Будкеровский институт - под таким названием известен в мире новосибирский Институт ядерной физики - особо представлять не надо: самый большой в системе РАН, признанный лидер и основоположник многих направлений в области физики и техники ускорителей, физики элементарных частиц и термоядерных исследований, экспериментов с использованием синхротронного излучения, непременный участник практически всех крупных международных коллабораций по этим тематикам. На таких китах держится российская наука.
- Прозорливость Российского научного фонда, создавшего инструменты для поддержки именно институтов, а не только отдельных лабораторий, подразделений или тематик, трудно переоценить, - считает директор ИЯФ академик Павел Логачев. - По большому счету, государству нужен от науки скорый и значительный эффект во всех сферах жизни - в создании высоких технологий и, соответственно, высокотехнологичных рабочих мест, в развитии компетенций, в увеличении производительности труда. Причем все достижения должны найти отклик в системе образования и в конечном итоге привести к повышению интеллектуального уровня населения страны. Именно такие задачи комплексно решаются в рамках больших организаций. Наш институт лидирует в мире по многим позициям, мы умеем делать то, чего никто не умеет, причем такие центры уникальных компетенций имеются во всех направлениях нашей деятельности. А научное единство всех этих направлений проявляется в уникальности структуры, в творческой атмосфере, заложенной с самого основания Г.И.Будкером: в институте фактически отсутствуют внутренние перегородки, самыми сильными связями являются горизонтальные. В научную структуру института интегрировано экспериментальное производство, что позволяет реализовывать новые проекты, строить новые установки, развивать новые технологии по всем институтским тематикам и совместными усилиями решать задачи, которые никто до нас не решал. На поддержку всего этого многообразия и направлен грант РНФ. И важность такой поддержки в том, что именно большой институт является устойчивым образованием, в рамках которого может развиваться современная наука.
Какие же дисбалансы могут быть в столь масштабной организации?
- Мы насчитали четыре, - поясняет заместитель директора кандидат физико-математических наук Алексей Васильев. - Во-первых, несоответствие высокого уровня научных результатов количеству публикаций. И, во многом благодаря гранту, нам удалось убедить сотрудников в том, что если результат получен - святая обязанность руководителя эксперимента его опубликовать. Заявленный план по количеству публикаций по гранту (около 70 в год) мы полностью выполняем, а по отдельным направлениям - перевыполняем. Во-вторых, высокая фактическая квалификация сотрудников не всегда подтверждалась формально. Проще говоря, некоторые не утруждали себя написанием диссертаций. И здесь удалось переломить ситуацию: так, в 2016 году число защит выросло на 20%. Третий дисбаланс - определенный информационный вакуум, отсутствие стремления рассказать и обществу, и власти, и бизнесу о наших достижениях. Мы стали гораздо более активно работать в этом направлении, создали пресс-службу, регулярно проводим пресс-конференции, знакомим журналистов с нашими работами и результатами, вышли в социальные сети. В итоге ИЯФ не только стал одним из лидеров в системе ФАНО по числу упоминаний в прессе, но и более узнаваем в обществе. И наконец, еще один дисбаланс, правда, не вполне институтский: несоответствие имеющихся в ИЯФ возможностей для проведения совместных исследований с российскими и зарубежными учеными уровню социальной инфраструктуры Новосибирского академгородка. Кое-что для исправления ситуации мы пытаемся сделать силами сотрудников: создан жилищно-строительный кооператив “Бозон”, идет подготовка к строительству жилья, более 100 сотрудников смогут обзавестись новыми квартирами. Однако для развития инфраструктуры в комплексе нужно объединить усилия и академического руководства, и местных властей, и бизнеса, иначе мы не сможем создать привлекательную среду, необходимую для современных международных научных центров. Что касается таких показателей, как привлечение молодежи и коммерциализация разработок, то по ним традиционно идет перевыполнение. Доля молодых, в возрасте до 39 лет, научных работников в институте растет и уже достигла 50%. Объем научных исследований и разработок, выполненных институтом в 2016 году, превысил 2,7 миллиарда рублей, что на 30% выше плановых значений, причем среди заказчиков преобладают российские организации.
Показатели - вещь наглядная, однако хочется пояснить, что именно делает Институт ядерной физики для науки и общества.
- Важнейшая стратегическая задача нашего института - обеспечение мирового уровня тех мегапроектов, которые приняты к реализации в Российской Федерации, - убежден директор. - Наши уникальные компетенции могут существенно помочь нашим друзьям и коллегам при строительстве установки NICA в Дубне, реактора PIK и источника синхротронного излучения четвертого поколения в Курчатовском институте. И самое главное, на базе института запланирована реализация отдельного мегапроекта - строительство Супер С-тау фабрики, достаточно большого 800-метрового ускорителя для экспериментов со столкновением встречных пучков электронов и позитронов. Целью проекта является обнаружение и изучение явлений и процессов, выходящих за рамки Стандартной модели. Проект Супер С-тау фабрики постепенно становится частью международной программы исследований в области физики высоких энергий.
- Институт ядерной физики, наряду с лабораториями Стэнфорда и Принстона (США) и лабораторией ядерных исследований во Фраскати (Италия), является местом рождения метода встречных электрон-позитронных пучков, - рассказывает Евгений Левичев, заместитель директора ИЯФ по научной работе, доктор физико-математических наук, руководитель направления “Технологии пучков заряженных частиц для фундаментальных и прикладных применений”. - Практически сразу стали строиться ускорители для изучения физики элементарных частиц. Собственно говоря, есть два пути развития ускорительной техники. Первый экстенсивный: увеличиваем энергию столкновения, что автоматически требует увеличения размера установки. Самый большой коллайдер из когда-либо существовавших назывался ЛЭП и работал в ЦЕРН. Установка позволила исследователям получить пару нобелевских премий. Следующий экстенсивный проект планируется опять же в ЦЕРН - это циклический ускоритель FCC (кольцевой тоннель периметром от 80 до 100 километров) для продолжения исследований “пойманного” бозона Хиггса. ИЯФ принимает участие в этих работах. Но, естественно, реализация таких проектов требует объединенных усилий не только многих институтов, но и многих стран. Что касается интенсивного пути, то за всю историю развития ускорительных технологий прорывов было не так много: во-первых, переход от слабой фокусировки к сильной, во-вторых, осознание, как правильно сформировать место встречи пучков, чтобы получить максимальную светимость, и, наконец, новая инновационная технология встречи пучков - Crab Waist, придуманная нашими итальянскими коллегами в 2006 году и обоснованная с участием сотрудников ИЯФ. Новый - очень элегантный и красивый - метод позволяет увеличить светимость встречных пучков в 100 раз. Пока были проверены лишь отдельные составляющие этого подхода. Но испробовать технологию в комплексе будет возможно в случае строительства нашей Супер С-тау фабрики. Мы предложили руководству ЦЕРН использовать этот метод и на FCC, и в конце концов они согласились. Так что теперь наши работы для ЦЕРН автоматически обеспечивают подготовку к реализации собственного мегапроекта. Конечно, установку стоимостью в 300-500 миллионов евро за счет гранта РНФ не построишь, но мы постарались потратить полученные деньги на подготовку некоторых критически важных позиций. Никто никогда такого проекта не делал, есть много нетривиальных и уникальных систем и элементов. В частности, высокочастотные устройства для ускорения пучка - так называемые клистроны. Сегодня их производят только в США и Японии. Во-первых, это очень дорогостоящие изделия. Во-вторых, очередные санкции могут привести к тому, что нам их просто откажутся продавать. И мы решили на средства гранта разработать собственную, более дешевую и эффективную технологию производства клистронов, чтобы затем наладить выпуск на российских предприятиях. К концу года все составляющие клистрона должны выйти из цеха, и мы начнем собирать макет для испытания в деле. Кстати, этим работы нашего института в области импортозамещения не ограничиваются: проект Супер С-тау фабрики столь масштабен, что наше экспериментальное производство просто не справится с изготовлением всего необходимого оборудования. Поэтому институт активно развивает сотрудничество и кооперацию с высокотехнологическими предприятиями и исследовательскими институтами, в том числе оборонного сектора.
- Поддержка РНФ дает свои плоды: мы двигаемся вперед по всем направлениям, - добавляет академик Логачев. - Если говорить о результатах 2016 года, нам удалось ввести в эксплуатацию новый инжекционный комплекс. В рамках уже другого выигранного гранта (грант Минобрнауки на поддержку уникальных установок) исследуем возможность увеличения его интенсивности в десять раз, что необходимо для обеспечения работ на Супер С-тау фабрике. Однако и существующие параметры инжекционного комплекса позволили вывести наши эксперименты по физике элементарных частиц на коллайдерах ВЭПП-4М и ВЭПП-2000 на совершенно новый уровень: мы значительно увеличили скорость набора статистики и, соответственно, подняли качество наших физических результатов, которые очень востребованы в этом секторе науки в мире.
Институт ядерной физики СО РАН занимается лазерами на свободных электронах (ЛСЭ) более 40 лет. После создания в США в 1976 году первого ЛСЭ интерес к этим приборам резко возрос, так как в отличие от обычных лазеров ЛСЭ могут генерировать электромагнитное излучение в диапазоне длин волн от 0,1 нм (рентгеновское излучение) до
1 мм, что открывает широкие возможности для их применения в химии, биологии, физике твердого тела. Лазер на свободных электронах представляет собой сложный источник излучения, начинающийся с так называемой “электронной пушки” (упрощенный аналог такой пушки - электронно-лучевая трубка телевизоров прежних поколений). Генерируемые там электроны после ускорения до нужной энергии проходят сквозь ряд расположенных специальным образом магнитов - ондулятор, заставляющий электроны двигаться по синусоидальной траектории, где происходит преобразование части энергии электронного потока в свет. Весной 1977 года академик Александр Скринский и Николай Винокуров (тогда еще стажер-исследователь) предложили вставить в середину ондулятора магнитный группирователь для увеличения усиления света. Получившаяся магнитная система - оптический клистрон - использовалась во всех ЛСЭ на электронных накопителях.
- С 1985 года в ИЯФ ведутся работы по созданию мощного лазера на свободных электронах, - рассказывает член-корреспондент РАН Николай Винокуров, заведующий лабораторией ИЯФ, руководитель направления “Развитие и использование источников электромагнитного излучения на базе релятивистских электронных пучков”. - Сначала мы сделали первый в мире лазер на свободных электронах в ультрафиолетовом диапазоне. Когда программа наших экспериментов на нем была исчерпана, установку разобрали, а разработанные и сделанные в ИЯФ оригинальные ондуляторы ультрафиолетового ЛСЭ продали в Университет Дюка (США). Там они - после многочисленных улучшений, сделанных с помощью ИЯФ, - очень долго использовались для генерации гамма-квантов высокой энергии. ЛСЭ Университета Дюка, для которого мы позднее сделали более сложные ондуляторы с изменяемой поляризацией, тоже является рекордным (лучшим в мире) в своем классе. (Пример, достойный особого внимания, - не так часто американские университеты покупают у России бывшее в употреблении оборудование. - О.К.). Потом начался долгий процесс создания терагерцового (субмиллиметрового) ЛСЭ. Субмиллиметровый участок спектра был выбран, во-первых, как наименее освоенный, во-вторых - из финансовых соображений. Строительство нашей установки обошлось примерно в 20 миллионов долларов, а создание запущенного в апреле 2009 года в Стэнфорде первого в мире рентгеновского лазера на свободных электронах - в миллиард с лишним. (Стоит отметить, что наш собеседник принимал непосредственное участие в разработке ондуляторов для этого лазера. - О.К.). В 1990-х годах мы сделали ускоритель (микротрон) и ондулятор для компактного субмиллиметрового ЛСЭ Корейского института атомной энергии (Тэджон, Южная Корея), пустив полученные от заказа средства на создание мощного терагерцового ЛСЭ в Новосибирске.
Одна из тематик гранта РНФ - применение синхротронного излучения в рентгеновском диапазоне. Здесь предусмотрены два взаимосвязанных проекта - изучение применения микропучкового рентгеновского излучения для создания новой методики лечения раковых заболеваний и разработка для этих целей нового сверхпроводящего вигглера.
- Это, несомненно, положительный пример действия гранта РНФ, - подчеркивает Николай Александрович. - Была начата новая работа (ранее подобные исследования в России не проводились), мы сделали шаблоны, с помощью которых можно формировать тонкие пучки, в содружестве с биологами определили, какие нужны дозы, научились эти дозы измерять - существенная часть такой терапии, позволяющая понимать, какая именно доза действует наилучшим образом. Конечно, о том, чтобы завтра начать клинические испытания, речь не идет, мы занимаемся научно-исследовательской работой. Чтобы применять новые методы терапии, нужно иметь правильную аппаратуру, это наша часть работ, и мы существенно продвинулись в ее выполнении.
Кроме того, работа над проектом РНФ позволила улучшить параметры излучения Новосибирского лазера на свободных электронах: сделаны новые фокусирующие линзы, сверхпроводящий соленоид, что значительно повышает качество экспериментов на пользовательских станциях, где работают химики, физики, биологи из других институтов.
- Мы полностью ввели в эксплуатацию все три ЛСЭ нашего комплекса, что позволяет перекрыть очень широкий диапазон длин волн от 8 до 24 микрон с рекордными пиковой и средней мощностью, - добавляет директор ИЯФ. - Соответственно, открываются новые возможности для пользователей - можно ставить ранее недоступные в нашей стране эксперименты. ИЯФ играет роль открытой экспериментальной площадки для институтов СО РАН, тем самым поддерживая и объединяя наше исследовательское сообщество.
Стоит добавить, что давно обсуждается, но пока не воплощен проект электропитания спутников с Земли, а не от Солнца. Для обеспечения спутников мощным и стабильным источником энергии необходимо создать ряд установок на основе мощных ЛСЭ.
В конце 2013 года в Институте ядерной физики в экспериментах были получены рекордные параметры плазмы в открытой ловушке. Перейден принципиальный рубеж в 10 миллионов градусов и продемонстрировано, что потери тепла от прямого контакта плазмы со стенкой ловушки во много раз меньше, чем ожидалось. Линейные (открытые) системы принципиально отличаются от токамаков и стеллараторов - замкнутых магнитных ловушек, внешним видом напоминающих бублик. Для работы термоядерного реактора важны следующие параметры: плотность плазмы, температура ее нагрева и время удержания в ловушке. Сегодня по совокупности этих параметров лидируют токамаки, поэтому именно эта схема стала основой ИТЭР - крупнейшего международного проекта по созданию экспериментального термоядерного реактора в Кадараше (Франция). Прорыв ИЯФ возвращает в повестку дня вопрос об использовании открытых ловушек.
- В данный момент мы работаем над техническими проблемами, устраняем неустойчивость плазмы, появляющуюся при нагреве, - рассказывает Александр Иванов, заместитель директора ИЯФ по научной работе, доктор физико-математических наук, руководитель направления “Развитие фундаментальных основ и технологий термоядерной энергетики будущего”. - Улучшили сценарий эксперимента и готовимся к новой экспериментальной кампании, в которой попытаемся поднять температуру еще выше. Конечно, наша долговременная цель - повышение температуры до 100 миллионов градусов, что необходимо для создания термоядерного реактора. На сегодняшний день альтернативы проекту ИТЭР, в котором ИЯФ принимает самое активное участие, нет: это необходимый шаг к созданию термоядерного реактора в отсутствие систем, где бы осуществлялось длительное горение плазмы, неизвестно, что произойдет с материалами, из которых состоят стенки реактора. Все эти проблемы универсальны для любого типа плазменных ловушек. С другой стороны, стоит проблема испытания новых материалов для строительства стенок реакторов после ИТЭР. Для этого необходим мощный термоядерный источник нейтронов, созданием инженерного прототипа которого мы и занимаемся в рамках гранта РНФ. Полученная нами температура плазмы уже достаточна для работы нейтронного источника. Еще одно важное применение таких источников - сжигание радиоактивных отходов. Сейчас мы сооружаем прототипы подсистем установки. Параллельно наши молодые сотрудники (Алексей Аракчеев и другие) исследуют с помощью уже имеющихся в институте установок (источника синхротронного изучения и лазера на свободных электронах) поведение материалов, моделируя длительное воздействие раскаленной плазмы. За время “подступов” к термоядерному реактору энергетическая проблема несколько утратила остроту, в основном за счет применения энергосберегающих технологий, сегодня на первый план выходит создание так называемых гибридных систем по наработке топлива для ядерных станций, а в их основе лежит как раз плазменный источник нейтронов. Наш прототип на основе газодинамической ловушки после поверхностных улучшений вполне может быть использован для этих целей.
И наконец, в процессе работы над созданием нейтронного источника появляется очень много возможностей для приложения текущих результатов. Одна из них - использование ускорительного источника нейтронов для бор-нейтронозахватной терапии рака. Такие работы ведутся в рамках уже другого гранта Российского научного фонда.
Четверть века назад ИЯФ приступил к работам по созданию нового поколения детекторов для экспериментов на установках ВЭПП-2М, ВЭПП-4М, ВЭПП-2000. Ключевым и наиболее дорогим элементом детектора является калориметр - прибор, позволяющий измерить энергию и определить другие параметры частиц. Первое поколение калориметров работало на кристаллах йодистого цезия и германата висмута, и ИЯФ вместе с Институтом неорганической химии развил технологию производства кристаллов, что позволило создать уникальные калориметры для детекторов ИЯФ: НД-1, СНД-1, СНД-2, КМД-2, КМД-3, а также калориметры детектора BELLE для супер-B-фабрики в Японии и детектора WASA в Упсале (Швеция). В 1988 году в ИЯФ были начаты работы по калориметрии на основе сжиженных благородных газов. Впервые был разработан калориметр на основе жидкого криптона (детектор КЕДР), считавшегося до этого непригодным для использования в детекторах из-за собственной радиоактивности. Сибирские физики решили эту задачу. Одним из самых знаменитых детекторов, в строительстве которых принимал участие институт, стал ATLAS в ЦЕРН - именно с его помощью “поймали” бозон Хиггса.
- От калориметра требуются фактически четыре параметра: предельное энергетическое разрешение, пространственное разрешение, временное разрешение и, наконец, радиационная стойкость, - поясняет Юрий Тихонов, заместитель директора ИЯФ по научной работе, доктор физико-математических наук, руководитель направления “Развитие калориметрических методов и разработка на их основе новых детекторов для фундаментальных исследований, медицины, систем безопасности и других высокотехнологичных применений”. По этим направлениям мы и ведем исследования. Работы по проекту РНФ я бы разделил на несколько подразделов: во-первых, изучаем и пытаемся улучшить характеристики кристаллов, которые уже широко применяются в калориметрии. Параллельно работаем над развитием электроники и совершенствованием существующих калориметров. В рамках гранта создан, например, тестовый пучок с великолепными характеристиками на нашей установке ВЭПП-4М: мы активно используем его для измерения параметров детекторов и новых разработок. Во-вторых, исследуем и совершенствуем калориметры на основе сжиженных благородных газов. На небольших установках изучаем возможность применения криогенных двухфазных детекторов для регистрации когерентного рассеяния нейтрино и темной материи. Темная материя выделяет очень мало энергии, но мы существенно продвинулись в создании двухфазного детектора. Он позволяет “вытянуть” возникшие при взаимодействии темной материи с веществом детектора электроны ионизации в газовую область и там усилить сигнал за счет люминесценции. Для поиска темной материи необходимы шахты с низким природным радиационным фоном. Поэтому эксперименты планируются в пещере под горой Гран-Сассо в Италии, и наш институт в них активно участвует. Еще одно направление - работы по созданию детекторов нового поколения на основе так называемых ортосиликатов. Эти кристаллы обладают более высокими параметрами, чем кристаллы йодистого цезия и германата висмута. Вместе с Институтом неорганической химии мы разрабатываем новую технологию выращивания таких кристаллов, скоро будут получены первые образцы высокого качества. Новые кристаллы востребованы не только в физике элементарных частиц, они позволят, в частности, создать позитрон-эмиссионные и компьютерные томографы с улучшенными свойствами.
***
Работы на передовых рубежах науки, новое развитие которым дал грант РНФ, позволяют Институту ядерной физики оставаться центром притяжения молодежи. В этом году среди студентов Новосибирского государственного университета, желающих попасть для дальнейшей специализации на совместные с ИЯФ кафедры, был нешуточный конкурс.
- Обилие молодежи радует, - улыбается Юрий Анатольевич Тихонов. - Я веду курс на физическом факультете и вижу, что ребята умные, подкованные, толковые. Следовательно, будет кому и дальше развивать институтский потенциал.
