• Читателям
  • Авторам
  • Партнерам
  • Студентам
  • Библиотекам
  • Рекламодателям
  • Контакты
  • Язык: English version
236
От термоядерной энергетики до лечения рака: новосибирские физики подвели итоги года

От термоядерной энергетики до лечения рака: новосибирские физики подвели итоги года

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН подвел итоги третьего года реализации программы «Развитие исследовательского и технологического потенциала ИЯФ СО РАН в области физики ускорителей, физики элементарных частиц и управляемого термоядерного синтеза для науки и общества». На эти исследования институт получил грант Российского научного фонда (РНФ) в размере 650 млн рублей на четыре года. На пресс-конференции, состоявшейся 25 декабря, руководители основных направлений программы поделились достигнутыми результатами и планами на 2018 г. Главным событием мероприятия стал официальный запуск экспериментальной установки СМОЛА, о которой мы писали ранее

Комплексная научная программа ИЯФ включает четыре направления: развитие калориметрических методов, технологий пучков заряженных частиц и термоядерной энергетики, источников электромагнитного излучения на базе релятивистских электронных пучков. 

 За знаменитым «круглым столом» ИЯФ СО РАН: слева направо - д.ф.-м.н А.А. Иванов; чл.-корр. РАН Ю.А. Тихонов; директор института, академик РАН П.В. Логачев; д.ф.-м.н. Е.Б. Левичев; чл.-корр. РАН Н.А. Винокуров

Среди важнейших результатов третьего года реализации программы – создание макета и начало испытаний мощного клистрона (высокочастотного генератора), не имеющего аналогов в России, а также создание и запуск экспериментальной установки плазменной ловушки открытого типа СМОЛА. Подробнее об этих и других результатах рассказал директор ИЯФ СО РАН, академик РАН П.В. Логачев и руководители научных направлений.

Торжественная церемония запуска экспериментальной установки СМОЛА. Слева направо: директор ИЯФ СО РАН П.В. Логачев, мэр г. Новосибирска А.Е. Локоть, зам. врио губернатора Новосибирской области А.К. Соболев, руководитель Сибирского территориального управления ФАНО России А.А. Колович, председатель СО РАН В.Н. Пармон

Директор ИЯФ СО РАН, П. В. Логачев:

«Говоря о наиболее крупных достижениях института, в первую очередь хочу отметить увеличение интенсивности пучков и производительности электрон-позитронных коллайдеров ВЭПП-4 и ВЭПП-2000. Этого удалось добиться благодаря работе нового инжекционного комплекса. В итоге мы получили на обоих коллайдерах рекордные светимости. 

Еще недавно со старым инжектором на ускорителе ВЭПП-2000 удавалось получать 2 млрд позитронов за один «выстрел», но с началом работы нового инжекционного комплекса ВЭПП-5 это число увеличилось в 10 раз. Следовательно, возросла и светимость ускорителя, которая оценивается по числу взаимодействий частиц пучка с частицами фиксированной мишени либо встречного пучка. Соответственно, на ВЭПП-2000 появилась возможность проводить эксперименты в диапазоне энергии 1-2 ГэВ с рекордной для этого диапазона точностью. Благодаря новому источнику частиц смог улучшить свои параметры и ветеран ИЯФ – коллайдер ВЭПП-4, достигнуть энергии 8 ГэВ и кардинально сократить время накопления пучков – с получаса до 1 минуты

Физические эксперименты на этих установках позволят получать информацию о процессах, происходящих с легкими кварками, с максимально возможной на сегодняшний день точностью. Уникальные методики, применяющиеся на коллайдерах ИЯФ, дают возможность изучать двухфотонную физику, которая занимается изучением рождения адронов при аннигиляции двух высокоэнергичных гамма-квантов. К тому же в двухфотонных процессах может напрямую рождаться более широкий набор частиц, чем в электрон-позитронных аннигиляциях. Эти преимущества открывают специалистам ИЯФ возможность работать на переднем крае современной физики.

Сам ВЭПП-4 также пережил «апгрейд»: благодаря установке на нем нового вигглера исследователи получили возможность проводить эксперименты с синхротронным излучением в более «жестком» спектральном диапазоне. 

Большой шаг был сделан в области физики плазмы. Главное достижение – физический запуск экспериментальной установки СМОЛА, которая также создавалась при поддержке РНФ. Эта установка – пример красивой и быстрой реализации новой идеи в физике удержания плазмы, направленной на обеспечение лучших условий для термоядерного синтеза. Изучение физики этого подхода в ближайшие два года должно дать новые выходы в области термоядерного синтеза и создания плазменных двигателей для космоса»

К.ф.-м.н., старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН А. В. Судников: «Глобальная идея состояла в улучшении конфигурации открытых ловушек…Мы создали 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». Подробнее об установке СМОЛА

Установка СМОЛА и плазменная струя во входном и в выходном расширителе

Руководитель направления «Развитие калориметрических методов и разработка на их основе новых детекторов для фундаментальных исследований, медицины, систем безопасности и других высокотехнологичных применений», зам. директора ИЯФ СО РАН Ю. А. Тихонов:

«В наших работах за 2017 г. я бы выделил два ключевых момента. Во-первых, мы получили первые образцы новых сцинтилляционных кристаллов на основе ортосиликатов редкоземельных элементов. Эти работы ведутся в рамках стратегического направления по созданию технологии производства новых сцинтилляционных материалов, таких как германат висмута и йодистый цезий, производство которых было освоено ранее и сыграло огромную роль в физике высоких энергий. Новые кристаллы будут иметь лучшие параметры (больший световыход, меньшее время высвечивания и др.). Использование этих кристаллов в калориметрах – самых дорогих и «долгоиграющих» элементах детекторов элементарных частиц – позволит улучшить параметры детекторов и повысить эффективность их использования, как в фундаментальных, так и прикладных исследованиях, например, в медицине.

Во-вторых, развитие электроники: большую часть средств гранта РНФ мы вкладываем в создание и усовершенствование различных элементов детекторов частиц, оснащая их передовой цифровой электроникой. Таким способом нам удалось улучшить характеристики детекторов (КЕДР на ВЭПП-4М, СНД и КМД-3 на ВЭПП-2000), что дало возможность измерять сечение электро-позитронной аннигиляции в адроны с высокой точностью в широком диапазоне энергии – от 0,4 до 3,8 ГэВ. Эти измерения имеют фундаментальное значение для физики элементарных частиц и необходимы для интерпретации экспериментов по поиску «новой физики» в прецизионных экспериментах, таких как измерение аномального магнитного момента мюона и др.

Кроме того, благодаря гранту РНФ мы смогли не только хорошо организовать работу по воплощению наших идей, но и получили возможность поощрить участвующих в ней сотрудников, что также очень важно».  

Руководитель направления «Технологии пучков заряженных частиц для фундаментальных и прикладных применений», зам. директора ИЯФ СО РАН Е. Б. Левичев:

«Наш флагманский проект в области заряженных частиц – создание собственного коллайдера Супер С-тау фабрика. Чтобы построить такую машину, нужны большие средства, которых пока нет. Но работа движется – сейчас институт развивает технологии, которые понадобятся в будущем.

«Супер чарм-тау» – это электрон-позитронный коллайдер, который планируется построить в ИЯФ СО РАН. Планируется, что полный периметр ускорителя, который будет расположен под землей на глубине более 10 м, будет составлять около 800 м. Создание установки станет главным, завершающим шагом строительства одного из самых крупных в России ускорительного центра – УК ВЭПП-5 (Ускорительного комплекса встречных электрон-позитронных пучков). Этот проект базируется на новом методе встречи пучков «Crab Waist», позволяющем увеличить производительность коллайдера в 100 раз без существенного увеличения интенсивности пучков и размеров установок. Этот же способ новосибирские физики планируют использовать и для создания циклического коллайдера будущего (Future Circular Collider, FCC), который должен быть построен на базе Европейского центра ядерных исследований на смену Большому адронному коллайдеру

Пока клистроны – мощные высокочастотные генераторы, ИЯФ закупает за границей, но в институте успешно работают над созданием собственного устройства с уникальными характеристиками. Слева – клистроны, закупленные у зарубежных производителей; справа - заведующий сектором, к.ф.-м.н.  А. Левичев рядом с макетом клистрона, созданного в ИЯФ СО РАН. Фотографии С. Ерыгиной и Н. Купиной.

Пока клистроны – мощные высокочастотные генераторы, ИЯФ закупает за границей, но в институте успешно работают над созданием собственного устройства с уникальными характеристиками. Слева – клистроны, закупленные у зарубежных производителей; справа - заведующий сектором, к.ф.-м.н.  А. Левичев рядом с макетом клистрона, созданного в ИЯФ СО РАН. Фотографии С. Ерыгиной и Н. Купиной.

Например, одна из ключевых деталей, требующихся для ускорения заряженных пучков в линейных ускорителях, – мощные высокочастотные генераторы-клистроны. Именно они создают электромагнитное поле, необходимое для ускорения частиц. В России нужные нам клистроны не производят, и мы закупали их в Японии и Западной Европе. В настоящее время эти страны по разным причинам перестали их нам продавать – появилась насущная задача научиться самим их производить. В 2017 г. в институте был создан первый макет клистрона и начались его испытания. Сейчас клистрон тестируется в так называемом «диодном» режиме без генерации СВЧ-мощности, но в 2018 г. планируется полностью дооснастить его и попробовать в режиме генерации».

Руководитель направления «Развитие фундаментальных основ и технологий термоядерной энергетики будущего», зам. директора ИЯФ СО РАН А. А. Иванов:

«Промежуточные итоги работы по гранту РНФ таковы: у нас уже готовится к запуску ряд установок, которые позволят институту в скором времени совершить рывок в получении плазмы с нужными параметрами. Самая главная установка, которая должна показать свой потенциал в ближайшие годы, – СМОЛА. Главная идея – экспериментально доказать, что магнитные ловушки открытого типа уменьшают продольные потери плазмы на порядок лучше имеющихся установок, включая ловушки закрытого типа. 

Установка СМОЛА и плазменная струя во входном расширителе

Еще на одном экспериментальном стенде КОТ (компактный осесимметричный тороид) мы проверяем новый принцип удержания плазмы в открытых ловушках – путем создания замкнутой конфигурации силовых линий. Этот проект очень важен, так как он должен решить основную задачу – получение плазмы с предельным давлением. Если мы научимся получать такую плазму, то станет возможным создание более «привлекательных» безнейтронных термоядерных реакторов. Такие реакторы будут работать на бестритиевых топливах, например, с использованием реакции синтеза дейтерий-дейтерий. В этих реакциях производится меньше нейтронов, с которыми теряется энергия, и, соответственно, они сопровождаются меньшей радиоактивностью.

Третья установка – это станция синхротронного излучения на ВЭПП-4, где исследуется взаимодействие потоков плазмы с различными мишенями. Это позволяет лучше понять, что происходит с поверхностью стенок термоядерного реактора, как они деформируются и какие материалы смогут дольше сохранять свои свойства под «натиском» плазмы. Мы работаем с мишенями из вольфрама и можем в реальном времени наблюдать эффекты их взаимодействия с потоком электронов и процесс деформации поверхности.

Еще один важный процесс, который мы изучаем в рамках гранта РНФ, – изменение магнитного поля с появлением в нем плазмы. Для этого нужно постоянно улучшать диагностические системы в установках, что мы и делаем». 

Руководитель направления «Развитие и использование источников электромагнитного излучения на базе релятивистских электронных пучков», заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН Н.А. Винокуров:

«Мы работаем над усовершенствованием параметров электронного пучка, который в идеале должен иметь небольшой размер и незначительный разброс по скоростям. Для этого совершенствуем системы, которые транспортируют пучки из источника до места применения. В рамках гранта РНФ мы разработали и изготовили высокочастотную электронную пушку, которая позволит нам повысить мощность излучения Новосибирского лазера на свободных электронах (ЛСЭ).

Совместно с Институтом химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского СО РАН мы проводим исследования с использованием излучения Новосибирского лазера на свободных электронах. Химики называют этот метод сверхбыстрая магнитная спектроскопия. Его суть заключается в импульсном возбуждении некоторых квантовых переходов в молекулах, чтобы изучать в реальном времени их различные спектроскопические параметры, чего нельзя сделать с помощью обычной инфракрасной спектроскопии.

И, конечно, отдельно надо отметить работы по медицинской тематике. Совместно с Институтом цитологии и генетики СО РАН мы сейчас занимаемся разработкой метода микропучковой рентгеновской терапии рака. Считается, что если раковую опухоль облучать большим числом очень тонких рентгеновских пучков, то ее уничтожение будет идти гораздо эффективнее и менее болезненно для человека. В 2017 г. мы провели исследования по определению допустимой дозы излучения на лабораторных животных».

Подготовила Татьяна Морозова

Понравилось? Поделись с друзьями!

Подпишись на еженедельную e-mail рассылку!

comments powered by HyperComments