЯИ проект создания Фабрики сверхтяжелых элементов (СТЭ). Она создается с перспективой на 20–25 лет и должна быть востребованной в качестве экспериментального комплекса, обеспечивающего лидирующие позиции в науке тяжелых и сверхтяжелых элементов.

В 2009 году дирекцией ЛЯР назад была поставлена задача повышения интенсивности пучков ионов с атомной массой до A=50 до 10 мкА частиц, с целью их использования на Фабрике СТЭ.

Циклотрон У-400, работающий в ЛЯР с 1978 года, обеспечивает для синтеза СТЭ среднюю интенсивность пучков ⁴⁸Ca около 1 мкА частиц, при энергиях 5.3-5.7 МэВ/нуклон. Полная эффективность циклотрона (захват в ускорение, ускорение в циклотроне и вывод на мишень) составляет около 8%. На циклотроне У-400 используется система аксиальной инжекции с ионным источником ECR4, работающим на принципе электронно- циклотронного резонанса. Потенциал инжекции пучка составляет 12 – 18 кВ. Эффективность захвата в ускорение пучков ⁴⁰Ar⁺⁴ и ⁴⁸Ca⁺⁵ (отношение тока в центре циклотрона к току на инжекции), при работе без использования банчеров (группирователей), составляет 5 — 8%. При использовании системы из двух банчеров, эффективность захвата сильно зависит от тока из ионного источника и для токов ионов в диапазоне 15-18 мкА частиц составляет 30 — 35%. Система двух банчеров состоит из банчера с пилообразной формой напряжения (линейного), размещаемого в верхней части инжекции на расстоянии 4 м от медианной плоскости У-400 и банчера с синусоидальной формой напряжения (синусного), размещаемого на расстоянии 0.8 м от медианной плоскости. Ионные пучки выводятся из У-400 методом перезарядки на тонкой углеродной фольге, эффективность вывода для ⁴⁰Ar и ⁴⁸Ca составляет около 40%. Циклотрон У-400 был неоднократно модернизирован, что позволило обеспечить эксперименты по синтезу СТЭ пучками с интенсивностями 1-1,2 мкА частиц. Дальнейшая модернизация У-400 не гарантировала увеличения интенсивностей более чем в 2,5 раза, поэтому было принято решение создать новый ускоритель, который должен обеспечить работу Фабрики СТЭ – циклотрон ДЦ-280.

Рис. 1. Циклотрон ДЦ-280 Где: 1 — основной магнит циклотрона ДЦ-280, 2 — система аксиальной инжекции, 3 — ВЧ резонатор, 4 — пять каналов транспортировки пучка.

Циклотрон ДЦ-280 был разработан и создан в ЛЯР ОИЯИ. В основу проекта ДЦ-280 легли как новые, так и экспериментально проверенные научные и инженерные решения ЛЯР ОИЯИ. ДЦ-280 — это ускоритель с проектной максимальной интенсивностью пучка на мишени 10 мкА частиц для ионов с атомной массой до А=50, что на порядок превышает интенсивности достигнутые на сегодня в долговременных экспериментах по синтезу СТЭ. Разработка ДЦ-280 была начата в 2010 г., основная часть оборудования была изготовлена к 2015 г., параллельно шло сооружение здания нового экспериментального корпуса- Фабрики СТЭ, где планировалось разместить ДЦ-280.

Компоновка циклотрона представлена на Рис. 2, она состоит основного магнита, резонансной ускоряющей системы, системы инжекции пучков и системы вывода из циклотрона и транспортировки пучков к физическим установкам.

Основные принципы разработки, которые легли в основу проекта циклотрона ДЦ-280 представлены в таблице:

Принцип разработки	Ожидаемый результат
Высокий потенциал инжекции пучка (до 80 кВ)	— Снижение влияния пространственного заряда пучка в канале инжекции. — Высокий коэффициент захвата пучка в ускорение.
Высокий темп ускорения ионов (до 130 кВ на дуантах, 480 кВ на оборот на 3-й гармонике частоты обращения ионов) Низкий уровень магнитного поля (до 1,3 Т)	— Уменьшение потерь пучка в процессе ускорения. — Хорошее разделение орбит на радиусе вывода, эффективный вывод пучка при использовании электростатического дефлектора. — Большой радиус первого оборота пучка — Пониженный потенциал на дефлекторе.
Использование флэттоп (flat-top) системы (3-я гармоника частоты основной ВЧ системы)	— Малый радиальный размер пучка на радиусе вывода из циклотрона. — Эффективный вывод пучка при использовании электростатического дефлектора. — Высокое качество пучка.
Большой зазор в центре циклотрона.	— Достаточное пространство для размещения инфлектора с высоким потенциалом на электродах.

Рис. 2. Компоновка циклотрона ДЦ-280, где платформа инжекции располагается над основным магнитом ДЦ-280. На платформе размещена высоковольтная (ВВ) платформа, где установлен ЭЦР- источник DECRIS-PM, анализирующий магнит и фокусирующий соленоид. После платформы расположены ускорительная трубка, фокусирующий соленоид и электростатический сферический дефлектор. Ускоряющая система циклотрона состоит из 2-х основных дуантов и 2-х флэттор дуантов с резонаторами.

В период с 2010 г. по 2012 г. были проведены расчеты систем ДЦ-280, сделана их конструкторская проработка и начато изготовление.

Была рассчитана и спроектирована магнитная система ДЦ-280 – основной магнит, фокусирующие секторы, корректирующие катушки. Был спроектирован магнитометр для проведения измерений параметров магнитного поля циклотрона после сборки.

Была рассчитана система высоковольтной инжекции и оценено влияние увеличения энергии инжекции на эффективность захвата пучков ускорение. Для токов пучков 48Ca на инжекции более 20 мкА частиц и при потенциале инжекции до 80 кВ, расчетная эффективность захвата составила более 70%, что в 2 раза выше по сравнению с У-400. Для высоковольтной инжекции был разработан ЭЦР- источник DECRIS-PM на постоянных магнитах. Разработана система поворотных (магнит и сферический дефлектор), фокусирующих (соленоиды) и корректирующих элементов для эффективной транспортировки ионов в центр ДЦ-280. Рассчитан и спроектирован полигармонический банчер, работающий на 3-х гармониках (основная, 2-я и 3-я гармоники ВЧ системы) и обеспечивающий группировку 80% инжектируемых ионов в расчетную фазу захвата в ускорение (± 20^o). Определены параметры и конструкция чоппера для формирования импульсной структуры пучка с заданной скважностью. Рассчитан и спроектирован спиральный инфлектор, оснащенный квадрупольной электростатической линзой на выходе (Рис. 3).

Рис. 3. Система аксиальной инжекции, где ионный пучок транспортируется с высоковольтной (ВВ) платформы, ускоряется в ускорительной трубке, поворачивается в вертикальный канал электростатическим сферическим дефлектором (bender) и в центре ДЦ-280 поворачивается в медианную плоскость электростатическим спиральным инфлектором. Фокусировка пучка осуществляется электростатической линзой на ВВ платформе, соленоидами и электростатической квадрупольной линзой после инфлектора. На рисунке показаны расчетная трассировка пучка, с учетом объемного заряда (слева) и расчетные эффективности захвата ионов с A/Z=4,5,6 при потенциале инжекции 50 кВ, с сравнении с У-400 (15 кВ, A/Z=10).

Была рассчитана и спроектирована ускоряющая система- 2 основных дуанта и 2 флэттоп дуанта с объемными резонаторами (Рис. 4). Определены параметры высокочастотных генераторов.

Рис. 4. Высокочастотная ускоряющая система, где розовым цветом выделены основные дуанты (угловая протяженность 45^o, рабочие частоты 7.32 — 10.38 МГц, ускоряющее ВЧ напряжение до 130 кВ), красным цветом выделены флэттоп дуанты (угловая протяженность 20^o, рабочие частоты 21.96 — 31.14 МГц, ВЧ напряжение до 13 кВ). На нижнем рисунке показано суммарное ускоряющее напряжение (синяя линия).

Для системы экстракции пучков из ДЦ-280 были разработаны электростатический дефлектор с рабочим зазором 1 см, работающий при напряжении до 90 кВ и пассивный фокусирующий магнитный канал с градиентами G=4.6÷8.4 Тл/м (Рис. 5).

Была детально просчитана и проработана система каналов транспортировки пучков к экспериментальным установкам (5 каналов), позволяющая эффективно транспортировать ионные пучки с мощностью до 2,5 кВт (Рис. 6).

Для измерения параметров ионных пучков (интенсивность, профили, энергия) была разработана система диагностики.

Рассчитана и спроектирована вакуумная система, позволяющая минимизировать потери ионов в процессе ускорения из-за перезарядки на остаточном газа.

Для управления ускорителем была разработана цифровая LLRF система, обеспечивающая высокую стабильность работы высокочастотной системы. Система управления реализовывалась на базе системы LabView.

Рис. 5. Система вывода пучка, электростатический дефлектор и пассивный фокусирующий магнитный канал, справа внизу приведены расчетные огибающие пучков после дефлектора.

Рис. 6. Система каналов транспортировки пучка к физическим установкам, слева внизу приведены расчетные огибающие пучков ⁴⁸Ca⁷⁺ в центральном канале.

Рис. 7. Рабочая диаграмма ДЦ-280, где указаны экспериментальные точки, в которых проводилось ускорения ионов ⁸⁴Kr⁺¹⁴, ¹²C⁺² и ⁴⁴⁰Ar^+6,+7,+8. Зеленым цветом выделена зона, которая будет использоваться для первых экспериментов на Фабрике СТЭ.

В период с 2016 г. по 2018 г. выполнены монтаж и наладка оборудования циклотрона ДЦ-280. На основном магните были проведены измерения точности сборки, магнитные измерения, сделана коррекция 1-й гармоники магнитного поля. Полученные результаты показали хорошее совпадения расчетных и экспериментальных результатов. На основании измерений проведены поверочные расчеты фазового поведения ионных пучков в процессе ускорения.

Первый пучок ионов ⁸⁴Kr¹⁴⁺ был ускорен в ДЦ-280 26 декабря 2018 г. и выведен из ускорителя в канал транспортировки ускоренных ионов 17 января 2019 года. В 2019 году были проведены эксперименты по ускорению пучков ⁸⁴Kr, ¹²C, ⁴⁰Ar (Рис. 7). На стадии запуска ДЦ-280 были получены ускоренные до энергии 5,8 МэВ/нуклон пучки ионов ⁸⁴Kr⁺¹⁴ с интенсивностью 1.36 мкА частиц и ионов ¹²C⁺², с интенсивностью 10 мкА частиц. Затем, было проведено успешное ускорение ионов ⁴⁰Ar^+6,+7,+8 с энергиями от 5 до 7 МэВ/нуклон, что позволило протестировать центральную область рабочего диапазона циклотрона, которая будет использоваться для первых экспериментов по синтезу СТЭ.

Максимальная интенсивность ускоренных пучков при работе в непрерывном режиме ускорения была достигнута для ионов ⁴⁰Ar⁺⁷ с энергией 5,9 МэВ/нуклон и составила 6 мкА частиц, мощность выведенного пучка составила 1.4 кВт. Дальнейшее увеличение интенсивности проводилось с использованием чоппера, работающего с частотой 150 Гц, при скважности 25%, чтобы исключить возможность повреждения элементов системы вывода на стадии наладки. В этом режиме была достигнута близкая к проектной интенсивность, эквивалентная 9 мкА частиц (2,1 кВт).

Циклотрон ДЦ-280 демонстрирует высокие уровни захвата ионов в ускорения с использованием полигармонического банчера – 65-69%, для инжектируемых токов до 21 мкА частиц. Эффективность вывода ⁴⁰Ar⁺⁷ и ⁸⁴Kr⁺¹⁴ электростатическим дефлектором составила 79-89 %, несмотря на то, что флэттоп система не была настроена. Полная эффективность захвата в ускорение, ускорения и вывода из ДЦ-280 на сегодняшний день составляет 42%, что в 5 раз выше эффективности У-400 и позволит работать с интенсивными пучками редких и дорогостоящих изотопов, такими как ⁴⁸Ca, при низком расходе вещества.

В процессе наладки ДЦ-280 была проведена дополнительная юстировка дуантов, налажена система инфлектора, устранены недостатки системы управления, уровень рабочего вакуума в камере циклотрона был улучшен с 3×10^-7 до проектной величины: 7×10^-8 Торр с пучком.

В марте 2019 циклотрон ДЦ-280 был запущен в эксплуатацию.

Рис. 8. Зависимости эффективности захвата в ускорение от инжектируемого ионного тока для циклотронов У-400, ДЦ-110 и ДЦ280 с использованием банчеров (линейный и синусный для У-400 и ДЦ-110 и полигармонический для ДЦ-280) и без. Циклотрон ДЦ-110, созданный ЛЯР, обеспечивает интенсивности: 2,2 мкА частиц ⁴⁰Ar⁺⁷ и 1,1 мкА частиц ⁸⁶Kr⁺¹³, с энергией 2,5 МэВ/нуклон.

Основная задача нового ускорителя – выполнение долгосрочной программы исследований Фабрики СТЭ, нацеленной на синтез новых (Z≥119) и детальное изучение ядерно-физических и химических свойств ранее открытых 112-118 элементов. Для тестирования нового газонаполненный сепаратор ГНС-2 в реакциях natYb +⁴⁰Ar, natYb+⁴⁸Ca, ²⁰⁶Pb+⁴⁸Ca, испытаний новых вращающихся мишеней и первых демонстрационных экспериментов на Фабрике СТЭ, таких как синтез ядер с Z = 115 в реакции ²⁴³Am + ⁴⁸Ca, требуются интенсивности пучков ⁴⁰Ar и ⁴⁸Ca до 5 мкА частиц.

В сентябре 2019 года первые пучки ионов ⁴⁰Ar^+6,+7 с энергией 4,8 — 5 МэВ/нуклон были проведены в экспериментальный зал для наладки ГНС-2.

В 2019 году ДЦ-280 отработал более 4-х месяцев, демонстрируя надежную работу основных систем. Работа по улучшению работы всех систем с целью повышения полной эффективности ускорения и интенсивностей пучков продолжается.

Рис. 9. Схема ускорения в циклотроне ДЦ-280.

Рис. 10. Экспериментальные результаты ускорения ионов ⁸⁴Kr⁺¹⁴, ¹²C⁺² и ⁴⁴⁰Ar⁺⁷. Места измерения токов показаны на схеме ускорения.

Список публикаций:

1. S.N. Dmitriev, Yu.Ts. Oganessian, G.G. Gulbekyan, I.V. Kalagin, B.N. Gikal, S.L. Bogomolov, I.A. Ivanenko, N.Yu. Kazarinov, G.N. Ivanov, N.F. Osipov, S.V. Pashchenko, M.V. Khabarov, V.A. Semin, A.V. Yeremin, V.K. Utyonkov, SHE Factory: cyclotron facility for super heavy elements research // Proceedings of CYC19 Int. Conf., South Africa, Cape Town, 2019. https://cyclotrons2019.vrws.de/
2. G. Gulbekian, V. Semin, I. Ivanenko, I. Kalagin, G. Ivanov, The results of magnetic field formation and commissioning of heavy- ion isochronous cyclotron DC280 // Proceedings of CYC19 Int. Conf., South Africa, Cape Town, 2019. https://cyclotrons2019.vrws.de/
3. Г.Г.Гульбекян, С.Н.Дмитриев, М.Г.Иткис, Ю.Ц.Оганесян, Б.Н.Гикал, И.В.Калагин, В.А.Семин, С.Л.Богомолов, В.А.Бузмаков, И.А.Иваненко, Н.Ю.Казаринов, Н.Ф.Осипов, С.В.Пащенко, В.А.Соколов, Н.Н. Пчелкин, С.В.Прохоров, М.В.Хабаров, К.Б. Гикал., Запуск циклотрона ДЦ-280 — базовой установки Фабрики Сверхтяжелых Элементов ЛЯР ОИЯИ, принята к публикации в журнале Письма в ЭЧАЯ №6, 2019.
4. Gulbekian G.G., Dmitriev S.N., Oganessian Yu.Ts., Gikal B.N., Kalagin I.V., Semin V.A., Bogomolov S.L., Ivanenko I.A., Kazarinov N.Yu., Ivanov G.N., Osipov N.F., The New DC-280 Cyclotron. Status and Road Map // Phys. Part. Nucl. Lett. 2018. V. 15, No. 7. P. 809–813.
5. Kalagin I.V., Gulbekian G.G., Dmitriev S.N., Oganessian Yu.Ts., Gikal B.N., Bogomolov S.L., Ivanenko I.A., Kazarinov N.Yu., Semin V.A., Ivanov G.N., Osipov N.F., Heavy Ion Cyclotrons of FLNR JINR — Status and Plans // Proceedings of RuPAC2018. Protvino, Russia, 2018. P. 60-64.
6. Kalagin I.V., Gulbekian G.G., Gikal B.N., Prokhorov S.V., Pchelkin N.N., Multigap and Polyharmonic Bunching Systems at FLNR Cyclotrons // Proceedings of RUPAC-2016. St. Petersburg, Russia, 2016. P. 446-448.
7. И.В. Калагин, И.А. Иваненко, А.М. Слямов Система измерения энергии пучка ионов в циклотроне ДЦ-280 ЛЯР ОИЯИ// ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА И ИНЖИНИРИНГ, том 6, № 9–10, 2015, с. 486–492.
8. Gulbekian G., Ivanenko I., Kazarinov N., Samsonov E. Injection and Acceleration of Intense Heavy Ion Beams in JINR New Cyclotron DC280 // Proceedings of HIAT2015. Yokohama, Japan, 2015. P. 1-3.
9. Гульбекян Г.Г., Гикал Б.Н., Бехтерев В.В., Богомолов С.Л., Ефремов А.А., Иваненко И.А., Казаринов Н.Ю., Калагин И.В., Мельников В.Н., Осипов Н.Ф., Прохоров С.В., Тихомиров А.В., Хабаров М.В., Проект системы аксиальной инжекции для циклотрона ДЦ-280 // Письма в ЭЧАЯ. 2014. T. 11, № 6(190). C. 1181-1186.
10. Gulbekyan G.G., Gikal B.N., Ivanov G.N., Kalagin I.V., Kazacha V.I., Kazarinov N.Yu., Khabarov M.V., Melnikov V.N., Osipov N.F., Tikhomirov A.V., Teterev Y.G., The Project of the Beam Transportation Lines for the DC-280 Cyclotron at the JINR FLNR // Proceedings of RUPAC-2014. Obninsk, Russia, 2014. P. 336-338.
11. Гульбекян Г.Г., Бузмаков В.А., Зарубин В.Б., Иваненко И.А., Казаринов Н.Ю., Карамышева Г.А., Франко Й., Flat-top система циклотрона ДЦ-280 // Письма в ЭЧАЯ. 2013. T. 10, № 4. C. 587-602.
12. Гульбекян Г.Г., Зарубин В.Б., Карамышева Г.А., Карамышев О.В., Франко Й. Высокочастотная ускоряющая система циклотрона ДЦ-280 // Письма в ЭЧАЯ. 2012. T. 9, № 8. C. 89-97.