«Завод по производству науки» — так однажды назвал Институт ядерной физики ученый из Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики В.А. Аринин. И неспроста. В далеком 1957 году, когда создавалось Сибирское отделение Академии наук СССР, в числе первых институтов формировался именно Институт физики.
Руководителем института стал Герш Ицкович Будкер — легендарная для отечественной науки фигура, уже в те годы автор многочисленных открытий и изобретений в области физики плазмы и физики ускорителей. Будкер был не только выдающимся физиком, но и прекрасным организатором. По словам нынешнего директора ИЯФ, Павла Логачева, Будкер понимал, что на обычных заводах невозможно делать то, чего никто никогда не делал — создавать буквально с нуля уникальные установки для науки. Нужна была специальная площадка и творческие люди, работающие по тем же принципам, что и научное сообщество в Институте ядерной физики — принципам равенства, ответственности и единства. Спустя десятилетия Институт продолжает разрабатывать источники синхротронного излучения, коллайдеры и другие установки не только для российской науки, но и в рамках международных проектов.
ИЯФ им. Г. И. Будкера СО РАН
Институт ядерной физики по сей день остается одним из ведущих мировых центров в области физики высоких энергий и ускорителей, физики плазмы и управляемого термоядерного синтеза. В Институте проводятся крупномасштабные эксперименты по физике элементарных частиц на электрон-позитронных коллайдерах и уникальном комплексе открытых плазменных ловушек, разрабатываются современные ускорители, интенсивные источники синхротронного излучения и лазеры на свободных электронах. Уникальные установки и оборудование Института составляют основу инфраструктуры для широкого спектра междисциплинарных научных и научно-технологических исследований, проводимых в созданных с участием Института центрах коллективного пользования: Сибирском Центре синхротронного и терагерцового излучения, Центре геохронологии кайнозоя, Центре радиационных технологий. Их возможностями ежегодно пользуются сотни организаций.
НАСЛЕДИЕ БУДКЕРА
В 50-е годы прошлого века Будкер предложил концепцию коллайдера — ускорителя элементарных частиц на встречных пучках, в котором частицы сталкиваются не с фиксированной мишенью, а с летящими им навстречу другими частицами. Это предопределило будущее развитие ускорительной техники и физики в целом. В последние десятилетия было создано много крупных установок, основанных на этом принципе. Например, предшественником Большого адронного коллайдера в европейском CERN был Большой электрон-позитронный коллайдер (Large Electron-Positron Collider — LEP), закрытый в 2000 году.
Сегодня ученые из Института ядерной физики работают с электрон-позитронным коллайдером ВЭПП-2000, разработка которого началась в 2000 году. Коллайдер ВЭПП-2000 стал своего рода младшим братом LEPа. Их отличает энергия частиц. Так, в европейском коллайдере энергия достигала 100 гигаэлектронвольт на пучок (суммарная энергия — 200 гигаэлектронвольт). У сибирского «коллеги» энергия достигает 2 гигаэлектронвольта.
Учёные из ИЯФ проверили существование 13-й частицы материи во Вселенной
Заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе Иван Борисович Логашенко: «ВЭПП-2000 — электрон-позитронный коллайдер, где сталкиваются пучки электронов и позитронов. Такие пучки представляют собой очень маленькие сгустки, длинной несколько сантиметров и тоньше человеческого волоса. Они летают в противоположных направлениях и сталкиваются в двух специальных местах столкновения — внутри детекторов КМД-3 и СНД. При столкновении рождаются новые частицы, которые фиксируются детекторами. Анализируя продукты столкновения пучков электронов и позитронов, мы изучаем то, как устроены законы природы на самых малых масштабах.
Коллайдеров во всем мире не так немного. Это очень редкий прибор. С помощью каждого из них изучаются единые физические законы, несмотря на разные используемые частицы: электроны, позитроны, протоны и другие. Особенность электрон-позитронных коллайдеров состоит в точности измерений. Тогда как протонные коллайдеры способны достигать самых высоких энергий».
Старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Андрей Алексеевич Шошин: «В чистой комнате мы работаем с кантователем для экваториального порта № 11 — одного из четырех диагностических портов ITER. Институт ядерной физики разрабатывает и интегрирует, то есть собирает разные диагностические элементы. Кантователь как раз позволяет собрать нужные части порта воедино. Сам корпус порт-плага — модуля, позволяющего разместить системы для диагностики параметров плазмы внутри реактора — сейчас изготавливается во Франции. В течение года его доставят сюда, а мы начнем сборку».
Советник дирекции ИЯФ СО РАН Александр Александрович Иванов: «Установка создана совместно с американской компанией Tri Alphа Energy (TAE). Она предназначена для нагрева плазмы в крупных термоядерных установках. Задача по нагреву плазмы до сотен миллионов градусов — достаточно сложная. Но нам удалось найти решение. Пучок из ионов водорода разгоняют до 14 тыс. км/с.
Так он с высокой эффективностью преобразуются в пучок быстрых атомов и входит в установку, где плазма нагревается до нужной температуры».
Заместитель директора по научной работе ИЯФ СО РАН Петр Андреевич Багрянский: «Мы занимаемся удержанием термоядерной плазмы в магнитных системах, похожих на бутылку. Идея заключается в том, чтобы удерживать плазму с давлением близким или превышающем давление магнитного поля. Такой подход позволяет создавать компактные установки, которые способны работать даже на альтернативных топливах, например, на дейтерии, запасы которого неисчерпаемы. А это путь к решению глобальной энергетической проблемы».
Старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Владимир Валерьевич Поступаев: «Установка по-настоящему уникальна. Это ловушка для удержания высокотемпературной плазмы. Впервые нам удалось объединить два разных принципа удержания плазмы. Есть основное центральное ядро — газодинамическая ловушка, в которой плазма будет нагреваться и удерживаться. К этой центральной ловушке пристыкованы две секции, формирующие сильное магнитное поле.»
По словам старшего научного сотрудника ИЯФ СО РАН Антона Судникова, установка напоминает шнек мясорубки, который крутит измельченное мясо в нужном направлении. С двух сторон от центрального отсека с плазмой создается винтовая нарезка поля, но сразу с двумя винтами — правым и левым. С одной стороны магнитное поле тащит плазму влево, с другой — вправо, буквально закачивая плазму обратно. Конечно, полностью избавиться от потерь при этом нельзя, тем не менее физики ИЯФ уже сильно продвинулись по параметрам удержания плазмы.
Старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Антон Вячеславович Судников: «Академик Арцимович говорил, что в 1958 году казалось, что до термоядерного синтеза достаточно пройти из точки А в точку Б. Потом оказалось, что нужно не идти, а ехать на велосипеде. Затем, что на велосипеде нужно ехать по канату, натянутому над пропастью. После оказалось, что велосипед одноколесный. И в конце концов, выяснилось, что нужно ехать с завязанными глазами. Поэтому здесь в ИЯФ мы едем с завязанными глазами над пропастью на одноколесном велосипеде.
Сама идея использования термоядерного синтеза для энергетики достаточно давняя. Уже проведено множество исследований, и чем дальше, тем ближе мы подходим к реализации этой идеи.
Нам удалось показать, что концепция использования магнитного поля с винтовой симметрией работает и доказывает ранее выдвинутую теорию».
Ведущий научный сотрудник ИЯФ СО РАН Сергей Юрьевич Таскаев: «В бор-нейтронозахватной терапии сначала накапливают бор в клетках опухоли, а затем её облучают потоком эпитепловых нейтронов. В результате поглощения нейтронов бором происходят ядерные реакции, которые убивают клетки. Это методика терапии нового уровня – дозу доставляют не в объём, где опухоль, а именно в клетки опухоли, где бы они не находились, щадя здоровые. Сделанный источник нейтронов на основе ускорителя заряженных частиц нового типа и литиевой мишени является ярким примером того, как усилия, знания, опыт, амбиции нескольких поколений сотрудников Института и международное научное сотрудничество воплотились в результат, нужный человечеству».
Ведущий научный сотрудник ИЯФ СО РАН Сергей Юрьевич Таскаев об установке для бор-нейтронозахватной терапии.
Впервые побывав в лабораториях Института ядерной физики, становится ясно, что здесь трудятся в том числе для будущих поколений. Все технологии опережают время, а установки, создаваемые в стенах института, приближают человечество к прогрессу не только в области физики, энергетики, но и медицины. Так что выражение «большой завод по производству науки» полностью себя оправдывает.
Источник: scientificrussia.ru
Стыдно не знать: 5 разработок ИЯФ, которые меняют мир
В мае Институт ядерной физики СО РАН отметит двойной юбилей — 60 лет со дня основания и 100 лет со дня рождения его основателя, академика Герша Будкера. Новосибирцы привыкли гордиться своими учёными, СО РАН и Академгородком, но лишь немногие понимают, что делают за стенами институтов. Обозреватель НГС пообщался с учёными ИЯФ и попросил их простыми словами рассказать о пяти самых важных разработках института за его 60-летнюю историю. О том, зачем физикам определять возраст коньяка, когда в Новосибирске будут облучать еду радиацией и что же такое коллайдер — в материале НГС.
Коллайдер
Для того чтобы исследовать элементарные частицы, нужно ускорять их и сталкивать. «Два паровоза когда сталкиваются, как меня учил Будкер на первой лекции, это помогает добраться до самых внутренних деталей паровоза — они просто разлетаются. И регистрируя эти части, ты можешь понять, как устроен паровоз», — привёл пример работы коллайдера академик РАН Василий Пархомчук.
Чтобы заставить провзаимодействовать электроны и позитроны, их разгоняют до очень большой энергии. При столкновении они исчезают, а вместо них рождаются новые [частицы]. Наблюдая этот процесс, ученые получают недоступную ранее информацию о строении частиц. Но главная цель — найти проявления Новой физики, то есть законов природы, которые еще неизвестны и которые могут перевернуть наше представление об окружающем мире.
Частицы разгоняют в коллайдере. В ИЯФ работает два электрон-позитронных коллайдера. Всего в мире их семь. Подобные, только большего размера, есть на границе Швейцарии и Франции, в ЦЕРНе — Европейской организации по ядерным исследованиям, где трудились и ияфовцы, и в других странах.
Ускорительный масс-спектрометр
Установка с таким сложным названием на самом деле выполняет интересную функцию — она позволяет определить возраст каких-либо объектов. Начиная с камней, минералов и деревьев и заканчивая произведениями искусства, останками людей, животных и даже коньяком. Единственное условие — они все должны содержать углерод.
Ускорительным масс-спектрометром пользуются археологи, почвоведы, геологи, историки и даже полицейские-криминалисты. В ИЯФе на УМС анализируют около тысячи образцов в год. Например, недавно физики проанализировали образец сосны из Академгородка. Пик концентрации радиоуглерода в биосфере пришёлся на кольца, которые соответствуют 60-м годам, когда в мире проводили наземные испытания ядерного оружия.
Возраст определяют по сохранившемуся углероду. «Есть кость, это была кость молодой бизонихи, мы кусочек этой кости выпилили, отнесли его на наш масс-спектрометр и начали анализировать. Оказалось, что C-14 (углерода. — К.Ш.) внутри очень мало. Это прошло 27 тысяч лет [назад]. Нашли её здесь, под Институтом ядерной физики», — рассказал Василий Пархомчук.
Перед началом исследования на УМС химики выделили из кусочка кости коллаген (белок), из которого получили углерод в графитоподобном состоянии. Именно его и поместили в барабан для анализа.
Такой способ датирования объектов археологи любят больше всего, потому что для этого нужно совсем небольшое количество исходного материала.
Ловушки для плазмы
В 50-х годах советские учёные, которые занимались исследованиями по созданию ядерного оружия, переключились на использование ядерной энергии в мирных целях. Так начались исследования в области управляемого термоядерного синтеза — синтеза тяжелых ядер из более лёгких.
Для того чтобы запустить эту реакцию, нужно нагреть плазму (высокоионизованный газ) до 100 миллионов градусов и выше, в то же время её плотность должна быть достаточно большой — только в этом случае КПД будет положительным. Для решения этих проблем создают экспериментальные термоядерные установки. Самый распространённый вариант — замкнутая ловушка типа токамак. Она представляет собой тороидальную — в виде бублика — камеру с магнитными катушками. Такие установки считаются наиболее перспективными, поэтому международный экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР, который строят сейчас во Франции, будет представлять собой именно токамак.
В Институте ядерной физики проводят исследования на другой конфигурации термоядерной установки — на открытых ловушках. Это незамкнутые системы для удержания плазмы. Идею создания таких установок впервые предложил Будкер ещё в начале 60-х годов. «Сейчас разработан концептуальный проект ловушки нового поколения — она может стать прообразом термоядерной электростанции, экологически безопасной и работающей. Но это долгий ещё путь: чтобы достичь этой цели, нужны экспериментальные проверки этих новых идей», — пояснил заместитель директора по научной работе Александр Бурдаков.
В России, как и в других странах, есть программы развития термоядерной энергетики, чтобы создать термоядерную электростанцию. Такие электростанции привлекательны, потому что не требуют ископаемого топлива, в отличие от других способов получения энергии. Но на пути к дешёвой и экологичной термоядерной электростанции ещё много проблем, которые и пытаются решить учёные.
Синхротронное излучение
Синхротрон — по сути, гигантский микроскоп. Он позволяет учёным наблюдать процессы, которые происходят внутри веществ, на очень маленьком, атомарном уровне. Синхротронное излучение, возникающее при движении заряженной частицы в магнитном поле по искривленной траектории, считают одним из самых востребованных приложений ускорительной техники.
Синхротронное излучение используют в разных областях науки, например в фармакологии. С его помощью химики смогли изучить молекулы висмута трикалиядицитрата — одного из самых эффективных средств против язвы желудка, и на его основе создать отечественный препарат, который скоро появится в аптеках.
В 70-х годах в мире было всего два синхротронных излучателя — в ИЯФ и в Стэндфордском университете в США, рассказал заместитель директора по научной работе Николай Мезенцев: «Сразу многие в то время исследователи потянулись сюда, к нам, — из Англии, Германии, Чехословакии, — проводили эксперименты. Мы в этом смысле были пионерами, и многие методики, которые здесь разработаны, они используются сейчас по всему миру, и все работают».
В скором времени в Академгородке могут сделать целый центр синхротронного излучения — об этом учёные попросили президента Владимира Путина, когда он приезжал в Новосибирск в феврале.
Промышленные ускорители
Одно из направлений, которым занимаются учёные ИЯФ и которое уже используют на производстве, — это промышленные ускорители. В 70-х годах Будкер поставил задачу: выйти на рынок промышленных ускорителей, которые уже существовали до этого, но были недостаточно мощные и надёжные.
Ускоритель — источник радиации, но его, в отличие от постоянных радиационных источников, можно включить и выключить, и он станет абсолютно безопасным, особенно для работы в сложных заводских условиях. Новые модели ускорителей стали применять для облучения проводов, которые после этого увеличивали срок своей службы и стали более стойки к перегревам и возгоранию.
Со временем стало возможным использовать эти установки для стерилизации медицинских изделий: халатов, масок, одноразовых шприцев. «Пластиковые шприцы невозможно обеззаразить кипячением или чем-то ещё. Радиационная стерилизация недостатков не имеет, потому что нет ничего чище электронов. Электроны сделали свою работу, проникли внутрь упаковки, убили все живые организмы и сами ушли. Никакой химии даже принципиально быть не может», — пояснил заведующий лабораторией Александр Брязгин.
Сейчас учёные ждут, когда законодательство полностью позволит использовать такие ускорители и для обработки пищевых продуктов: предполагается, что они исключат из состава продуктов консерванты и химические добавки и увеличат сроки хранения. Чтобы избежать возможных проблем с неграмотным применением радиации в пищевой промышленности, нужно дождаться, чтобы в технических регламентах и ГОСТах прописали все условия применения ионизирующего излучения для пищевых продуктов.
«Метод облучения пищевых продуктов мы сейчас по-другому называем, чтобы преодолеть радиофобию, — метод холодной электронной пастеризации», — отметил Брязгин. По его словам, это должно произойти ближайшие несколько лет.
СО РАН разнесло. Власти присоединят к Академгородку соседние районы — учёные заявили, что им нужны земли и дома.
Источник: ngs.ru