В Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН запустили мощный инжектор пучка атомов водорода с проектной энергией частиц до одного миллиона электрон-вольт.
В этом инжекторе пучок атомов образуется за счет нейтрализации ускоренного до нужной энергии пучка отрицательных ионов водорода. Эта экспериментальная установка была разработана и изготовлена по заказу американской компании TAE Technologies, которая занимается созданием безнейтронного термоядерного реактора. С помощью установки ученые планируют отработать технологию нагрева плазмы в реакторе ТАЕ Technologies и продемонстрировать надежность и высокую эффективность работы всех элементов инжектора.
Видео с youtube.com/ https://www.youtube.com/embed/8C5XF2_NvgU
Ученые Института ядерной физики (ИЯФ) Сибирского отделения РАН модернизировали созданный ими генератор синхротронного излучения: им первыми в мире удалось прекратить испарение жидкого гелия, который охлаждал установку и требовал постоянной дозаправки. Улучшенный генератор заработает в итальянской лаборатории ELETTRA в начале 2018 году, сообщила в четверг пресс-служба ИЯФ СО РАН. «Институт ядерной физики СО РАН создал для лаборатории ELETTRA сверхпроводящий вигглер — устройство для генерации синхротронного излучения — в 2003 году, в январе 2018 года сотрудники ИЯФ СО РАН завершат коренную модернизацию этого устройства, в котором впервые удастся избежать испарения жидкого гелия в криогенной системе. Стоимость модернизации оценивается более чем в $500 тыс.», — говорится в сообщении. В вигглере создается сильное магнитное поле, и устройство надо охлаждать с помощью жидкого гелия. «Гелий испаряется, и на дозаправку приходится тратить десятки тысяч долларов в год. Мы научились создавать на основе специальных холодильных машин криостаты, которые могут надежно работать годами без испарения жидкого гелия, что пока не продемонстрировал никто в мире», — цитирует пресс-служба ведущего научного сотрудника ИЯФ СО РАН.
Лаборатория ELETTRA в Италии — открытая площадка для экспериментов на специализированном ускорителе электронов — источнике синхротронного излучения. С помощью этого излучения проводятся различные исследования: от изучения структуры материалов и новых фармацевтических препаратов до терапии раковых клеток.
НОВОСИБИРСК, 25 декабря. /ТАСС/. Ученые Института ядерной физики (ИЯФ) Сибирского отделения РАН в Новосибирске создали и запустили уникальную установку «Смола» (спиральную магнитную открытую ловушку), которая позволит в будущем увеличить нагрев плазмы с 10 млн градусов в несколько раз, сообщил в понедельник журналистам замдиректора ИЯФ СО РАН по научной работе Александр Иванов.
В перспективе ловушка будет использована в экологичном термоядерном реакторе, работающем без сверхтяжелого водорода.
«У нас есть установка ГДЛ (газодинамическая ловушка — прим. ТАСС), на которой мы уже нагрели плазму до 10 млн градусов. Если снабдить ее такими элементами (как „Смола“ — прим. ТАСС), то температура плазмы должна вырасти в несколько раз. Эта идея для развития линейных систем движения плазмы выдвинута впервые в мире», — сказал Иванов.
Первая в мире модель образования вулканических процессов была создана с помощью уникальной установки для электронно-лучевой сварки учеными Института ядерной физики (ИЯФ) и Института геологии и минералогии (ИГМ) Сибирского отделения РАН. Об этом сообщил СМИ главный научный сотрудник ИГМ СО РАН Виктор Шарапов.
По его словам, у ученых с помощью их установки получилось расплавить горные породы, которые были взяты из Авачинского вулкана на Камчатке. Теперь сибирские ученые смогут моделировать сейсмические процессы, которые происходят на глубине 40-70 километров, изучая месторождения руд.
В ускорительном центре КЕК (Цукуба, Япония) завершена установка детектора Belle II в место встречи пучков коллайдера SuperKEKB, сообщает пресс-служба КЕК (японская организация по изучению высокоэнергетических ускорителей).
Общий вес детектора превышает 1400 тонн. Одна из его ключевых систем — 40-тонный электромагнитный калориметр на основе кристаллов йодистого цезия — был создан и разработан при определяющем участии Института ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Новосибирского государственного университета (НГУ). Интеграция детектора и ускорителя — это важный шаг к началу набора данных уже в этом году.
В Институте ядерной физики СО РАН разработали специальную установку, которая направленно воздействует даже на самую стойкую опухоль
Сибирские ученые не хотят говорить, что это — прорыв в лечении рака, но и своих заслуг в ее создании не умаляют. Научное ноу-хау называется «бор-нейтронозахватная терапия онкозаболеваний» . Мудрено, но суть изобретения может вселить надежду в души десятков тысяч соотечественников, которым пока ничем не могут помочь онкологи… Прибор — это, конечно, мягко сказано. На самом деле… он занимает специальное защищенное помещение площадью 60 квадратных метров. Ведущий научный сотрудник института Сергей Таскаев рассказал о принципах действия установки и объяснил, почему у ее создателей были сомнения.
Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера (ИЯФ) Сибирского отделения РАН подписал контракт на 20 миллионов евро с Европейским центром по исследованию ионов и антипротонов (FAIR, Германия), по которому изготовит уникальное оборудование для ускорителя, сообщил журналистам научный директор FAIR академик РАН Борис Шарков.
FAIR — крупнейший ускорительный комплекс по исследованию современной ядерной и субъядерной физики, создаваемый в Германии при участии 15 стран мира. Проект по масштабам сравним с Большим адронным коллайдером (ЦЕРН), его общая стоимость оценивается примерно в миллиард евро. Начало экспериментов на FAIR запланировано на 2020 год.
Ученые Института
ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН и Института общей физики
им. А.М. Прохорова РАН при поддержке гранта РНФ разработали новое
поколение высокоскоростных электронно-оптических приборов для
диагностики пучков в ускорителях заряженных частиц — диссектор на основе стрик-камеры. Это устройство позволяет наблюдать за длиной
сгустка в режиме реального времени. Изготовленные приборы уже
используются для тонкой настройки ускорительных комплексов, а также для изучения динамики релятивистских пучков. Результаты
работы опубликованы в издании Journal of Instrumentation.
НОВОСИБИРСК, 4 июля. /ТАСС/. Охладительное кольцо для строящегося в Германии исследовательского ускорительного комплекса FAIR, который сравнивают с Большим адронным коллайдером (БАК), спроектировали специалисты новосибирского Института ядерной физики (ИЯФ) СО РАН. Об этом сообщил ТАСС заведующий научно-исследовательской лабораторией института Дмитрий Шварц.
«FAIR имеет много задач для работы с ионами и антипротонными пучками. Антипротоны получаются, когда протонный пучок с энергией 29 гигаэлектронвольт (электронвольт — единица измерения энергии элементарной частицы — прим. ТАСС) сбрасывается на мишень. Но эти антипротоны нужно захватить в кольцо и охладить — это задача нашего охладительного кольца (Collector ring)», — сказал Шварц.
Ученые Института ядерной физики Сибирского отделения (ИЯФ СО) РАН разработали уникальное оборудование для прототипа экологически чистого термоядерного реактора, проектируемого в США.
Работа проводилась в рамках многомиллионного контракта между сибирским институтом и американской компанией Tri Alphа Energy (TAE), сообщил ТАСС ученый секретарь отделения РАН Алексей Васильев, отказавшись назвать полную стоимость поставки.
Про ИЯФ вообще сложно рассказать в двух словах по многим причинам. В первую очередь потому, что наш Институт никак не вписывается в обычные стандарты. Это не совсем академический институт, работающий на фундаментальную науку, ведь в нем есть свое производство, вполне тянущее на завод средней руки, а по нынешним временам - хороший завод. И на этом заводе не гвозди делают с тазами, а обладают технологиями, которых нигде в России попросту нет. Современными технологиями в самом точном смысле этого слова, а не в "современными для Сов.Союза 80-х годов". И завод этот - наш собственный, а не такой, что владельцы находятся "где-то там", а мы лишь собираем продукцию в кучку.
Так что никак это не академический Институт.
Но и не производство. Какое ж это производство, если основной продукцией Институт полагает все же самый что ни на есть фундаментальный результат, а эту всю замечательную технологическую начинку и производство - всего лишь способом этот результат получить?
Значит, все же научный институт фундаментального профиля?
Но как быть с тем, что в ИЯФ производится самый широкий круг экспериментов, связанных с Синхротронным Излучением (здесь и далее СИ) или лазером на свободных электронах (здесь и далее ЛСЭ), а это исключительно прикладные эксперименты для десятков наших институтов? И, кстати, другой возможности проводить такие эксперименты у них почти и нет.
Значит, это многопрофильный институт?
Да. И еще многое-многое другое…
Начать этот рассказ можно было с истории института. Или с его сегодняшнего дня. С описания установок или людей. С рассказа о положении российской науки или достижениях физики последних дней. И я очень долго колебалась перед выбором направления, пока не решила рассказать обо всем понемногу, искренне надеясь, что когда-нибудь напишу больше и этот материал выложу где-нибудь.
Итак, ИЯФ СО РАН им. Г.И.Будкера или попросту Институт Ядерной Физики.
Он был основан в 1958 г. Гершем Ицковичем Будкером, которого в Институте звали Андрей Михайловичем, уж бог знает почему. Нет, разумеется, он был еврей, в СССР еврейские имена не приветствовались - это-то все понятно. Но мне не удалось выяснить, почему именно Андрей Михайлович, а не Николай Семенович, скажем.
Кстати, если вы в ИЯФе услышите что-нибудь типа "Андрей Михайлович говорил…", то это означает - говорил Будкер.
Он основатель Института и вероятно, если бы не он, и если бы не Сибирь, у нас никогда не было бы столь развитой ускорительной физики. Дело в том, что работал Будкер у Курчатова, и по слухам ему там просто было тесно. И никогда бы не дали "размахнуться" так, как вышло в Сибири, где только-только создавались новые институты и открывались новые направления. Да и не дали бы ему в Москве сразу Институт в таком возрасте. Сначала помурыжили бы на должности завлаба, потом замдира, в общем, глядишь, запал бы и сошел.
Будкер уехал в Новосибирск и оттуда начал звать к себе разных выдающихся и не очень физиков. Выдающиеся физики в ссылку ехали неохотно, так что ставка была сделана на молодую школу, которую тут же и основали. Школами стали НГУ и ФМШ при этой НГУ. Кстати, в Академе скрижали отдают авторство ФМШ исключительно Лаврентьеву, однако живые еще свидетели той истории, проживающие ныне в Америке и публикующие свои мемуары, утверждают, что автором школы был Будкер, "продавший" Лаврентьеву идею за какую-то очередную административную уступку.
Известно, что два великих человека - Будкер и Лаврентьев не слишком хорошо ладили друг с другом, если не сказать больше, и это до сих пор отражается не только на отношениях людей в Академгородке, но и на написании его истории. Посмотрите любую академовскую выставку, проходящую в Доме Ученых (ДУ), и вы легко убедитесь, что там почти нет, скажем, фотографий из громадного архива ИЯФ и вообще мало говорится о самом крупном институте в нашей Академии наук (около 3 тыс. человек сотрудников), и третьем налогоплательщике в НСО. Не очень-то справедливо, но уж как есть.
Одним словом, Будкеру мы обязаны Институтом, его достижениями и его атмосферой. Кстати, и производством тоже. Когда-то ИЯФ звали самым капиталистическим из всех институтов страны - он мог производить свою продукцию и продавать ее. Теперь его зовут самым социалистическим - ведь все заработанные деньги идут в общий котел и из него распределяются на зарплату, контракты и самое главное - проведение научных экспериментов.
Дело это очень дорогостоящее. Смена (12 часов) работы ускорителя с детектором могут стоить сотни тысяч рублей и большая часть этих денег (от 92 до 75%) - заработана сотрудниками ИЯФ. ИЯФ единственный в мире институт, зарабатывающий на фундаментальные физические исследования собственными силами. В остальных случаях такие институты финансируются государством, но у нас - сами понимаете - если ждать помощи от государства, то и помереть недолго.
Как зарабатывает ИЯФ? Продажей магнитных систем ускорителей другим странам, желающим строить свои ускорители. Можно с гордостью сказать, что мы безусловно входим в двойку-тройку лучших производителей ускорительных колец в мире. Мы производим и вакуумные системы, и резонаторы. Мы производим промышленные ускорительные установки, которые работают в десятках направлений не нашей экономики, помогая обеззараживать медицинское оборудование, зерно, продукты, очищать воздух и сточные воды, ну, в общем, все то, на что у нас никто не обращает внимание. ИЯФ производит медицинские ускорители и рентгеновские установки для просвечивания людей, скажем, в аэропортах или мед.учреждениях. Если вы внимательно посмотрите на лейблы на этих сканерах, то обнаружите, что стоят они не только в Новосибирском аэропорту Толмачево, но и очень даже в столичном Домодедово. ИЯФ делает еще десятки, если не сотни мелких заказов для высокотехнологичного производства или науки во всем мире. Мы производим ускорители и подобное оборудование для США, Японии, Европы, Китая, Индии… Мы строили часть кольца БАКа и очень успешно. Доля российских заказов у нас традиционно низка, и с этим ничего не поделать - правительство денег не дает, а у местных властей или владельцев предприятий их просто не хватает - обычно счет идет на миллионы долларов. Впрочем, надо честно признать, что у нас есть и обычные российские гранты и контракты, и мы им тоже рады, ибо деньги в Институте нужны всегда.
3.
Фрагмент ускорителя, который прямо сейчас делает ИЯФ для Брукхэйвенской лаборатории (США)
Средняя зарплата у нас меньше, чем у соседей, а распределение ее далеко не всегда кажется справедливым, однако большинство ияфовцев с этим смиряются, ибо понимают, над чем работают и чего ради отказываются от увеличения зарплаты. Каждый процент, выложенный в нее, означает минус дни работы установок. Все просто.
Да, иногда приходится их останавливать совсем, и такие случаи тоже были. Но, к счастью, держались всего полгода.
ИЯФ может себе позволить возглавить строительство дорогих элитных домов, лишь бы часть квартир досталась сотрудникам, отправлять этих сотрудников в длительные загранкомандировки, содержать одну из лучших лыжных баз в стране, где ежегодно проходит "Лыжня России" (кстати, нынче база под угрозой закрытия из-за очередного нелепого проекта строительства), содержать собственную базу отдыха в Бурмистрово ("Разлив"), в общем, много чего может себе позволить. И хотя каждый год речь встает о том, что это слишком расточительно, мы еще держимся.
А что с наукой в ИЯФе?
С наукой сложнее. Главных научных направлений ИЯФа четыре:
1. физика элементарных частиц - ФЭЧ (т.е. то, из чего состоит наш мир на самом-самом микро уровне)
2. физика ускорителей (т.е. приборов, с помощью которых до этого микроуровня можно добраться (или лучше говорить "нано", следуя современной моде? :))
3. физика плазмы
4. физика, связанная с синхротронным излучением.
В ИЯФ есть и несколько других направлений, в частности, связанных с ядерной и фотоядерной физикой, медицинскими приложениями, радиофизикой и множеством других, более мелких.
4.
Установка Дейтон ВЭПП-3. Если вам кажется, что это сплошной хаос проводов, то в общем-то напрасно. Во-первых, ВЭПП-3 - это установка, где места просто нет, во-вторых съемка идет со стороны кабельной трассы (она проложена поверху). Наконец, в-третьих, Дейтон - одна из тех установок, которые иногда встраивают в структуру ВЭПП-3, потом убирают, т.е. делать тут глобальные системы "наведения порядка" просто нет смысла.
У нас два постоянно работающих ускорителя: ВЭПП-2000 (сокращение ВЭПП, которое часто будет встречаться, означает "встречные электрон-позитронные пучки"), на котором работает аж два детектора - КМД и СНД (криогенный магнитный детектор и сферический нейтральный детектор) и ВЭПП-4М с детектором КЕДР. Комплекс ВЭПП-4М содержит в себе еще один ускоритель - ВЭПП-3, где проводятся эксперименты, связанные с СИ (СИ есть и на ВЭПП-4, однако это новые станции, они пока что еще в зачаточном состоянии, хотя активно развиваются в последнее время и одна из последних кандидатских диссертаций у СИшников защищена как раз в этом направлении).
5.
6.
Бункер СИ ВЭПП-3, станция рентгенофлуоресцентного элементного анализа.
Кроме того, у нас есть ЛСЭ, который прямо предназначен для работы с терагерцовым излучением для всех желающих со стороны, поскольку в ИЯФе ему не придумали пока "прямого" предназначения. Кстати, уже после этой экскурсии стало известно, что руководитель ЛСЭ Винокуров Николай Александрович был избран член-корреспондентом РАН.
Делаем тут первую остановку на пояснение (по подсказкам читателей). Что такое ЛСЭ или лазер на свободных электронах? Объяснить это на пальцах не очень просто, но мы будем считать, что вы знаете, что в обычном лазере излучение происходит так: с помощью какого-нибудь метода мы разогреваем (возбуждаем) атомы вещества до такой степени, что они начинают излучать. И поскольку мы отбираем это излучение специальным образом, попадая в резонанс с энергией (а значит и частотой) излучения, мы получаем лазер. Так вот в ЛСЭ источник излучения не атом, а сам пучок электронов. Его заставляют проходить мимо так называемого вигглера (ондулятора), где очень много магнитов вынуждают пучок "дергаться" из стороны в сторону по синусоиде. При этом он излучает все то же синхротронное излучение, которое можно собрать в лазерное. Изменяя силу тока в магнитах вигглера или энергию пучка, мы можем в широком диапазоне менять и частоту лазера, что на сегодняшний день недостижимо никаким другим способом.
В России других установок ЛСЭ нет. Но они есть в США, строится такой лазер и в Германии (совместный проект Франции, Германии и нашего института, стоимость превышает 1 млрд.евро.) По-английски такой лазер звучит как FEL - free electron laser.
8.
Электронная пушка лазера на свободных электронах
9.
Система контроля уровня охлаждающей резонаторы воды на ЛСЭ
10.
Резонаторы ЛСЭ
11.
На этом и следующих двух кадрах - ЛСЭ, вид снизу (он подвешен "к потолку").
14.
Шевченко Олег Александрович закрывает дверь в зал ЛСЭ. После того, как сработает концевик от наехавшей двери рад.защиты (бетонный блок справа), можно будет начинать работу лазера.
15.
Пультовая ЛСЭ. На столе - очки для защиты от лазерного излучения
16.
Одна из станций на ЛСЭ. Справа видны оптические подставки, на которых есть листочки с выжженной бумагой (темные пятна в центре). Это след лазерного излучения ЛСЭ
17.
Редкий кадр. Старый лучевой осциллограф в пультовой ЛСЭ. В ИЯФе осталось мало таких осциллографов, но если поискать можно найти. Рядом (слева) стоит вполне современный цифровой Tektronix, но чего в нем интересного?
У нас есть собственное направление в области физики плазмы, связанное с удержанием плазмы (где должна проходить термоядерная реакция) в открытых ловушках. Такие ловушки есть только в ИЯФ и, хотя они не позволят осуществить главную задачу "термояда" - создание управляемого термоядерного синтеза, но зато они позволяют существенно продвинуться в области исследований параметров этого УТС.
18.
Установка АМБАЛ - амбиполярная адиабатическая ловушка, ныне не работает.
19.
АМБАЛ
Что делается на всех этих установках?
Если говорить о ФЭЧ, то тут положение сложное. Все достижения ФЭЧ последних лет связаны с ускорителями-коллайдерами типа LHC (Эл-эйч-си, как зовет его весь мир и БАК - большой адронный коллайдер, как зовут его только у нас). Это ускорители на огромную энергию - порядка 7 ТэВ (1 тера- или 7 тысяч гигаэлектронвольт). По сравнению с ними ВЭПП-4 на свои 4-5 ГэВ, работающий уже почти полвека, - старичок, где можно вести исследования ограниченного диапазона. И уж тем более ВЭПП-2000 с энергией всего-то около 1 ГэВ.
Мне придется тут слегка задержаться и пояснить, что такое ГэВ и почему это много. Если мы возьмем два электрода и подадим на них разность потенциалов в 1 вольт, а потом пропустим заряженную частицу между этими электродами, она приобретет энергию в 1 электронвольт. От более привычного нам джоуля ее отделяет аж 19 порядков: 1 эВ=1.6*10 -19 Дж.
Чтобы получить энергию в 1 ГэВ, нужно на длине пролета электрона создать ускоряющее напряжение в 1 гигавольт (гига - это миллиард вольт, 10^9 или 1 000 000 000 Вольт). Чтобы получить энергию БАКа, требуется создать ускоряющее напряжение в 7 теравольт, при этом приходится затрачивать порядка 180МВт электрической мощности (это расчетное потребление). Ну, сами представляйте дальше, что для этого нужно. Достаточно сказать, что питание LHC (БАКа) обеспечивает одна из французских АЭС, расположенных неподалеку.
21.
Ускоритель ВЭПП-2000 - модернизация предыдущего ускорителя ВЭПП-2М. Отличие от предыдущего варианта - в большей энергии (до 1 ГэВ) и реализованная идея так называемых круглых пучков (обычно пучок похож скорее на ленту, чем на что либо еще). В прошлом году ускоритель начал свою работу после долгого периода реконструкции.
23.
Пультовая ВЭПП-2000.
24.
Пультовая ВЭПП-2000. Над столом - схема ускорительного комплекса.
25.
Бустер электронов и позитронов БЭП для ВЭПП-2000
Чем берет ИЯФ в этой области? Высочайшей точностью своих исследований. Дело в том, что жизнь устроена так, что все более легкие частицы дают свой вклад в рождение более тяжелых, и чем точнее мы знаем их массу-энергию, тем лучше знаем и вклад в рождение даже бозона Хиггса. Вот этим ИЯФ и занимается - получает супер-точные результаты и исследует разные редкие процессы, для "вылавливания" которых нужна не просто установка, а много-много хитрости и ловкости от исследователей. Мозгами, короче, берет, чем еще-то? И в этом смысле хорошо выделяются все три ИЯФовских детектора - КМД, СНД и КЕДР (у него нет расшифровки названия)
26.
СНД - сферический нейтральный детектор, позволяющий регистрировать частицы, не имеющие заряда. На снимке он близок к окончательной сборке и началу работы.
Самый большой из наших детекторов - КЕДР. Недавно на нем завершили цикл экспериментов, позволивших измерить массу так называемого тау-лептона, который во всем аналог электрона, только намного тяжелее, и J/Psi - частицы, первой из частиц, где "работает" четвертый по массе кварк. И еще раз поясню. Всего кварков, как известно, шесть - у них очень красивые и даже экзотические названия, по которым называют частицы, куда они входят (скажем, "очарованная" или "странная" частицы означают, что в их состав входят соответственно charm и strange кварки):
Названия кварков не имеют никакого отношения к реальным свойствам разных вещей - произвольная фантазия теоретиков. Данные в кавычках названия являются принятыми русскоязычными переводами терминов. Я к тому, что нельзя "прелестный" кварк назвать красивым или прекрасным - терминологическая ошибка. Такие вот лингвистические сложности, хотя t-кварк часто называют попросту топ-кварк:)
Так вот, все частицы привычного нам мира состоят из двух самых легких кварков, доказательство существования остальных четырех - дело "рук" ускорителей на встречных пучках и детекторов. Доказать существование именно s-кварка было непросто, оно означало правильность сразу нескольких гипотез и открытие J/psi было выдающимся достижением, которое сразу показало огромную перспективность всего метода изучения элементарных частиц, а заодно открыло нам дорогу к изучению процессов, происходивших в мире во времена Большого Взрыва и происходящих сейчас. Масса "джи-пси" после эксперимента КЕДРа измерена с точностью, которую превышает только измерение масс электрона и протона с нейтроном, т.е. основных частиц микромира. Это фантастический результат, которым можно будет гордится еще долго, как детектору, так и ускорителю.
28.
Это детектор КЕДР. Как видите, сейчас он разобран, это редкая возможность посмотреть, как он выглядит изнутри. Идет ремонт систем и модернизация после длительного периода работы, который обычно называется "заход на эксперимент" и длится обычно несколько лет.
29.
Это детектор КЕДР, вид сверху.
31.
Криогенная система детектора КЕДР, баки с жидким азотом, используемым для охлаждения сверхпроводящего магнита детектора КЕДР (он охлажден до температуры жидкого гелия, предварительно охлаждается до температуры жидкого азота.)
32.
В кольце ВЭПП-4М
В области физики ускорителей дело обстоит лучше. ИЯФ - один из создателей коллайдеров вообще, т.е. мы уверенно можем считать себя одним из двух институтов, где этот метод родился почти одновременно (с разницей в единицы месяцев). У нас впервые встретились вещество и антивещество так, что с ними можно было проводить эксперименты, а не наблюдать это самое антивещество как нечто удивительное, с чем работать нельзя. Мы до сих пор предлагаем и пытаемся реализовать ускорительные идеи, которых еще нет в мире, а наши специалисты иногда не вылезают из зарубежных центров, готовых взяться за их реализацию (у нас это дорого и долго). Мы предлагаем новые проекты "фабрик" - мощных ускорителей, которые могут "рождать" огромное количество событий на каждый оборот пучка. Одним словом, тут, в области ускорительной физики, ИЯФ может смело претендовать на Институт мирового класса, не потерявший своего значения все эти годы.
Новых установок у нас строится очень мало и делаются они долго. Скажем, ускоритель ВЭПП-5, который планировался как самый большой в ИЯФ, строился так долго, что морально устарел. При этом созданный инжектор настолько хорош (и даже уникален), что не использовать его было бы неправильно. Часть кольца, которую вы видите, сегодня планируют использовать уже не для ВЭПП-5, а для каналов перепуска частиц из форинжектора ВЭПП-5 в ВЭПП-2000 и ВЭПП-4.
33.
Туннель для кольца ВЭПП-5, пожалуй, самое большое сооружение этого типа в ИЯФ на сегодняшний день. По размерам он таков, что тут мог бы ездить автобус. Кольцо так и не построили из-за недостатка средств.
34.
Фрагмент канала Форинжектор - ВЭПП-3 в туннеле ВЭПП-5.
35.
Это подставки под магнитные элементы канала перепуска Форинжектор - ВЭПП2000 (каналы на сегодня еще только строятся.)
36.
Помещение ЛИНАКа (линейного ускорителя) Форинжектора ВЭПП-5
37.
На этом и следующем кадре - магнитные элементы Форинжектора
39.
Линейный ускоритель Форинжектора ВЭПП-5.
Дежурный по комплексу и ответственное за посетителей лицо ожидают окончания фотосъемки
40.
Накопитель-охладитель Форинжектора, куда электроны и позитроны из ЛИНАКа попадают для дальнейшего ускорения и изменения некоторых параметров пучка.
41.
Элементы магнитной системы накопителя-охладителя. Квадрупольная линза в данном случае.
42.
Многие гости нашего Института ошибочно полагают, что 13-е здание, где расположены ускорители ВЭПП3, 4, 5 очень маленькое. Всего два этажа. И они ошибаются. Это дорога вниз, на этажи, находящиеся под землей (так проще делать рад.защиту)
Сегодня ИЯФ планирует создание так называемой c-tau (це-тау) фабрики, которая может стать самым крупным проектом в фундаментальной физике России за последние десятилетия (если мегапроект будет поддержан Правительством России), ожидаемые результаты без сомнения будут на уровне лучших мировых. Вопрос, как всегда, в деньгах, которые Институт вряд ли сможет заработать сам. Одно дело - поддерживать текущие установки и очень медленно делать новое, другое - конкурировать с исследовательскими лабораториями, получающие полноценную поддержку своих стран или даже таких объединений, как ЕС.
В области физики плазмы дело обстоит несколько более тяжелым образом. Это направление не финансировалось десятилетиями, оттуда произошел мощный отток специалистов за рубеж, и все же физика плазмы у нас тоже может найти, чем похвастаться.В частности, оказалось, что турбулентность (завихрения) плазмы, которые должны бы были разрушать ее стабильность, иногда напротив, помогают удерживать ее в заданных границах.
43.
Две главные установки физики плазмы - ГОЛ-3 (на снимке, сделанном с уровня кран-балки здания) и ГДЛ (ниже будет)
44.
Генераторы ГОЛ-3 (гофрированная открытая ловушка)
45.
Фрагмент ускорительной структуры ГОЛ-3, так называемый пробкотрон.
Зачем на плазме ускоритель? Все просто - в задаче получения термоядерной энергии есть две главных проблемы: удержание плазмы в магнитных полях хитрой структуры (плазма - это облако заряженных частиц, которые норовят растолкнуться и расползтись в разные стороны) и ее быстрый разогрев до термоядерных температур (представьте - вы чайник до 100 градусов греете несколько минут, а тут надо за микросекунды до миллионов градусов). Обе задачи в ИЯФ попытались решить методами ускорительных технологий. Результат? На современных ТОКАМАКах давление плазмы к давлению поля, которое можно удержать составляет максимум 10%, в ИЯФ на открытых ловушках - до 60%. Что это означает? Что в ТОКАМАКе нельзя осуществить реакцию синтеза дейтерий+дейтерий, там можно использовать только очень дорогой тритий. В установке типа ГОЛ можно было бы обойтись дейтерием.
46.
Надо сказать, что ГОЛ-3 выглядит как нечто, созданное то ли в далеком будущем, то ли просто притащенное инопланетянами. Обычно на всех посетителей производит совершенно футуристическое впечатление.
48.
ГОЛ-3
А теперь перейдем к другой плазменной установке ИЯФ - ГДЛ (газодинамическая ловушка). С самого начала эта ловушка плазмы не ориентировалась на термоядерную реакцию, она была построена для изучения поведения плазмы.
50.
ГДЛ довольно маленькая установка, так что влазит в один кадр целиком.
У физики плазмы есть и свои мечты, они хотят создать новую установку - ГДМЛ (м - многопробочная), разработка ее началась в 2010 году, ну, а когда закончится - никто не знает. Кризис влияет на нас самым существенным образом - наукоемкие производства сокращаются первыми, а с ними и наши заказы. При наличии финансирования, установку можно создать за 4-6 лет.
В области СИ мы (я про Россию) отстаем от всей развитой части планеты, скажем честно. В мире источников СИ огромное количество, они лучше и мощнее наших. На них проводятся тысячи, если не сотни тысяч работ, связанных с изучением всего - от поведения биологических молекул до исследований физики и химии твердого тела. Фактически это мощный источник рентгеновских лучей, который никак иначе не получить, так что все исследования, связанные с изучением структуры вещества - это СИ.
Однако жизнь обстоит так, что в России есть всего три источника СИ, причем два сделаны у нас, а один мы помогали запускать (один в Москве находится, еще один в Зеленограде). И только один из них постоянно работает в режиме эксперимента - это "старый добрый" ВЭПП-3, который построен тыщу лет назад. Дело в том, что мало построить ускоритель для СИ. Важно еще построить оборудование для СИ-станций, а вот этого-то больше нигде и нет. В результате многие исследователи западных наших регионов предпочитают прислать представителя "на все готовенькое", чем тратить огромные средства на создание и развитие СИ-станций где-нибудь в Подмосковье.
53.
Зал инжектора для ВЭПП-3 - установки ПОЗИТРОН - одна из самых старых установок такого типа в мире
54.
Зал инжектора для ВЭПП-3 - установки ПОЗИТРОН, слева (голубой цилиндр) - линейный ускоритель (ЛИНАК), справа - синхротрон Б4
55.
В кольце ВЭПП-3
56.
Это вид на комплекс ВЭПП-4 с высоты птичьего полета или точнее третьего этажа "антресолей". Прямо внизу бетонные блоки рад.защиты, под ними - ПОЗИТРОН и ВЭПП-3, далее - голубоватое помещение - пультовая комплекса, откуда осуществляется управление комплексом и экспериментом.
57.
"Начальник" ВЭПП-3, один из старейших физиков-ускорительщиков ИЯФ и страны - Мишнев Святослав Игоревич
В ИЯФе на почти 3000 человек научных сотрудников всего чуть более 400, считая с аспирантами. И вы же все понимаете, что у станка стоит не научный сотрудник, а чертежи на новые ускорительные кольца тоже делают не аспиранты со студентами. В ИЯФ большое количество инженерно-технических работников, куда входит и огромный конструкторский отдел, и технологи, и электрики, и радиоинженеры, и… еще десятки специальностей. У нас большое количество рабочих (около 600 человек), механиков, лаборантов, радиолаборантов и еще сотни других специальностей, о которых я иногда даже не догадываюсь, ибо это никого особо не интересует. Кстати, ИЯФ - одно из тех редких предприятий страны, которое ежегодно проводит конкурс молодых рабочих - токарей и фрезеровщиков.
58.
62.
Производство ИЯФ, один из цехов. Оборудование большей частью устаревшее, современные станки находятся в цехах, в которых мы не были, находящихся в Чемах (есть такое место в Новосибирске, рядом с т.н. НИИ систем). В этом цеху станки с ЧПУ тоже есть, просто в кадр не попали (это ответ на некоторые реплики в блогах.)
Мы - ияфовцы, мы - единый организм и это главное у нас в Институте. Хотя очень важно, конечно, что возглавляют весь технологический процесс физики. Они не всегда понимают детали и тонкости работы с материалами, однако они знают, чем все должно закончится и помнят, что маленький сбой где-то у рабочего на станке приведет к тому, что встанет многомиллионнодолларовая установка где-нибудь у нас, или в мире. И поэтому какой-нибудь зеленый студент может даже не понять объяснений инженера, но на вопрос "можно ли это принять" будет отрицательно мотать головой, точно помня, что ему вынь да положь точность в пять микрон на базе метра, иначе кранты его установке. И уж дальше задача технологов и инженеров придумать, как же ему, злодею, обеспечить то его немыслимые требования, которые идут вразрез со всем, что у нас обычно делается. Но придумывают и обеспечивают, и вкладывают при этом немыслимо много ума и изобретательности.
63.
Озадаченный ответственный за электрохозяйства комплекса ВЭПП-4М Жмака Александр Иванович.
64.
Этот зловещий кадр снят просто в одном из зданий Института, в том самом, где расположены ВЭПП-3, ВЭПП-4 и форинжектор ВЭПП-5. И означает просто-напросто тот факт, что ускоритель работает и представляет из себя некоторую опасность.
65.
А этот - что служба, отвечающая за технику безопасности наших работ, не дремлет. Это индивидуальные пленочные дозиметры разных типов.
67.
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.
68.
Подземные переходы между корпусами института
Спасибо Elena Elk за организацию фотосъемки и подробные рассказы об установках.
Довелось побывать мне в знаменитом на весь мир ИЯФ им. Г.И.Будкера СО РАН. То, что я там увидел, я смогу только показать, подробный рассказ об установках и о самом институте составила научный сотрудник института Cтаростина Елена Валериевна.
(Всего 68 фото)
Оригинал текста взят отсюда
.
Про ИЯФ вообще сложно рассказать в двух словах по многим причинам. В первую очередь потому, что наш Институт никак не вписывается в обычные стандарты. Это не совсем академический институт, работающий на фундаментальную науку, ведь в нем есть свое производство, вполне тянущее на завод средней руки, а по нынешним временам – хороший завод. И на этом заводе не гвозди делают с тазами, а обладают технологиями, которых нигде в России попросту нет. Современными технологиями в самом точном смысле этого слова, а не в «современными для Сов.Союза 80-х годов». И завод этот – наш собственный, а не такой, что владельцы находятся «где-то там», а мы лишь собираем продукцию в кучку.
Так что никак это не академический Институт.
Но и не производство. Какое ж это производство, если основной продукцией Институт полагает все же самый что ни на есть фундаментальный результат, а эту всю замечательную технологическую начинку и производство – всего лишь способом этот результат получить?
Значит, все же научный институт фундаментального профиля?
Но как быть с тем, что в ИЯФ производится самый широкий круг экспериментов, связанных с Синхротронным Излучением (здесь и далее СИ) или лазером на свободных электронах (здесь и далее ЛСЭ), а это исключительно прикладные эксперименты для десятков наших институтов? И, кстати, другой возможности проводить такие эксперименты у них почти и нет.
Значит, это многопрофильный институт?
Да. И еще многое-многое другое…
Начать этот рассказ можно было с истории института. Или с его сегодняшнего дня. С описания установок или людей. С рассказа о положении российской науки или достижениях физики последних дней. И я очень долго колебалась перед выбором направления, пока не решила рассказать обо всем понемногу, искренне надеясь, что когда-нибудь напишу больше и этот материал выложу где-нибудь.
Итак, ИЯФ СО РАН им. Г.И.Будкера или попросту Институт Ядерной Физики.
Он был основан в 1958 г. Гершем Ицковичем Будкером, которого в Институте звали Андрей Михайловичем, уж бог знает почему. Нет, разумеется, он был еврей, в СССР еврейские имена не приветствовались – это-то все понятно. Но мне не удалось выяснить, почему именно Андрей Михайлович, а не Николай Семенович, скажем.
Кстати, если вы в ИЯФе услышите что-нибудь типа «Андрей Михайлович говорил…», то это означает – говорил Будкер.
Он основатель Института и вероятно, если бы не он, и если бы не Сибирь, у нас никогда не было бы столь развитой ускорительной физики. Дело в том, что работал Будкер у Курчатова, и по слухам ему там просто было тесно. И никогда бы не дали «размахнуться» так, как вышло в , где только-только создавались новые институты и открывались новые направления. Да и не дали бы ему в Москве сразу Институт в таком возрасте. Сначала помурыжили бы на должности завлаба, потом замдира, в общем, глядишь, запал бы и сошел.
Будкер уехал в Новосибирск и оттуда начал звать к себе разных выдающихся и не очень физиков. Выдающиеся физики в ссылку ехали неохотно, так что ставка была сделана на молодую школу, которую тут же и основали. Школами стали НГУ и ФМШ при этой НГУ. Кстати, в Академе скрижали отдают авторство ФМШ исключительно Лаврентьеву, однако живые еще свидетели той истории, проживающие ныне в Америке и публикующие свои мемуары, утверждают, что автором школы был Будкер, «продавший» Лаврентьеву идею за какую-то очередную административную уступку.
Известно, что два великих человека – Будкер и Лаврентьев не слишком хорошо ладили друг с другом, если не сказать больше, и это до сих пор отражается не только на отношениях людей в Академгородке, но и на написании его истории. Посмотрите любую академовскую выставку, проходящую в Доме Ученых (ДУ), и вы легко убедитесь, что там почти нет, скажем, фотографий из громадного архива ИЯФ и вообще мало говорится о самом крупном институте в нашей Академии наук (около 3 тыс. человек сотрудников), и третьем налогоплательщике в НСО. Не очень-то справедливо, но уж как есть.
Одним словом, Будкеру мы обязаны Институтом, его достижениями и его атмосферой. Кстати, и производством тоже. Когда-то ИЯФ звали самым капиталистическим из всех институтов страны – он мог производить свою продукцию и продавать ее. Теперь его зовут самым социалистическим – ведь все заработанные деньги идут в общий котел и из него распределяются на зарплату, контракты и самое главное – проведение научных экспериментов.
Дело это очень дорогостоящее. Смена (12 часов) работы ускорителя с детектором могут стоить сотни тысяч рублей и большая часть этих денег (от 92 до 75%) – заработана сотрудниками ИЯФ. ИЯФ единственный в мире институт, зарабатывающий на фундаментальные физические исследования собственными силами. В остальных случаях такие институты финансируются государством, но у нас – сами понимаете – если ждать помощи от государства, то и помереть недолго.
Как зарабатывает ИЯФ? Продажей магнитных систем ускорителей другим странам, желающим строить свои ускорители. Можно с гордостью сказать, что мы безусловно входим в двойку-тройку лучших производителей ускорительных колец в мире. Мы производим и вакуумные системы, и резонаторы. Мы производим промышленные ускорительные установки, которые работают в десятках направлений не нашей экономики, помогая обеззараживать медицинское оборудование, зерно, продукты, очищать воздух и сточные воды, ну, в общем, все то, на что у нас никто не обращает внимание. ИЯФ производит медицинские ускорители и рентгеновские установки для просвечивания людей, скажем, в аэропортах или мед.учреждениях. Если вы внимательно посмотрите на лейблы на этих сканерах, то обнаружите, что стоят они не только в Новосибирском аэропорту Толмачево, но и очень даже в столичном Домодедово. ИЯФ делает еще десятки, если не сотни мелких заказов для высокотехнологичного производства или науки во всем мире. Мы производим ускорители и подобное оборудование для США, Японии, Европы, Китая, Индии… Мы строили часть кольца БАКа и очень успешно. Доля российских заказов у нас традиционно низка, и с этим ничего не поделать – правительство денег не дает, а у местных властей или владельцев предприятий их просто не хватает – обычно счет идет на миллионы долларов. Впрочем, надо честно признать, что у нас есть и обычные российские гранты и контракты, и мы им тоже рады, ибо деньги в Институте нужны всегда.
3. Фрагмент ускорителя, который прямо сейчас делает ИЯФ для Брукхэйвенской лаборатории (США)
Средняя зарплата у нас меньше, чем у соседей, а распределение ее далеко не всегда кажется справедливым, однако большинство ияфовцев с этим смиряются, ибо понимают, над чем работают и чего ради отказываются от увеличения зарплаты. Каждый процент, выложенный в нее, означает минус дни работы установок. Все просто.
Да, иногда приходится их останавливать совсем, и такие случаи тоже были. Но, к счастью, держались всего полгода.
ИЯФ может себе позволить возглавить строительство дорогих элитных домов, лишь бы часть квартир досталась сотрудникам, отправлять этих сотрудников в длительные загранкомандировки, содержать одну из лучших лыжных баз в стране, где ежегодно проходит «Лыжня России» (кстати, нынче база под угрозой закрытия из-за очередного нелепого проекта строительства), содержать собственную базу отдыха в Бурмистрово («Разлив»), в общем, много чего может себе позволить. И хотя каждый год речь встает о том, что это слишком расточительно, мы еще держимся.
А что с наукой в ИЯФе?
С наукой сложнее. Главных научных направлений ИЯФа четыре:
1. физика элементарных частиц — ФЭЧ (т.е. то, из чего состоит наш мир на самом-самом микро уровне)
2. физика ускорителей (т.е. приборов, с помощью которых до этого микроуровня можно добраться (или лучше говорить «нано», следуя современной моде? :))
3. физика плазмы
4. физика, связанная с синхротронным излучением.
В ИЯФ есть и несколько других направлений, в частности, связанных с ядерной и фотоядерной физикой, медицинскими приложениями, радиофизикой и множеством других, более мелких.
4. Установка Дейтон ВЭПП-3. Если вам кажется, что это сплошной хаос проводов, то в общем-то напрасно. Во-первых, ВЭПП-3 – это установка, где места просто нет, во-вторых съемка идет со стороны кабельной трассы (она проложена поверху). Наконец, в-третьих, Дейтон – одна из тех установок, которые иногда встраивают в структуру ВЭПП-3, потом убирают, т.е. делать тут глобальные системы "наведения порядка" просто нет смысла.
У нас два постоянно работающих ускорителя: ВЭПП-2000 (сокращение ВЭПП, которое часто будет встречаться, означает «встречные электрон-позитронные пучки»), на котором работает аж два детектора – КМД и СНД (криогенный магнитный детектор и сферический нейтральный детектор) и ВЭПП-4М с детектором КЕДР. Комплекс ВЭПП-4М содержит в себе еще один ускоритель – ВЭПП-3, где проводятся эксперименты, связанные с СИ (СИ есть и на ВЭПП-4, однако это новые станции, они пока что еще в зачаточном состоянии, хотя активно развиваются в последнее время и одна из последних кандидатских диссертаций у СИшников защищена как раз в этом направлении).
5. Бункер СИ ВЭПП-3, станция рентгенофлуоресцентного элементного анализа.
6. Бункер СИ ВЭПП-3, станция рентгенофлуоресцентного элементного анализа.
Кроме того, у нас есть ЛСЭ, который прямо предназначен для работы с терагерцовым излучением для всех желающих со стороны, поскольку в ИЯФе ему не придумали пока «прямого» предназначения. Кстати, уже после этой экскурсии стало известно, что руководитель ЛСЭ Винокуров Николай Александрович был избран член-корреспондентом РАН.
Делаем тут первую остановку на пояснение (по подсказкам читателей). Что такое ЛСЭ или лазер на свободных электронах? Объяснить это на пальцах не очень просто, но мы будем считать, что вы знаете, что в обычном лазере излучение происходит так: с помощью какого-нибудь метода мы разогреваем (возбуждаем) атомы вещества до такой степени, что они начинают излучать. И поскольку мы отбираем это излучение специальным образом, попадая в резонанс с энергией (а значит и частотой) излучения, мы получаем лазер. Так вот в ЛСЭ источник излучения не атом, а сам пучок электронов. Его заставляют проходить мимо так называемого вигглера (ондулятора), где очень много магнитов вынуждают пучок «дергаться» из стороны в сторону по синусоиде. При этом он излучает все то же синхротронное излучение, которое можно собрать в лазерное. Изменяя силу тока в магнитах вигглера или энергию пучка, мы можем в широком диапазоне менять и частоту лазера, что на сегодняшний день недостижимо никаким другим способом.
В России других установок ЛСЭ нет. Но они есть в США, строится такой лазер и в Германии (совместный проект Франции, Германии и нашего института, стоимость превышает 1 млрд.евро.) По-английски такой лазер звучит как FEL — free electron laser.
8. Электронная пушка лазера на свободных электронах
9. Система контроля уровня охлаждающей резонаторы воды на ЛСЭ
10. Резонаторы ЛСЭ
11. На этом и следующих двух кадрах - ЛСЭ, вид снизу (он подвешен "к потолку").
14. Шевченко Олег Александрович закрывает дверь в зал ЛСЭ. После того, как сработает концевик от наехавшей двери рад.защиты (бетонный блок справа), можно будет начинать работу лазера.
15. Пультовая ЛСЭ. На столе - очки для защиты от лазерного излучения
16. Одна из станций на ЛСЭ. Справа видны оптические подставки, на которых есть листочки с выжженной бумагой (темные пятна в центре). Это след лазерного излучения ЛСЭ
17. Редкий кадр. Старый лучевой осциллограф в пультовой ЛСЭ. В ИЯФе осталось мало таких осциллографов, но если поискать можно найти. Рядом (слева) стоит вполне современный цифровой Tektronix, но чего в нем интересного?
У нас есть собственное направление в области физики плазмы, связанное с удержанием плазмы (где должна проходить термоядерная реакция) в открытых ловушках. Такие ловушки есть только в ИЯФ и, хотя они не позволят осуществить главную задачу «термояда» – создание управляемого термоядерного синтеза, но зато они позволяют существенно продвинуться в области исследований параметров этого УТС.
18. Установка АМБАЛ – амбиполярная адиабатическая ловушка, ныне не работает.
Что делается на всех этих установках?
Если говорить о ФЭЧ, то тут положение сложное. Все достижения ФЭЧ последних лет связаны с ускорителями-коллайдерами типа LHC (Эл-эйч-си, как зовет его весь мир и БАК – большой адронный коллайдер, как зовут его только у нас). Это ускорители на огромную энергию – порядка 200 ГэВ (гигаэлектронвольт). По сравнению с ними ВЭПП-4 на свои 4-5 ГэВ, работающий уже почти полвека, — старичок, где можно вести исследования ограниченного диапазона. И уж тем более ВЭПП-2000 с энергией всего-то около 1 ГэВ.
Мне придется тут слегка задержаться и пояснить, что такое ГэВ и почему это много. Если мы возьмем два электрода и подадим на них разность потенциалов в 1 вольт, а потом пропустим заряженную частицу между этими электродами, она приобретет энергию в 1 электронвольт. От более привычного нам джоуля ее отделяет аж 19 порядков: 1 эВ=1.6*10 -19 Дж.
Чтобы получить энергию в 1 ГэВ, нужно на длине пролета электрона создать ускоряющее напряжение в 1 гигавольт. Чтобы получить энергию БАКа, приходится создать напряжение в 200 гигавольт (гига — это миллиард вольт, 10 9 или 1 000 000 000 вольт). Ну, сами представляйте дальше, что для этого нужно. Достаточно сказать, что питание LHC (БАКа) обеспечивает одна из французских АЭС, расположенных неподалеку.
21. Ускоритель ВЭПП-2000 – модернизация предыдущего ускорителя ВЭПП-2М. Отличие от предыдущего варианта - в большей энергии (до 1 ГэВ) и реализованная идея так называемых круглых пучков (обычно пучок похож скорее на ленту, чем на что либо еще). В прошлом году ускоритель начал свою работу после долгого периода реконструкции.
23. Пультовая ВЭПП-2000.
24. Пультовая ВЭПП-2000. Над столом - схема ускорительного комплекса.
25. Бустер электронов и позитронов БЭП для ВЭПП-2000
Чем берет ИЯФ в этой области? Высочайшей точностью своих исследований. Дело в том, что жизнь устроена так, что все более легкие частицы дают свой вклад в рождение более тяжелых, и чем точнее мы знаем их массу-энергию, тем лучше знаем и вклад в рождение даже бозона Хиггса. Вот этим ИЯФ и занимается – получает супер-точные результаты и исследует разные редкие процессы, для «вылавливания» которых нужна не просто установка, а много-много хитрости и ловкости от исследователей. Мозгами, короче, берет, чем еще-то? И в этом смысле хорошо выделяются все три ИЯФовских детектора – КМД, СНД и КЕДР (у него нет расшифровки названия)
26. СНД – сферический нейтральный детектор, позволяющий регистрировать частицы, не имеющие заряда. На снимке он близок к окончательной сборке и началу работы.
Самый большой из наших детекторов — КЕДР. Недавно на нем завершили цикл экспериментов, позволивших измерить массу так называемого тау-лептона, который во всем аналог электрона, только намного тяжелее, и J/Psi – частицы, первой из частиц, где «работает» четвертый по массе кварк. И еще раз поясню. Всего кварков, как известно, шесть — у них очень красивые и даже экзотические названия, по которым называют частицы, куда они входят (скажем, «очарованная» или «странная» частицы означают, что в их состав входят соответственно charm и strange кварки):
Названия кварков не имеют никакого отношения к реальным свойствам разных вещей — произвольная фантазия теоретиков. Данные в кавычках названия являются принятыми русскоязычными переводами терминов. Я к тому, что нельзя «прелестный» кварк назвать красивым или прекрасным — терминологическая ошибка. Такие вот лингвистические сложности, хотя t-кварк часто называют попросту топ-кварк 🙂
Так вот, все частицы привычного нам мира состоят из двух самых легких кварков, доказательство существования остальных четырех — дело «рук» ускорителей на встречных пучках и детекторов. Доказать существование именно s-кварка было непросто, оно означало правильность сразу нескольких гипотез и открытие J/psi было выдающимся достижением, которое сразу показало огромную перспективность всего метода изучения элементарных частиц, а заодно открыло нам дорогу к изучению процессов, происходивших в мире во времена Большого Взрыва и происходящих сейчас. Масса «джи-пси» после эксперимента КЕДРа измерена с точностью, которую превышает только измерение масс электрона и протона с нейтроном, т.е. основных частиц микромира. Это фантастический результат, которым можно будет гордится еще долго, как детектору, так и ускорителю.
28. Это детектор КЕДР. Как видите, сейчас он разобран, это редкая возможность посмотреть, как он выглядит изнутри. Идет ремонт систем и модернизация после длительного периода работы, который обычно называется "заход на эксперимент" и длится обычно несколько лет.
29. Это детектор КЕДР, вид сверху.
31. Криогенная система детектора КЕДР, баки с жидким азотом, используемым для охлаждения сверхпроводящего магнита детектора КЕДР (он охлажден до температуры жидкого гелия, предварительно охлаждается до температуры жидкого азота.)
32. В кольце ВЭПП-4М
В области физики ускорителей дело обстоит лучше. ИЯФ – один из создателей коллайдеров вообще, т.е. мы уверенно можем считать себя одним из двух институтов, где этот метод родился почти одновременно (с разницей в единицы месяцев). У нас впервые встретились вещество и антивещество так, что с ними можно было проводить эксперименты, а не наблюдать это самое антивещество как нечто удивительное, с чем работать нельзя. Мы до сих пор предлагаем и пытаемся реализовать ускорительные идеи, которых еще нет в мире, а наши специалисты иногда не вылезают из зарубежных центров, готовых взяться за их реализацию (у нас это дорого и долго). Мы предлагаем новые проекты «фабрик» – мощных ускорителей, которые могут «рождать» огромное количество событий на каждый оборот пучка. Одним словом, тут, в области ускорительной физики, ИЯФ может смело претендовать на Институт мирового класса, не потерявший своего значения все эти годы.
Новых установок у нас строится очень мало и делаются они долго. Скажем, ускоритель ВЭПП-5, который планировался как самый большой в ИЯФ, строился так долго, что морально устарел. При этом созданный инжектор настолько хорош (и даже уникален), что не использовать его было бы неправильно. Часть кольца, которую вы видите, сегодня планируют использовать уже не для ВЭПП-5, а для каналов перепуска частиц из форинжектора ВЭПП-5 в ВЭПП-2000 и ВЭПП-4.
33. Туннель для кольца ВЭПП-5, пожалуй, самое большое сооружение этого типа в ИЯФ на сегодняшний день. По размерам он таков, что тут мог бы ездить автобус. Кольцо так и не построили из-за недостатка средств.
34. Фрагмент канала Форинжектор - ВЭПП-3 в туннеле ВЭПП-5.
35. Это подставки под магнитные элементы канала перепуска Форинжектор - ВЭПП2000 (каналы на сегодня еще только строятся.)
36. Помещение ЛИНАКа (линейного ускорителя) Форинжектора ВЭПП-5
37. На этом и следующем кадре - магнитные элементы Форинжектора
39. Линейный ускоритель Форинжектора ВЭПП-5. Дежурный по комплексу и ответственное за посетителей лицо ожидают окончания фотосъемки
40. Накопитель-охладитель Форинжектора, куда электроны и позитроны из ЛИНАКа попадают для дальнейшего ускорения и изменения некоторых параметров пучка.
41. Элементы магнитной системы накопителя-охладителя. Квадрупольная линза в данном случае.
42. Многие гости нашего Института ошибочно полагают, что 13-е здание, где расположены ускорители ВЭПП3, 4, 5 очень маленькое. Всего два этажа. И они ошибаются. Это дорога вниз, на этажи, находящиеся под землей (так проще делать рад.защиту)
Сегодня ИЯФ планирует создание так называемой c-tau (це-тау) фабрики, которая может стать самым крупным проектом в фундаментальной физике России за последние десятилетия (если мегапроект будет поддержан Правительством России), ожидаемые результаты без сомнения будут на уровне лучших мировых. Вопрос, как всегда, в деньгах, которые Институт вряд ли сможет заработать сам. Одно дело – поддерживать текущие установки и очень медленно делать новое, другое – конкурировать с исследовательскими лабораториями, получающие полноценную поддержку своих стран или даже таких объединений, как ЕС.
В области физики плазмы дело обстоит несколько более тяжелым образом. Это направление не финансировалось десятилетиями, оттуда произошел мощный отток специалистов за рубеж, и все же физика плазмы у нас тоже может найти, чем похвастаться.В частности, оказалось, что турбулентность (завихрения) плазмы, которые должны бы были разрушать ее стабильность, иногда напротив, помогают удерживать ее в заданных границах.
43. Две главные установки физики плазмы - ГОЛ-3 (на снимке, сделанном с уровня кран-балки здания) и ГДЛ (ниже будет)
44. Генераторы ГОЛ-3 (гофрированная открытая ловушка)
45. Фрагмент ускорительной структуры ГОЛ-3, так называемый пробкотрон.
Зачем на плазме ускоритель? Все просто — в задаче получения термоядерной энергии есть две главных проблемы: удержание плазмы в магнитных полях хитрой структуры (плазма — это облако заряженных частиц, которые норовят растолкнуться и расползтись в разные стороны) и ее быстрый разогрев до термоядерных температур (представьте — вы чайник до 100 градусов греете несколько минут, а тут надо за микросекунды до миллионов градусов). Обе задачи в ИЯФ попытались решить методами ускорительных технологий. Результат? На современных ТОКАМАКах давление плазмы к давлению поля, которое можно удержать составляет максимум 10%, в ИЯФ на открытых ловушках — до 60%. Что это означает? Что в ТОКАМАКе нельзя осуществить реакцию синтеза дейтерий+дейтерий, там можно использовать только очень дорогой тритий. В установке типа ГОЛ можно было бы обойтись дейтерием.
46. Надо сказать, что ГОЛ-3 выглядит как нечто, созданное то ли в далеком будущем, то ли просто притащенное инопланетянами. Обычно на всех посетителей производит совершенно футуристическое впечатление.
А теперь перейдем к другой плазменной установке ИЯФ — ГДЛ (газодинамическая ловушка). С самого начала эта ловушка плазмы не ориентировалась на термоядерную реакцию, она была построена для изучения поведения плазмы.
50. ГДЛ довольно маленькая установка, так что влазит в один кадр целиком.
У физики плазмы есть и свои мечты, они хотят создать новую установку — ГДМЛ (м — многопробочная), разработка ее началась в 2010 году, ну, а когда закончится — никто не знает. Кризис влияет на нас самым существенным образом — наукоемкие производства сокращаются первыми, а с ними и наши заказы. При наличии финансирования, установку можно создать за 4-6 лет.
В области СИ мы (я про Россию) отстаем от всей развитой части планеты, скажем честно. В мире источников СИ огромное количество, они лучше и мощнее наших. На них проводятся тысячи, если не сотни тысяч работ, связанных с изучением всего – от поведения биологических молекул до исследований физики и химии твердого тела. Фактически это мощный источник рентгеновских лучей, который никак иначе не получить, так что все исследования, связанные с изучением структуры вещества – это СИ.
Однако жизнь обстоит так, что в России есть всего три источника СИ, причем два сделаны у нас, а один мы помогали запускать (один в Москве находится, еще один в Зеленограде). И только один из них постоянно работает в режиме эксперимента – это «старый добрый» ВЭПП-3, который построен тыщу лет назад. Дело в том, что мало построить ускоритель для СИ. Важно еще построить оборудование для СИ-станций, а вот этого-то больше нигде и нет. В результате многие исследователи западных наших регионов предпочитают прислать представителя «на все готовенькое», чем тратить огромные средства на создание и развитие СИ-станций где-нибудь в Подмосковье.
55. В кольце ВЭПП-3
56. Это вид на комплекс ВЭПП-4 с высоты птичьего полета или точнее третьего этажа "антресолей". Прямо внизу бетонные блоки рад.защиты, под ними – ПОЗИТРОН и ВЭПП-3, далее – голубоватое помещение – пультовая комплекса, откуда осуществляется управление комплексом и экспериментом.
57. "Начальник" ВЭПП-3, один из старейших физиков-ускорительщиков ИЯФ и страны – Мишнев Святослав Игоревич
В ИЯФе на почти 3000 человек научных сотрудников всего чуть более 400, считая с аспирантами. И вы же все понимаете, что у станка стоит не научный сотрудник, а чертежи на новые ускорительные кольца тоже делают не аспиранты со студентами. В ИЯФ большое количество инженерно-технических работников, куда входит и огромный конструкторский отдел, и технологи, и электрики, и радиоинженеры, и… еще десятки специальностей. У нас большое количество рабочих (около 600 человек), механиков, лаборантов, радиолаборантов и еще сотни других специальностей, о которых я иногда даже не догадываюсь, ибо это никого особо не интересует. Кстати, ИЯФ – одно из тех редких предприятий страны, которое ежегодно проводит конкурс молодых рабочих – токарей и фрезеровщиков.
62. Производство ИЯФ, один из цехов. Оборудование большей частью устаревшее, современные станки находятся в цехах, в которых мы не были, находящихся в Чемах (есть такое место в Новосибирске, рядом с т.н. НИИ систем). В этом цеху станки с ЧПУ тоже есть, просто в кадр не попали (это ответ на некоторые реплики в блогах.)
Мы – ияфовцы, мы – единый организм и это главное у нас в Институте. Хотя очень важно, конечно, что возглавляют весь технологический процесс физики. Они не всегда понимают детали и тонкости работы с материалами, однако они знают, чем все должно закончится и помнят, что маленький сбой где-то у рабочего на станке приведет к тому, что встанет многомиллионнодолларовая установка где-нибудь у нас, или в мире. И поэтому какой-нибудь зеленый студент может даже не понять объяснений инженера, но на вопрос «можно ли это принять» будет отрицательно мотать головой, точно помня, что ему вынь да положь точность в пять микрон на базе метра, иначе кранты его установке. И уж дальше задача технологов и инженеров придумать, как же ему, злодею, обеспечить то его немыслимые требования, которые идут вразрез со всем, что у нас обычно делается. Но придумывают и обеспечивают, и вкладывают при этом немыслимо много ума и изобретательности.
63. Озадаченный ответственный за электрохозяйства комплекса ВЭПП-4М Жмака Александр Иванович.
64. Этот зловещий кадр снят просто в одном из зданий Института, в том самом, где расположены ВЭПП-3, ВЭПП-4 и форинжектор ВЭПП-5. И означает просто-напросто тот факт, что ускоритель работает и представляет из себя некоторую опасность.
67. 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.
68. Подземные переходы между корпусами института
Спасибо Elena Elk за организацию фотосъемки и подробные рассказы об установках.
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
Ученые из Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, вместе со своими российскими и зарубежными коллегами работают над созданием первого в мире термоядерного реактора ИТЭР, который станет важнейшим шагом к термоядерной энергетике будущего. Основной элемент ИТЭР – токамак, замкнутая магнитная установка для удержания плазмы. Сегодня в ИЯФ разрабатывается новый формат альтернативного варианта магнитных ловушек – установок открытого типа. Новая винтовая ловушка СМОЛА по показателям удержания плазмы теоретически должна не уступать топовым токамакам. Эксперименты, которые должны подтвердить расчеты ученых, начнутся в конце 2017 г.
Ученые серьезно задумались об управляемом термоядерном синтезе после испытания первой водородной бомбы, и первой задачей было «приручить» высокотемпературную плазму. Другими словами, добиться определенных параметров температуры, плотности и времени ее удержания.
Если на Солнце плазму удерживает гравитационное поле, то на Земле решили работать с магнитным: советские физики А.Д. Сахаров и И.Е. Тамм в 1950 г. выдвинули идею создания термоядерного реактора на основе принципа магнитного удержания и предложили концепцию замкнутой магнитной ловушки. Так появился токамак – тороидальная камера с магнитными катушками, или, по-простому, «бублик» с током. Работы по созданию токамаков возглавил Л.А. Арцимович, руководитель советской программы по управляемому термоядерному синтезу с 1951 г.
Конфигураций «закрытых» ловушек было разработано несколько, но именно на токамаке Т-3 в московском Курчатовском институте были получены первые, ошеломительные для того времени результаты – плазма с температурой свыше 10 млн градусов по Цельсию. Эти результаты были доложены в Новосибирске на Международной конференции по управляемому термоядерному синтезу в 1968 г., а токамаки с тех пор стали основой мировой термоядерной программы.
Впрочем, сказать, что «победили» именно токамаки, нельзя, пока не существует промышленных термоядерных станций. Сегодня активно исследуются и запускаются стеллаторы , предложенные еще в 1951 г. американцем Л. Спитцером, которые также относятся к замкнутым магнитным ловушкам, а также ловушки открытого типа.
Открытые магнитные ловушки для плазмы – это альтернативное решение. В этих простых по геометрии устройствах плазма удерживается в определенном «продольном» объеме, причем для предотвращения ее вытекания по силовым линиям магнитного поля используются разные способы, такие как магнитные «пробки» и специальные расширители. Концепция открытой магнитной ловушки была предложена в 1953 г. независимо двумя учеными – Г. И. Будкером (СССР) и Р. Постом (США). Через шесть лет справедливость этой идеи была подтверждена в эксперименте С. Н. Родионова, сотрудника только что созданного в новосибирском Академгородке Института ядерной физики СО АН СССР. С тех пор ИЯФ является лидером в проектировании, строительстве и экспериментах с ловушками открытого типа.
Конечно, современные установки новосибирских ученых – экспериментальные, т.е. небольшие, импульсные. Но теоретически этот тип открытых ловушек перспективен для использования в промышленном термоядерном реакторе, так как они имеют ряд потенциальных преимуществ по сравнению с замкнутыми: более простое инженерное решение, большая эффективность использования энергии магнитного поля, т.е. более высокая экономичность, к тому же многие из этих устройств могут работать в стационарном режиме.
Сегодня группа физиков из плазменных лабораторий ИЯФ работает над свежей идеей: использовать для подавления продольных потерь плазмы из открытой ловушки магнитное поле с винтовой симметрией, позволяющее управлять вращением плазмы. Для проверки этой концепции создается экспериментальная установка СМОЛА (Спиральная Магнитная Открытая Ловушка ).
О том, что из себя представляет открытая винтовая ловушка, в чем ее отличие от «прародителей» и каких результатов ждут ученые от будущих экспериментов, рассказал научный сотрудник ИЯФ СО РАН, к.ф.-м.н. Антон Судников.
«Глобальная идея такая – сделать следующий шаг в изучении удержания плазмы, в улучшении конфигурации открытых ловушек. Может показаться, что это шаг в сторону – потому что весь мир сегодня работает с ловушками замкнутой конфигурации. Но это все то же направление – физика плазмы, и мы хотим экспериментально доказать преимущества открытых форм.
В открытых ловушках силовые линии магнитного поля не замкнуты, и плазма удерживается посередине. А на концах установок, вдоль силовых линий плазма может вытечь – наша задача уменьшить этот поток.
Для уменьшения потерь ставят магнитные пробки, т.е. резко усиливают силу магнитного поля на концах устройства. В газодинамической ловушке ГДЛ таким способом удается очень сильно сузить «горлышки» бутылки, из которой истекает плазма, но полностью избежать потерь нельзя.
В гофрированной ловушке ГОЛ с каждой стороны стоит не одна магнитная пробка, как в ГДЛ, а несколько в зависимости от конфигурации (например, в уже разобранном ГОЛ-3 было около 50 пробок, а в строящемся ГОЛ-NB – по 14 на каждом конце), благодаря чему плазма не просто течет через гладкую трубу, а как бы трется о гофрировку магнитного поля. Из-за силы трения скорость потока получается ниже сверхзвуковой, а значит, и потерь будет меньше. Так как расстояние между пробками жестко задано, сделать их бесконечно близкими нельзя, но можно увеличить длину этих многопробочных секций, что улучшает параметры удержания плазмы.
Чтобы уменьшить истечения плазмы, такие многопробочные секции следует в прямом смысле слова двигать к центру. При этом сама плазма будет «стоять», а вдоль нее «пролетать» магнитные пробки, создавая силу трения и увлекая вещество за собой. Идея двигать пробки возникла одновременно с самой идеей многопробочной ловушки. Но в то время задачу посчитали невыполнимой и нерентабельной, ведь чтобы создать такое бегущее поле, нужна невероятная мощность.
Идея обмануть вещество, создать такую конфигурацию стационарного магнитного поля, чтобы плазме «казалось», что оно движется к центру, возникла в конце 2012 г. Как известно, плазма в открытой ловушке всегда вращается, и есть задачи, когда ее нужно целенаправленно вращать. Вопрос только в том, можно ли это вращение использовать для чего-то еще.
Идея состояла в том, чтобы создать магнитное поле в виде винта. Представьте себе шнек мясорубки, который крутит измельченное мясо в нужном направлении. У нас аналогично с двух сторон от центрального отсека с плазмой создается винтовая нарезка поля, но при этом разная – с правым и левым винтом. С одной стороны, магнитное поле тащит плазму влево, с другой – вправо. Таким образом обе эти концевые секции закачивают плазму обратно. Конечно, полностью избавиться от потерь при этом нельзя – когда поток плазмы слабеет, частицы друг с другом даже не сталкиваются. Но если нам удалось сделать поток таким редким, значит, мы на порядок, а то и на два выиграли по параметрам удержания.
Эта концепция позволяет создать установку, которая по своим характеристикам может быть сравнима с нынешними топовыми токамаками. Сложность только в том, что пока эта идея – теоретическая. Но уже осенью 2017 г. мы заканчиваем сборку установки СМОЛА и наступает новый этап – экспериментальный.
Для нашего уникального эксперимента нужно не так уж и много: одной винтовой магнитной пробки, узла, где создается плазма, и ее приемника, а также расширителя, вытягивающего вещество в магнитное поле. Пока мы работаем над созданием источника плазмы со строго определенными характеристиками, чтобы наши теоретические расчеты подтвердились экспериментом.
Если удастся доказать, что несмотря на технические сложности, винтовая форма открытой магнитной ловушки дает существенный выигрыш, то в устройства следующего поколения, которых в ИЯФ, будут встраиваться наши винтовые секции. Уже сейчас мы видим тот путь, который хотим пройти, дорожную карту своей работы, как и практические применения нашей технологии.
Винтовые ловушки могут использоваться как нейтронные источники для исследования поведения материалов при контакте с плазмой, создания подкритичных (неспособных самостоятельно поддерживать ядерную реакцию) реакторов, но в первую очередь для строительства «обычных» АЭС. Некоторые конфигурации винтовых ловушек увеличивают скорость потока плазмы до 100 км/сек, что служит необходимым условием для двигателей космических кораблей, транспортирующих спутники с геосинхронной орбиты на, к примеру, орбиту Луны.
Через одно-два поколения открытых ловушек можно будет говорить о создании полноценных реакторов, причем работающих на бестритиевых топливах, например, с использованием реакции синтеза дейтерий-дейтерий. Токамаки же работают с реакцией дейтерий-тритий, из-за чего возникает серьезная проблема радиоактивного потока нейтронов. Поэтому так много внимания в проекте ИТЭР уделяется созданию сверхпрочных материалов и мощной биозащиты. Реакция синтеза двух атомов дейтерия порождает меньше нейтронов, с которыми теряется энергия, и сопровождается меньшей радиоактивностью.
Преимущество термоядерной реакции синтеза дейтерий-тритий в том, что человечество уже получает с ее помощью плазму. Чтобы стала возможна другая, более энергетически выгодная реакция, требуются намного большие температуры, плотность и время удержания плазмы, но таких технологий еще не создано.
Впрочем, говорить о безнейтронных реакторах как о далеком будущем тоже не стоит. На открытой ловушке с улучшенным удержанием плазмы можно теоретически достичь параметров, необходимых для реакции дейтерий-дейтерий, тогда как экспериментально доказано, что на токамаках для этого есть серьезные ограничения.
Естественно, нашу модель еще нужно проверять, оптимизировать, требуется большая опытно-конструкторская работа. Но уже сейчас ясно, что это начало интересной научной истории, в конце которой нас ожидают результаты, которые могут оказаться очень важными для термоядерной энергетики будущего».
Подготовила Татьяна Морозова, редактор Л. Овчинникова
Работа поддержана грантом РНФ 14-50-00080 «Развитие исследовательского и технологического потенциала ИЯФ СО РАН в области физики ускорителей, физики элементарных частиц и управляемого термоядерного синтеза для науки и общества»