Новости

29 мая, 2015 18:23

Рекорды как норма. Интервью грантополучателей РНФ газете "Поиск"

Газодинамическая ловушка по удержанию плазмы. Фото: ftp.sbras.nsc.ru

Прошедший недавно конкурс Российского научного фонда, по итогам которого была оказана поддержка комплексным научным программам организаций, на многих произвел впечатление - и размером грантов, и количеством поданных заявок. И значимость победы была высока, ведь отобраны были всего 16 из них. Единственный грант по физике достался крупнейшему академическому институту - Институту ядерной физики СО РАН. Программа “Развитие исследовательского и технологического потенциала ИЯФ СО РАН в области физики ускорителей, физики элементарных частиц и управляемого термоядерного синтеза для науки и общества”, рассчитанная на 2015-2018 годы, была поддержана грантом в 650 миллионов рублей. Конечно, по меркам современной физики с ее многомиллиардными установками класса mega-science размер гранта не так уж велик, тем не менее он составляет около 10% институтского бюджета и дает возможность профинансировать новые исследовательские проекты. ИЯФ тратит деньги эффективно, с завидной периодичностью получая рекордные по точности, энергии пучка или другим параметрам результаты экспериментов. Мы попросили рассказать о работах, на которые выделяется грант, руководителей всех четырех направлений, представленных в победившей заявке.

Евгений ЛЕВИЧЕВ, заместитель директора ИЯФ по научной работе, доктор физико-математических наук, руководитель направления “Технологии пучков заряженных частиц для фундаментальных и прикладных применений”:
- Метод встречных электрон-позитронных пучков родился в 1960-е годы одновременно в трех местах: у нас, в Институте ядерной физики, в США - в лабораториях Стэнфорда и Принстона, и в лаборатории ядерных исследований во Фраскатти (Италия). Практически сразу стали строиться установки, которые теперь называются коллайдерами. Основная задача таких ускорителей - изучение физики элементарных частиц. 
В 1970-е годы в нашем институте была построена одна из самых лучших установок - ВЭПП-2М. Удачная оказалась машина - компактная, относительно недорогая, но несущая в себе массу идей и новых технологий, благодаря чему проработала 25 лет и позволила получить очень интересные результаты. Сегодня, когда финансирование науки осуществляется, если можно так выразиться, капельным образом, очень важно строить такие установки - небольшие, но обильно “политые” идеями. 
Наследник ВЭПП-2М, закончившей работу в 2000 году, - ВЭПП-2000. Сейчас это наш флагманский проект, с ним связаны основные планы исследований в области физики высоких энергий на ближайшее десятилетие. Еще есть в институте старый коллайдер ВЭПП-4М, его эффективность (светимость) достаточно мала, но он позволяет проводить эксперименты в широкой области энергии, поэтому ему ставились специальные задачи. Так, с его помощью мы научились с рекордной точностью, как никто в мире, измерять энергию пучков, а также реализовали программу экспериментов по измерению массы элементарных частиц с опять же рекордной точностью. Наши результаты вошли в главную книгу по физике частиц - Particle Data Groups. 
Естественно, мы работаем и на более масштабных установках, участвуем в международных коллаборациях - в ЦЕРН, например. Ближайшая задача, которая стоит перед Большим адронным коллайдером, - дальнейшее изучение бозона Хиггса, так как поймать-то его поймали, но тот ли это бозон? Вообще в физике элементарных частиц уже планируется переход на следующий уровень: год назад в ЦЕРН объявлено о создании нового проекта - целого комплекса коллайдеров будущего. Предполагается, что будет построен кольцевой тоннель периметром от 80 до 100 километров (для сравнения: периметр БАК - 27 км). К 2018 году должен быть сделан проект такого коллайдера, ИЯФ с самого начала участвует в этой работе и, скорее всего, именно вариант, предложенный нами, будет принят как базовый. 
В рамках гранта РНФ мы планируем провести теоретическое исследование и компьютерное моделирование задач, связанных как раз с коллайдерами будущего. Другая часть работ направлена на улучшение технологии этих установок, что откроет возможность создания не только компактных циклических ускорителей для коллайдеров будущего, но и широкого класса ускорителей, включая источники синхротронного излучения для терапии рака пучками протонов и ионов. 
Наше направление имеет и сугубо практические приложения. Когда ИЯФ только начал делать установки со встречными пучками, сразу стало ясно, что отдельные части этого огромного ускорительного комплекса представляют собой несомненный интерес для промышленных применений. И наш институт разработал и наладил производство промышленных ускорителей: с их помощью облучают кабели и провода, обеззараживают зерно и медицинские отходы. 
Мы планируем и дальше развивать технологию создания линейных ускорителей и источников электронов для них. На очереди - установка для инспекции крупногабаритных грузов, автомобилей, фур. Пересекает, например, границу огромная фура, разгрузка которой для досмотра занимает много времени, но можно сделать передвижную установку с помощью линейных ускорителей и детекторов: фура проезжает мимо, а на экране появляется изображение ее содержимого, вплоть до мельчайших подробностей. Согласитесь, актуальная задача. 
Хотелось бы, конечно, строить установки класса mega-science и в России. Несколько лет назад ИЯФ стал одним из победителей конкурса проектов mega-science, отобранных правительством для реализации. Мы планировали создание Супер-чарм-тау-фабрики - это достаточно большой коллайдер с периметром 800 метров. Собираемся использовать в нем новый принцип встречных пучков - Crab Waist, придуманный в 2006 году нашими итальянскими коллегами. Именно ИЯФ обладает в настоящее время знаниями, как реализовать этот метод, позволяющий повысить светимость коллайдера сразу в 100 (!) раз без увеличения экстенсивных параметров. К сожалению, Супер чарм-тау-фабрику построить за счет собственных средств, как ВЭПП-2000, мы не можем, а никакой финансовой поддержки, хотя проект был принят несколько лет назад, так и нет.

Николай ВИНОКУРОВ, заведующий лабораторией ИЯФ, член-корреспондент РАН, руководитель направления “Развитие и использование источников электромагнитного излучения на базе релятивистских электронных пучков”:
- Способами генерации и применением синхротронного излучения (СИ) наш институт занимается с 1970 года: был сделан канал вывода излучения из поворотного магнита накопителя ВЭПП-3, затем созданы пользовательские станции (сегодня их 13), поскольку СИ - необходимый инструмент исследований не только для физиков, но и для представителей других наук - биологов, химиков, археологов. Например, недавно впервые с помощью СИ в ИЯФ изучена динамика ударной волны при взрыве (вместе с институтами гидродинамики и химии твердого тела СО РАН). 
Практически с самого начала работ мы стали делать специальные сверхпроводящие магниты для улучшения качества и интенсивности излучения. Первый в мире сверхпроводящий вигглер (многополюсный магнит, в десятки раз повышающий интенсивность излучения) был создан и запущен в ИЯФ в 1977 году. После этого под руководством Николая Александровича Мезенцева в ИЯФ были разработаны и изготовлены десятки сверхпроводящих вигглеров для лабораторий всего мира, и в их производстве мы занимаем лидирующие позиции. 
К сожалению, в России всего три источника синхротронного излучения - два в ИЯФ и один (“Сибирь”, тоже сделанный нашими специалистами) в Курчатовском институте. Мы давно планируем построить в ИЯФ специализированный источник СИ нового поколения, но здесь одним грантом не обойдешься, хотя мы можем использовать в качестве базы имеющиеся установки, сократив тем самым расходы.
Тематика наших работ по гранту 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. Суть метода в том, что на широкий пучок излучения ставится фильтр с множеством маленьких отверстий, чтобы получились микропучки. Эксперименты, проводившиеся за рубежом, показали, что такое излучение более эффективно подавляет раковую опухоль и наносит меньше вреда пациенту. Задача ИЯФ - разработать источник для проверки этой методики.
Другая часть работ по гранту относится к лазеру на свободных электронах (ЛСЭ). Синхротронное излучение и ЛСЭ - методы генерации излучения при помощи релятивистских электронных пучков. Вообще ЛСЭ - прибор уникальный, перекрывающий по частотам (длинам волн) 7 порядков - от 1 миллиметра до 0,1 нанометра. В мире существует несколько десятков таких лазеров - есть рентгеновские, субмиллиметровые (терагерцовые), инфракрасные. Новосибирский ЛСЭ, созданный в ИЯФ, первая очередь которого была запущена в 2003 году, - терагерцовый, длины волн от 40 до 240 микрон, в этом диапазоне его средняя мощность - самая большая в мире. 
Если точнее, на нашей установке работают два ЛСЭ: запуск в 2009 году второй очереди стал новым шагом в технике и технологии ускорителей, так как был создан первый в мире ускоритель-рекуператор с двумя дорожками, на который и поставили ЛСЭ. В этом году планируем запустить еще одну очередь - наконец сделать третий ЛСЭ в диапазоне длин волн 5-20 микрон для фотохимических исследований, который предусматривался с самого начала. 
На Новосибирском ЛСЭ много пользовательских станций: работают биологи, химики, физики, медики. Для дальнейшего расширения возможностей постановки уникальных экспериментов нам необходимо улучшать параметры излучения. Например, чтобы повысить мощность, надо получить пучок без гало (облако сопутствующих частиц вокруг пучка). Кроме того, мы займемся разработкой специальной аппаратуры для работы с таким мощным излучением, поскольку стандартная для этого не приспособлена. 
Практическое приложение лазеров на свободных электронах, бурно обсуждаемое мировыми лидерами по производству электроники, - рентгеновская литография. Если пластинку из оргстекла облучить через специальный шаблон, а потом протравить - можно получить рельефы, необходимые для производства интегральных микросхем нового поколения. Чем короче длина волны у источника излучения, тем меньше размер и больше плотность элементов (а следовательно, быстродействие и объем памяти) микрочипа. Проблема в том, что на данный момент нет надежных мощных источников с длиной волны 13,5 нанометра. В ИЯФ сделаны предварительные оценки возможности создания ЛСЭ с параметрами, необходимыми для решения этой задачи, но дальнейшие работы требуют отдельного финансирования.

Александр ИВАНОВ, заместитель директора ИЯФ по научной работе, доктор физико-математических наук, руководитель направления “Развитие фундаментальных основ и технологий термоядерной энергетики будущего”:
- Физика плазмы в ИЯФ - одно из ведущих направлений. Мы много лет занимаемся плазменными ловушками, которые могут стать основой термоядерного реактора будущего. Наши линейные (открытые) системы принципиально отличаются от “токамаков” и “стеллараторов” - замкнутых магнитных ловушек, внешним видом напоминающих бублик. Для создания термоядерного реактора важны следующие параметры: плотность плазмы, температура ее нагрева и время удержания в ловушке.
Довольно долго по этим параметрам лидировали токамаки (на них специализируются большинство ведущих исследовательских центров). Именно токамак стал основой ИТЭР - крупнейшего международного проекта по созданию экспериментального термоядерного реактора в Кадараше (Франция). 
Открытые системы демонстрировали хорошую плотность плазмы, но нагреть ее до нужных температур многие годы не удавалось. Однако, получив мегагрант, предполагающий приглашение немецкого специалиста по высокочастотному нагреву плазмы профессора Манфреда Тумма, мы внедрили этот метод нагрева на нашей газодинамической ловушке и в конце 2013 года получили рекордные параметры по нагреву и удержанию плазмы в открытой системе. Преодолен принципиальный рубеж - мы нагрели плазму до 10 миллионов градусов и продемонстрировали, что потери тепла от прямого контакта плазмы со стенкой ловушки во много раз меньше, чем можно было ожидать, так как есть физические механизмы для их ограничения. Тем самым мы сняли главный аргумент противников открытых систем. В тороидальных системах такой проблемы нет, однако они более громоздки, гораздо сложнее в инженерном отношении и, соответственно, дороже. Так что вопрос, какая ловушка больше подходит для термоядерного реактора, пока не решен. 
Для создания реактора полученную нами температуру плазмы (10 миллионов градусов) нужно увеличить еще в 10 раз. Но достигнутых параметров уже достаточно для работы мощного источника нейтронов, разработкой инженерного прототипа которого мы и займемся в рамках гранта РНФ. Такой источник необходим для испытания новых материалов, из которых будут строиться стенки термоядерных реакторов. 
К тому же нейтронный источник можно использовать в качестве драйвера, инициирующего реакции деления в подкритических ядерных реакторах, что позволит перейти на более экономичные и безопасные виды топлива. Еще одно важное применение таких источников - сжигание радиоактивных отходов от реакторов деления. Один источник мог бы переработать отходы от пяти реакторов. Конечно, средств, полученных по гранту, недостаточно для строительства самого источника - он обойдется в десятки миллиардов рублей, и строить его надо будет в Федеральном ядерном центре в Снежинске, где есть соответствующие системы защиты. Но грант позволит нам хотя бы начать проектирование прототипа и моделирование работы его основных систем.
Спектр прикладных приложений наших исследований весьма широк. Например, на основе линейных систем удержания плазмы можно делать ракетные двигатели для межпланетных перелетов. В свое время мы даже получили грант НАСА на эту разработку, но Госдепартамент США запретил финансирование этой работы у нас. Кроме того, для нагрева плазмы в линейных системах мы используем пучки атомов очень большой мощности - ИЯФ стал мировым лидером в создании таких пучков. 
Технологии, применяемые при создании мощных пучков, могут пригодиться и в полупроводниковых технологиях - в кремний с помощью пучков имплантируются различные частицы, в результате чего создаются нужные полупроводниковые структуры. Сейчас Россия закупает такие имплантеры за бешеные деньги, а ведь можно наладить собственное производство с применением наших технологий. К сожалению, попытки внедрить их в России пока ни к чему не приводят. На базе наших плазменных разработок мы в состоянии создать компактный автономный нейтронный генератор для исследования скважин на предмет наличия нефти (так называемый нейтронный каротаж). В свое время получали финансирование на создание прототипа нейтронного генератора от компании “Шлюмберже” и успешно выполнили эту задачу. Но получить финансирование через “Роснефть” для продолжения этих работ не смогли - в итоге закупаем генераторы у американского отделения “Шлюмберже”. Еще пример из области медицины: в ведущих странах мира очень активно внедряется эффективная борнейтронзахватная терапия для лечения рака, а мы не можем найти 50 миллионов рублей для оборудования помещения и проведения клинических испытаний на базе новосибирских медучреждений. А ведь уже есть иностранные инвесторы, готовые покупать у нас такие установки.

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”:
- Калориметрические методы исследований - ключевое направление, обеспечивающее возможность проведения полномасштабных экспериментов по физике элементарных частиц. Примерно четверть века назад ИЯФ начал строительство нового поколения детекторов для экспериментов на наших установках ВЭПП-2М, ВЭПП-4М, ВЭПП-2000. Отличительная особенность таких детекторов - универсальность, они могут регистрировать все процессы, происходящие на встречных пучках. И ключевым элементом детектора является калориметр - прибор, позволяющий измерить энергию и определить другие параметры нейтральных частиц. Без калориметра нельзя провести ни одного серьезного эксперимента, хотя это прибор сложный и дорогостоящий.
Мы развивали методы регистрации нейтральных частиц с помощью калориметров на основе кристаллических детекторов начиная с 1980-х годов. Для этого нам пришлось налаживать технологию крупнотоннажного производства кристаллов йодистого натрия и цезия на предприятиях СССР (в Харькове и Усолье Сибирском). Благодаря этому созданы уникальные калориметры для детекторов ИЯФ: НД-1, СНД-1, СНД-2, КМД-2, КМД-3 и КЕДР. 
Существенным шагом было развитие технологии производства кристаллов германата висмута совместно с Институтом неорганической химии. Кроме того, для развития методов калориметрии в ИЯФ была создана специальная группа по разработке фотоприемников, так как надо регистрировать свет, идущий с кристаллов. Также потребовалось усовершенствовать электронику для обработки сигналов с этих приборов. К разработке фотоприемников были привлечены предприятия Новосибирска (ОАО “Экран”, ЗАО “Экран-ФЭП”, ЗАО “Катод”). 
Наши достижения в разработке калориметров на основе кристаллов позволили нам участвовать в ряде крупных международных коллабораций - мы построили калориметры детектора BELLE для супер-B-фабрики в Японии (в этом эксперименте впервые наблюдался эффект несохранения комбинированной четности в распадах В-мезонов--) и калориметр для детектора WASA в Упсале (Швеция). 
В 1988 году в ИЯФ были начаты работы по калориметрии на основе сжиженных благородных газов. Это достаточно молодая методика, в мире ею занимаются с 1980-х годов. Однако у сжиженных благородных газов есть свои особенности: калориметры на основе аргона не подходят для детекторов при высоких энергиях, ксенона в мире производится недостаточно, а криптон до сих пор считался радиоактивным. Но когда в процессе исследований была измерена радиоактивность криптона, выяснилось, что она не слишком высока и не повлияет на качество прибора. Так было принято решение построить калориметр детектора КЕДР на ВЭПП-4М на основе 30 тонн жидкого криптона. 
Нашему примеру последовали и другие лаборатории: в ЦЕРН был создан калориметр для детектора NA-48, в США был спроектирован калориметр для детектора на установке SSC. Эти проекты велись с активным участием ИЯФ. Для детектора ATLAS в ЦЕРН мы предложили вариант калориметра на жидком криптоне, он обладал рядом преимуществ. Но после долгих дискуссий для строительства детектора ATLAS, сыгравшего ключевую роль в “поимке” в 2012 году бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере, был все-таки выбран жидкий аргон. Команда ИЯФ предложила свой вариант конструкции этого калориметра и приняла самое активное участие в его строительстве и настройке. Приятно отметить, что этот калориметр до сих пор успешно работает, в 2018 году потребуется лишь незначительная модернизация. 
Одна из наших задач, связанных с грантом РНФ, - повышение качества калориметров детекторов СНД-2, КМД-39 (уникальный прибор, в котором используется комбинация кристаллов йодистого цезия, германата висмута и жидкого ксенона) и КЕДР, а также разработки калориметра детектора BELLE-2 для супер-В-фабрики в Японии. 
Еще одно направление, связанное с калориметрией на основе сжиженных благородных газов, - эксперименты по астрофизике. Мы достаточно хорошо продвинулись в разработке методов по регистрации темной материи. Наши детекторы могут применяться и для когерентного рассеяния нейтрино, что очень важно, например, для контроля за атомными станциями. 
Созданные в ИЯФ детекторы на основе сжиженных благородных газов можно использовать и в медицине - для позитрон-эмиссионной томографии, которая позволяет медикам отследить движение жидкостей в организме. Правда, для создания томографа требуются значительные инвестиции - несколько миллионов долларов, гранты позволяют вести только исследовательские работы.
Потенциал нашего института дает возможность приступить к разработке детекторов нового поколения на основе так называемых ортосиликатов. Эти кристаллы обладают более высокими параметрами, чем кристаллы йодистого цезия и германата висмута. В сотрудничестве с Институтом неорганической химии мы надеемся реализовать эту технологию в Новосибирске, а представители предприятий этого города помогут в создании новых фотоприемников. Детекторы на ортосиликатах смогут применяться как для фундаментальных экспериментов по физике высоких энергий, так и для производства систем безопасности и медицинского оборудования. 
***
Реализация четырех направлений комплексной научной программы позволит сформировать на базе Института ядерной физики мультидисциплинарный исследовательский центр коллективного пользования, оснащенный существующими и планируемыми к разработке уникальными установками: ускорительным комплексом со встречными электрон-позитронными пучками, источниками синхротронного излучения, ЛСЭ, комплексом установок для исследования физики высокотемпературной плазмы.

 

29 февраля, 2024
Вулкан как фабрика тепла. Геофизики предлагают новые способы электрификации городов
Вулканы уже сыграли неожиданную роль в истории человечества. Можно упомянуть провал реформ Бориса Го...
12 февраля, 2024
Олег Астафьев: «Квантовая акустика появилась благодаря сверхпроводниковым искусственным атомам»
Квантовые технологии — наше фантастическое будущее? О том, заменит ли электроника, работающая с од...