Директор ИЯФ СО РАН академик А.Скринский: "Впереди огромный объем экспериментальной работы". Институт Ядерной Физики (ИЯФ СО РАН)

June 6th, 2016

60 снимков | 12.02.2016

В феврале, в рамках дней науки в новосибирском Академгородке, сходил на экскурсию в ИЯФ. Километры подземных переходов, ускорители элементарных частиц, лазеры, генераторы плазмы и другие чудеса науки в этом репортаже.

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера (ИЯФ СО РАН) - крупнейший академический институт страны, один из ведущих мировых центров в области физики высоких энергий и ускорителей, физики плазмы и управляемого термоядерного синтеза. В институте ведутся крупномасштабные эксперименты по физике элементарных частиц, разрабатываются современные ускорители, интенсивные источники синхротронного излучения и лазеры на свободных электронах. По большинству своих направлений Институт является единственным в России.

Первые приборы, которые встречает посетитель прямо в коридоре института, это резонатор и поворотный магнит с ВЭПП-2М. На сегодня музейные экспонаты.
Так выглядит резонатор. По сути это ускоритель элементарных частиц.

Установка со встречными электрон-позитронными пучками ВЭПП-2М начала работать с 1974 года. До 1990 года она несколько раз модернизировалась, была улучшена инжекционная часть и установлены новые детекторы для проведения экспериментов по физике высоких энергий.

Поворотный магнит, отклоняющий пучок элементарных частиц для прохождения по кольцу.

ВЭПП-2М - один из первых коллайдеров в мире. Автором новаторской идеи сталкивать встречные пучки элементарных частиц был первый директор Института ядерной физики СО РАН - Г. И. Будкер. Эта идея стала революцией в физике высоких энергий и позволила экспериментам выйти на принципиально новый уровень. Сейчас этот принцип используется во всем мире, в том числе на Большом адронном коллайдере.

Следующая установка - ускорительный комплекс ВЭПП-2000.

Коллайдер ВЭПП-2000 - современная установка со встречными электрон-позитронными пучками, построенная в ИЯФ СО РАН в начале 2000-х годов вместо успешно завершившего физическую программу кольца ВЭПП-2М. Новый накопитель имеет более широкий диапазон энергий от 160 до 1000 МэВ в пучке, и на порядок более высокую светимость, то есть число интересных событий в единицу времени.

Высокая светимость достигается использованием оригинальной концепции круглых сталкивающихся пучков, впервые предложенной в ИЯФ СО РАН и применённой на ВЭПП-2000. В местах встречи пучков расположены детекторы КМД-3 и СНД. Они регистрируют разнообразные процессы, происходящие при аннигиляции электрона с его античастицей - позитроном, такие, как рождение лёгких мезонов или нуклон-антинуклонных пар.

Создание ВЭПП-2000 с применением целого ряда передовых решений в магнитной системе и системе пучковой диагностики в 2012 году было отмечено престижной в области физики ускорителей Премией им. Векслера.

Пультовая ВЭПП-2000. Отсюда осуществляется управление установкой.

Помимо компьютерной техники, для мониторинга и управления установкой используются и вот такие приборные шкафы.

Здесь всё наглядно, на лампочках.

Пройдя не меньше километра по коридорам института, мы попали на станцию синхротронного излучения.

Синхротронное излучение (СИ) возникает при движении высокоэнергетичных электронов в магнитном поле в ускорителях.

Излучение обладает рядом уникальных свойств и может быть использовано для исследований вещества и в технологических целях.

Наиболее ярко свойства СИ проявляются в рентгеновском диапазоне спектра, ускорители-источники СИ самые яркие источники рентгеновского излучения.

Кроме чисто научных исследований, СИ используется и для прикладных задач. Например, разработка новых электродных материалов литий-ионных аккумуляторов для электромобилей или новых взрывчатых веществ.

В России существует два центра по использованию СИ - Курчатовский источник СИ (КИСИ) и Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения (СЦСТИ) ИЯФ СО РАН. В Сибирском центре используются пучки СИ из накопителя ВЭПП-3 и из электрон-позитронного коллайдера ВЭПП-4.

Вот эта жёлтая камера - станция "Взрыв". В ней исследуют детонацию взрывчатых веществ.

Центр обладает развитой приборной базой для проведения пробоподготовки и сопутствующих исследований. В центре работает около 50 научных групп из институтов Сибирского научного центра и из сибирских университетов.

Установка загружена экспеременатми очень плотно. Работа не прекращается здесь даже ночью.

Переходим в другой корпус. Помещение с железной дверью и надписью "Не входить радиация" - нам сюда.

Здесь находится прототип ускорительного источника эпитепловых нейтронов, пригодного для широкого внедрения бор-нейтронозахватной терапии (БНЗТ) в клиническую практику. Проще говоря, этот прибор для борьбы с раком.

В кровь человека вводится борсодержащий раствор, и бор накапливается в раковых клетках. Затем опухоль облучают потоком эпитепловых нейтронов, ядра бора поглощают нейтроны, происходят ядерные реакции с большим энерговыделением, в результате чего больные клетки погибают.

Методика БНЗТ проверена на ядерных реакторах, которые использовались в качестве источника нейтронов, но внедрение БНЗТ в клиническую практику на них затруднительно. Для этих целей больше подходят ускорители заряженных частиц, потому что они компактны, безопасны и обеспечивают лучшее качество нейтронного пучка.

Ниже ещё несколько снимков из этой лаборатории.

Создается полное впечатление, что попал в цех большого завода типа .

Здесь разрабатывается и изготавливается сложное и уникальное научное оборудование.

Отдельно надо отметить подземные переходы института. Не знаю точно, сколько их общая длина, но думаю пара-тройка станций метро тут запросто бы поместились. Несведующему человеку в них очень легко заблудиться, зато сотрудники могут попасть из них практически в любое место огромного учреждения.

Ну а мы попали на установку "Гофрированная ловушка" (ГОЛ-3). Она относится к классу открытых ловушек для удержания субтермоядерной плазмы во внешнем магнитном поле. Нагрев плазмы на установке осуществляется при помощи инжекции релятивистских электронных пучков в предварительно созданную дейтериевую плазму.

Установка ГОЛ-3 состоит из трёх частей: ускорителя У-2, основного соленоида и выходного узла. У-2 вытягивает из взрывоэмиссионного катода и ускоряет в ленточном диоде электроны до энергии порядка 1 МэВ. Созданный мощный релятивистский пучок сжимается и инжектируется в основной соленоид, где в дейтериевой плазме возникает большой уровень микротурбулентности и пучок теряет до 40% своей энергии, передавая её электронам плазмы.

В нижней части установки находится основной соленоид и выходной узел.

А на верхней - генератор электронного пучка У-2.

На установке проводятся эксперименты по физике удержания плазмы в открытых магнитных системах, физике коллективного взаимодействия электронных пучков с плазмой, взаимодействию мощных плазменных потоков с материалами, а также отработке плазменных технологий для научных исследований.

Идея многопробочного удержания плазмы предложена в 1971 г. Г. И. Будкером, В. В. Мирновым и Д. Д. Рютовым. Многопробочная ловушка - это набор соединенных пробкотронов, формирующих гофрированное магнитное поле.

В такой системе заряженные частицы разбиваются на две группы: захваченные в одиночных пробкотронах и пролётные, попавшие в конус потерь одиночного пробкотрона.

Установка большая и конечно, о всех её узлах и деталях знают только работающие здесь учёные.

Лазернаяустановка ГОС-1001.

Зеркало, входящее в состав установки, имеет коэффициент отражения близкий к 100%. Иначе оно нагреется и лопнет.

Последней в эксурсии, но, пожалуй, самой впечатляющей стала Газодинамическая ловушка (ГДЛ). Мне, человеку далёкому от науки, она напомнила какой-то космический корабль в сборочном цехе.

Установка ГДЛ, созданная в Новосибирском институте ядерной физики в 1986 году, относится к классу открытых ловушек и служит для удержания плазмы в магнитном поле. Здесь проводятся эксперементы по теме управляемого термоядерного синтеза (УТС).

Важной проблемой УТС на основе открытых ловушек является термоизоляция плазмы от торцевой стенки. Дело в том, что в открытых ловушках, в отличие от замкнутых систем типа токамак или стелларатор, плазма вытекает из ловушки и попадает на плазмоприемники. При этом холодные электроны, эмитированные под действием потока плазмы с поверхности плазмоприемника, могут проникать обратно в ловушку и сильно охлаждать плазму.

В экспериментах по изучению продольного удержания плазмы на установке ГДЛ было экспериментально показано, что расширяющееся магнитное поле за пробкой перед плазмориемником в торцевых баках - расширителях препятствует проникновению холодных электронов в ловушку и эффективно термоизолирует плазму от торцевой стенки.

В рамках экспериментальной программы ГДЛ ведется постоянная работа по повышению устойчивости плазмы, уменьшению и подавлению продольных потерь плазмы и энергии из ловушки, исследованию поведения плазмы в различных условиях работы установки, повышению температуры мишенной плазмы и плотности быстрых частиц. Установка ГДЛ оснащена самыми современными средствами диагностики плазмы. Большинство из них разработано в ИЯФ и даже поставляется по контрактам для других плазменных лабораторий, в том числе и зарубежных.

Лазеры в ИЯФ повсюду и здесь тоже.

Вот такая была экскурсия.

Выражаю благодарность Совету молодых ученых ИЯФ СО РАН за организацию экскурсии и всем сотрудникам ИЯФ, показавшим и рассказавшим, чем и как сейчас занимается институт. Особую благодарность хочу выразить специалисту по связям с общественностью ИЯФ СО РАН Алле Сковородиной, непосредственно участвовавшей в работе над текстом этого репортажа. Также спасибо моему товарищу Ивану

Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН - институт, созданный в 1958 году в Новосибирском Академгородке на базе лаборатории новых методов ускорения Института атомной энергии, возглавляемого И. В. Курчатовым. ИЯФ - крупнейший институт РАН. Общее число сотрудников института составляет примерно 2900 человек. Среди научных сотрудников института 5 действительных членов Российской Академии Наук, 6 членов-корреспондентов РАН, около 60 докторов наук, 160 кандидатов наук. ИЯФ выполнил довольно внушительный объем работ для Большого адронного коллайдера в CERN.

С этого все началось: ВЭП-1 (Встречные Электронные Пучки)
Первый в мире коллайдер, построенный в 1963 году для изучения возможностей их использования в экспериментах по физике элементарных частиц. ВЭП-1 - единственный за всю историю коллайдер, в котором пучки циркулировали и сталкивались в вертикальной плоскости.

Сейчас в ИЯФ СО РАН функционируют два ускорителя: ВЭПП-4 и ВЭПП-2000.
Электрон-позитронный коллайдер ВЭПП-2000, разработка которого началась также в 2000 году, стал своего рода младшим братом Большого адронного коллайдера. Если энергия частиц в европейском коллайдере достигала 100 гигаэлектронвольт на пучок (суммарная энергия - 200 гигаэлектронвольт), то сибирский коллайдер ровно в 100 раз слабее - 2000 мегаэлектронвольт или 2 гигаэлектронвольта.

Одна из основных задач нового коллайдера - с максимально высокой точностью измерить параметры аннигиляции электрон-позитронной пары в адроны - мезоны и барионы. Позитрон и электрон - частица и античастица - при столкновениях могут аннигилировать, целиком превращаясь в электромагнитное излучение. Однако при некоторых энергиях эти столкновения могут порождать другие частицы - состоящие из двух (мезоны) или трех кварков (барионы - протоны и нейтроны).
Внутреннее строение протонов и нейтронов до сих пор изучено не до конца.

Мгновенное охлаждение для ног при помощи азота.

Мне сказали, что на данный момент это один из самых мощных в мире магнитов.

Управление ВЭПП-2000

Ускорительный комплекс ВЭПП-4 представляет собой уникальную установку для проведения экспериментов со встречными электрон-позитронными пучками высоких энергий. Комплекс ВЭПП-4 включает в себя инжектор (энергия пучка до 350 МэВ), накопитель ВЭПП-3 (до 2 ГэВ) и электрон-позитронный коллайдер ВЭПП-4М (до 6 ГэВ).

Коллайдер ВЭПП-4М с универсальным детектором элементарных частиц КЕДР предназначен для экспериментов по физике высоких энергий.

На ВЭПП-4М реализована система измерения энергии частиц методом резонансной деполяризации с относительной погрешностью до 10-7, не достигнутой ни в одной другой лаборатории мира. Такая методика дает возможность измерять массы элементарных частиц с чрезвычайно высокой точностью.

В последние годы целью большинства экспериментов является прецизионное измерение масс элементарных частиц.

Кроме физики высоких энергий, на комплексе ВЭПП-4 проводятся исследования с использованием выведенных пучков синхротронного излучения. Основные направления - материаловедение, изучение взрывных процессов, археология, биология и медицина, нанотехнологии и т. д.

На установках комплекса ВЭПП-4 проводят исследования более 30 российских и зарубежных организаций, в том числе институты РАН из Новосибирска, Екатеринбурга, Красноярска, Томска, Санкт-Петербурга, Москвы и др., а также зарубежные институты из Германии, Франции, Италии, Швейцарии, Испании, США, Японии и Южной Кореи.

Периметр ВЭПП-4м составляет 366 метров.

Его полукольца проходят под землей

На накопителе ВЭПП-3 проводятся эксперименты по ядерной физике на внутренней газовой мишени, которая представляет собой рекордную по интенсивности струю газа (дейтерия или водорода), вводимую непосредственно в вакуумную камеру накопителя.

Длина накопителя ВЭПП-3 составляет 74.4 м, энергия инжекции 350 МэВ, максимальная энергия 2000 МэВ

Основные направления работы ВЭПП-3 в настоящее время это Накопление и инжекция электронов и позитронов в коллайдер ВЭПП-4М, работа в качестве источника синхротронного излучения и эксперименты с внутренней газовой мишенью, по рассеянию электронов на поляризованных дейтронах.

Накопитель-охладитель инжекционного комплекса.

Установка ГДЛ (газодинамическая ловушка) является стендом для экспериментального изучения важных физических проблем, связаных с удержанием термоядерной плазмы в длинных магнитных системах открытого типа. В числе иследуемых вопросов физика продольных потерь частиц и энергии, равновесие и магнитогидродинамическая устойчивость плазмы, микронеустойчивости.

Эксперименты на установке ГДЛ дали ответ на несколько классических вопросов физики горячей плазмы.

В настоящее время установка ГДЛ модернизируется. Цель модернизации - использовать для нагрева плазмы мощные атомарные инжекторы нового поколения. Такие инжекторы согласно расчетам, дают возможность получить рекордные параметры горячей плазмы, что позволит провести ряд экспериментов по детальному изучению физики удержания и нагрева плазмы с параметрами, характерными для термоядерных реакторов будущего.

Многопробочная ловушка плазмы ГОЛ-3.
На установке ГОЛ-3 проводятся эксперименты по изучению взаимодействия плазмы с поверхностью. Цель этих экспериментов - выбор оптимальных конструкционных материалов для элементов термоядерного реактора, находящихся в контакте с горячей плазмой.

Установка ГОЛ-3 представляет собой соленоид, на которую надето множество катушек (110 штук), создающих внутри трубки мощное магнитное поле. Перед работой установки, вакуумные насосы откачивают из трубки воздух, после чего внутрь инжектируется атомы дейтерия. Затем, содержимое трубки нужно нагреть до десятков миллионов градусов, пропуская пучок заряженных частиц.

Нагрев протекает в две стадии - благодаря электрическому заряду достигается предварительный нагрев до 20 тысяч градусов, а затем "впрыскиванием" пучка электронов идет нагрев до 50-60 миллионов градусов. В этом состоянии плазма удерживается лишь доли секунд - за это время приборы снмают показания для последующего анализа.

Всё это время, на катушки подается напряжение, создающие в них магнитное поле около пяти тесла.
Такое сильное поле, подчиняясь физическим законам, стремится разорвать катушки на части, и для предотвращения этого они скреплены крепкими стальными креплениями.

Всего за день бывает по несколько "выстрелов", потребляющие около 30ти МгВт электрической мощности на каждый. Эта энергия поступает от Новосибирской ГЭС по отдельной сети.

Установка ЛСЭ в соседнем с ИЯФом институте химической кинетики и горения.
Лазеры на свободных электронах состоит из двух узлов - ондулятора и оптического резонатора.
Идея такова - пучок электронов пролетает через секцию со знакопеременным магнитным полем. Под действием этого поля электроны вынуждены лететь не по прямой, а по некоей синусоидальной, волнообразной траектории. Совершая это виляющее движение, релятивистские электроны излучают свет, который по прямой попадает в оптический резонатор, внутри которого - сумасшедший вакуум (10–10 миллиметров ртутного столба).

На противоположных концах трубы - два массивных медных зеркала. По пути от зеркала к зеркалу и обратно свет набирает приличную мощность, часть которой выводится к потребителю. Электроны же, отдавшие энергию в электромагнитное излучение, разворачиваются через систему поворотных магнитов, возвращаются в ВЧ-резонаторы и там тормозятся.

Пользовательские станции, которых сегодня шесть, находятся на втором этаже здания за пределами ускорительного зала, где в период работы ЛСЭ находиться нельзя. Излучение выводится наверх по трубам, заполненным сухим азотом.

В частности, излучение этой установки использовано биологами для разработки нового метода исследования сложных молекулярных систем.

Для химиков открывается возможность очень экономного с энергетической точки зрения управления реакциями. Физики занимаются исследованием метаматериалов - искусственных материалов, которые обладают в определенном диапазоне длин волн отрицательным показателем преломления, становясь полностью невидимыми и т.д.

Как видно по "дверке", здание имеет, наверное, 100-кратный запас прочности по радиационной защите.

По всем вопросам, касающимся использования фотографий, пишите на электронную почту.

"Принцип коллайдера прост - чтобы понять, как устроена вещь, ее надо разломать. Чтобы узнать, как устроен электрон, его тоже надо разломать. Для этого придумали машины, в которых электроны разгоняются до колоссальных энергий, сталкиваются, аннигилируют и превращаются в другие частицы. Это как если бы два велосипеда столкнулись, а разъехались автомобили", - рассказывает Гольденберг.

После многочисленных поворотов, переходов и лестниц можно выйти к панно, на котором нарисованы кольца действующих сегодня коллайдеров ВЭПП-3 (построен в 1967-1971 годы) и ВЭПП-4М (ВЭПП-4 построен в 1979 году, модернизирован в начале 90-х). По словам Гольденберга, периметр ВЭПП-3 составляет 74 м, а ВЭПП-4М - 360 м. "Чем больше накопитель, тем больше энергии он может вкачать. Это не значит, что один ускоритель лучше, а другой хуже, просто на них можно смотреть разную физику и ставить разные эксперименты", - объяснил физик. Работой коллайдеров управляют из пультовой, туда посетителей не пускают. По оценкам сотрудников , параметры работы ускорителей контролируют примерно 30 человек.

В одном из подземных бункеров проводят эксперименты с пучками. Борис Гольденберг сообщил, что прямо сейчас за свинцовой стеной работает ВЭПП-4М, в котором частицы описывают круги размером со стадион. Увидеть коллайдер своими глазами, конечно же, не получилось. "В накопителе смертельные дозы [радиации], там нельзя находиться. Мы от него защищены метровой стеной и коридором, все каналы [из него] выведены и обжаты свинцом, все это защищено", - успокоил физик.

Установки, с которыми ученые работают в бункере, называются станциями - внутри каждой находится экспериментальное оборудование. Разогнанные коллайдером частицы физики могут использовать, кажется, где угодно. К примеру, стабильный источник излучения позволяет калибровать детекторы для космических телескопов. Здесь же можно "просветить" плотный гранит, чтобы найти в нем алмазы. Рентгеновская томография и рентгеновская микроскопия образцов в выходит в 50 раз четче, чем, к примеру, на медицинских аппаратах. Одна из последних разработок ученых - щадящий способ борьбы с раком. В этом эксперименте зараженных мышей облучают "сетчатым" пучком, а не сплошным - так здоровые ткани не страдают.

Самый актуальный проект для сегодня - работа над новым ускорителем частиц. Сейчас институт сам финансирует работы и за 10 лет вложил в проект около 2 млрд руб. На территории института уже готова четверть туннеля для подземной части ускорителя, окружность которого будет составлять 800 м. Директор Павел Логачев оценивал общую стоимость проекта примерно в 34 млрд руб. Ученые предполагают, что этот электрон-позитронный коллайдер сможет открыть миру "новую физику".

Наталья Гредина