Дерек Чарльз Робинсон, FRS [1] (27 мая 1941 г. – 2 декабря 2002 г.) был физиком , который большую часть своей профессиональной карьеры работал в программе термоядерной энергетики Великобритании. [2] Изучая турбулентность в реакторе ZETA в Великобритании , он помог разработать концепцию обратного пинча поля , которая является областью исследований и по сей день. Он наиболее известен своей ролью в проведении критических измерений на устройстве T-3 в СССР в 1969 году, что сделало токамак основным устройством магнитной термоядерной энергии по сей день. Он также сыграл важную роль в разработке сферической конструкции токамака через создание устройства START и его продолжения, MAST . Робинсон отвечал за части программы термоядерного синтеза Управления по атомной энергии Великобритании с 1979 года, пока он не взял на себя всю программу в 1996 году до своей смерти в 2002 году.
Робинсон родился в Дугласе на острове Мэн . Поскольку его отец служил в Королевских ВВС , Робинсон часто переезжал и проводил в среднем восемнадцать месяцев в одной начальной школе. В средней школе он блистал в науке и математике и решил выбрать карьеру в области физики . Его любовь к церкви и, в частности, к органной музыке также возникла в этот период, когда он пел в местном церковном хоре. [3]
Он поступил в Университет Виктории в Манчестере и окончил его как лучший студент года по физике. [4] [5] Профессор Робинсона Брайан Флауэрс познакомил его с исследователями из Исследовательского центра атомной энергии , более известного как «Харвелл». [5] Его взяли для завершения докторской диссертации по физике под руководством Сэма Эдвардса . [3]
Харвелл эксплуатировал самое большое, мощное и сложное устройство для термоядерного синтеза — машину ZETA (реактор термоядерного синтеза) . Когда ZETA впервые начал работать летом 1957 года, он выдавал большие выбросы нейтронов , самый очевидный признак реакций ядерного синтеза . Измерения температуры плазмы подтверждали этот результат; машина, по-видимому, достигала 5 миллионов градусов, достаточно горячая, чтобы генерировать термоядерный синтез с низкой скоростью, в пределах порядка двух от числа нейтронов, которые можно было бы ожидать получить при этой температуре.
Когда первые результаты ZETA были публично обнародованы на пресс-конференции в январе 1958 года, Джон Кокрофт сначала уклонился от ответа на этот вопрос, но в конце концов заявил, что на 90% уверен, что они получены в результате термоядерного синтеза. Это оказалось неверным. Фактическая температура реактора была намного ниже, чем предполагали измерения, слишком низкой для того, чтобы происходил термоядерный синтез. Заявления о термоядерном синтезе пришлось отозвать в мае, что стало большим унижением.
Со временем природа нейтронов была исследована и стала пониматься как изолированные события, вызванные нестабильностями внутри плазмы. Ранее «грубые» нестабильности были успешно устранены в ZETA, но их исправление просто привело к появлению другого набора, который нужно было исправить. Новые были вызваны турбулентностью внутри плазмы . Некоторый прогресс в подавлении этих нестабильностей был достигнут EP Butt и другими, но они не были хорошо поняты. [5]
Робинсону было поручено лучше понять природу турбулентности, проведя ряд экспериментов для ее характеристики. Эти эксперименты привели к лучшему пониманию теоретической природы проблемы, что в свою очередь привело к крупной работе Джона Брайана Тейлора по общей теории сильноточных электрических разрядов в магнитных полях. [5] Эта работа стала крупным достижением в физике плазмы и посредством нее ввела концепцию обратного пинча поля , которая является областью изучения и по сей день.
Когда природа этих проблем стала ясна, команда ZETA перешла от попыток синтеза к разработке радикально улучшенных диагностических инструментов для характеристики плазмы. Вместо измерения спектроскопии ионов можно напрямую измерять скорость электронов через томсоновское рассеяние . Однако для этого требуется яркий и высокомонохроматический источник света, чтобы быть эффективным. Появление лазера в 1960-х годах предоставило именно такой источник, и начиная с 1964 года команда Харвелла стала экспертом в этой системе.
С середины 1950-х годов Советы тихо разрабатывали устройство токамак . По своей конфигурации токамак во многом идентичен устройствам z-pinch , таким как ZETA, состоящим из кольца магнитов, окружающих тороидальную вакуумную трубку, с большим трансформатором, используемым для индукции тока в плазму. Магнитное поле двух источников смешивалось, чтобы создать единое спиральное поле, которое наматывалось вокруг плазмы. Где две системы различались, так это в основном в соотношении мощности полей; поле ZETA создавалось почти полностью током трансформатора, в то время как токамак использовал более мощные кольцевые магниты, чтобы более точно сбалансировать их. Это, казалось бы, незначительное изменение оказывает огромное влияние на динамику плазмы; спираль ZETA медленно наматывалась вокруг плазмы, у токамака она была довольно «извилистой». Это измеряется «коэффициентом безопасности ».
К середине 1960-х годов экспериментальные машины продемонстрировали, что концепция токамака была существенным улучшением по сравнению со старыми конструкциями. Однако Советы ждали, возможно, желая избежать еще одного фиаско ZETA, пока не были абсолютно уверены, что их машины выдают те числа, которые предполагали измерения. Эта работа продолжалась в 1967 и 68 годах, которые совпали с 3-й Международной конференцией по физике плазмы и исследованиям управляемого термоядерного синтеза, проходившей в Новосибирске в августе 1968 года. [6]
Когда на встрече были озвучены цифры с новейшего реактора Т-3 — температура плазмы 10 миллионов градусов, время удержания более 10 миллисекунд и явные признаки синтеза — сообщество термоядерного синтеза было ошеломлено. Машины были по крайней мере на порядок лучше, чем устройства кого-либо еще, включая те, которые были гораздо большего размера и теоретической производительности. Затем встал вопрос, были ли результаты реальными, и скептицизм преобладал. [6]
Лев Арцимович решил эту проблему, пригласив «Баса» Пиза привезти команду ZETA в Т-3 в Курчатовском институте в Москве . В разгар холодной войны это была уникальная возможность. Но британские опасения по поводу возможного дезертирства означали, что британские подданные с ценными знаниями могли путешествовать в СССР только «в сопровождении надежного человека». Робинсон решил эту проблему, женившись на Мэрион Куормби в 1968 году, одновременно проходя ускоренный курс русского языка. [5]
Команда «Culham Five» во главе с Николом Пикоком прибыла в 1969 году. Их эксперименты прошли не очень хорошо, изначально они не могли увидеть свет на фоне. Робинсон возглавил работу по улучшению мощности рубинового лазера , в конечном итоге увеличив ее в 100 раз. Теперь сигнал был четким, подтверждая советские результаты измерениями порядка 20 миллионов градусов. [5] Их статья, опубликованная в журнале Nature в ноябре 1969 года, привела к революции в исследованиях по термоядерному синтезу, поскольку практически все другие концепции проектирования были отброшены в пользу токамаков.
Вернувшись в Великобританию в 1970 году, Робинсон перешел в лабораторию UKAEA в Калхэме, которая собирала воедино ранее разрозненные усилия по термоядерному синтезу. Он возглавил работу по созданию собственного токамака Великобритании, COMPASS. [5] Когда эксперименты показали, что некруглые области ограничения будут иметь лучшую производительность, Робинсон возглавил работу по преобразованию COMPASS в COMPASS-D, который имел область ограничения в форме капли. COMPASS-D подтвердил эту концепцию. D-образная плазменная область является особенностью всех современных конструкций токамаков.
Его поиск альтернативных решений означал, что он был особенно восприимчив к Мартину Пэну из Национальной лаборатории Оук-Ридж (ORNL) в США, который пытался подогреть интерес к концепции сферического токамака (ST). ST были по сути небольшими токамаками, но сочетание характеристик предполагало, что они будут иметь значительно улучшенную производительность по сравнению с обычными конструкциями. ORNL спроектировала машину для проверки концепции, «STX», [8] , но не смогла обеспечить финансирование для ее создания.
Робинсону удалось получить 10 миллионов фунтов стерлингов, что было достаточно для создания вакуумной камеры и большей части вспомогательного оборудования. Другое оборудование, включая инжектор нейтрального пучка, было «одолжено» у ORLN, чтобы не выйти за рамки бюджета. Машина START была введена в эксплуатацию в 1991 году и сразу же выдала результаты, которые соответствовали или превзошли практически все остальные машины в мире, включая те, которые стоили во много раз дороже. Успех START привел к появлению подобных машин по всему миру, включая собственную MAST Калхэма .
В 1990 году Робинсон был назначен членом Великобритании в проекте Joint European Torus (JET), после того как Калхэм был выбран местом для его строительства. Шесть лет спустя он был назначен членом его совета. Он был избран членом Королевского общества в 1994 году и стал директором по термоядерному синтезу в UKAEA в 1996 году. Робинсон, который был членом Института физики, также принимал активное участие в проектировании Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР). [5]
Робинсон умер от рака в хосписе Sobell House в Оксфорде. [9] У него остались жена Мэрион и дочь Никола.
Различные источники, по-видимому, расходятся во мнениях относительно конкретных лет образовательных вех Робинсона. The Sunday Times утверждает, что он окончил университет в 1962 году, что делает его в то время 21-летним. Все источники, упоминающие об этом, сходятся во мнении, что он начал работать в Харвелле в 1965 году. Таким образом, характер его работы между 1962 и 1965 годами четко не указан ни в одном из доступных источников.
Пиз и большинство других можно считать предполагающими, что в это время он работал над своей докторской диссертацией под руководством Эдвардса, докторской диссертацией, которая включала эксперименты, проведенные на ZETA. Эдвардс был в Манчестере между 1958 и 1972 годами, [10] что не помогает это точно определить.
Однако Шафранов утверждает, что Робинсон окончил Манчестер в 1965 году и сразу же пошел работать в Харвелл. Значение слова «выпускник» неясно в контексте. Если это его докторская степень, то временные рамки совпадают.
Профессор Робин Маршалл FRS был на том же курсе бакалавриата, что и Дерек Робинсон (запись 1959 года), и подтверждает, что и он, и Робинсон получили степень бакалавра наук в 1962 году, и что университетские записи подтверждают это. И Маршалл, и Робинсон затем защитили свои докторские диссертации, зарегистрированные в Манчестерском университете, в одном случае добираясь до лаборатории Резерфорда Эпплтона на «открытой» стороне ограждения безопасности (Маршалл), а в другом — на «защищенную» сторону ограждения в самом Харвелле (Робинсон). В это время директором физических лабораторий в Манчестере был Брайан Хилтон Флауэрс, который был главой теоретического отдела в Харвелле с 1952 по 1958 год. Он легко устраивал такие вещи. Сэм Эдвардс также был на кафедре Манчестера в период исследований докторской диссертации Робинсона, которые, как и у Маршалла, начались в 1962 году и закончились в 1965 году присуждением степени Манчестером.