"Принцип коллайдера прост - чтобы понять, как устроена вещь, ее надо разломать. Чтобы узнать, как устроен электрон, его тоже надо разломать. Для этого придумали машины, в которых электроны разгоняются до колоссальных энергий, сталкиваются, аннигилируют и превращаются в другие частицы. Это как если бы два велосипеда столкнулись, а разъехались автомобили", - рассказывает Гольденберг.

После многочисленных поворотов, переходов и лестниц можно выйти к панно, на котором нарисованы кольца действующих сегодня коллайдеров ВЭПП-3 (построен в 1967-1971 годы) и ВЭПП-4М (ВЭПП-4 построен в 1979 году, модернизирован в начале 90-х). По словам Гольденберга, периметр ВЭПП-3 составляет 74 м, а ВЭПП-4М - 360 м. "Чем больше накопитель, тем больше энергии он может вкачать. Это не значит, что один ускоритель лучше, а другой хуже, просто на них можно смотреть разную физику и ставить разные эксперименты", - объяснил физик. Работой коллайдеров управляют из пультовой, туда посетителей не пускают. По оценкам сотрудников , параметры работы ускорителей контролируют примерно 30 человек.

В одном из подземных бункеров проводят эксперименты с пучками. Борис Гольденберг сообщил, что прямо сейчас за свинцовой стеной работает ВЭПП-4М, в котором частицы описывают круги размером со стадион. Увидеть коллайдер своими глазами, конечно же, не получилось. "В накопителе смертельные дозы [радиации], там нельзя находиться. Мы от него защищены метровой стеной и коридором, все каналы [из него] выведены и обжаты свинцом, все это защищено", - успокоил физик.

Установки, с которыми ученые работают в бункере, называются станциями - внутри каждой находится экспериментальное оборудование. Разогнанные коллайдером частицы физики могут использовать, кажется, где угодно. К примеру, стабильный источник излучения позволяет калибровать детекторы для космических телескопов. Здесь же можно "просветить" плотный гранит, чтобы найти в нем алмазы. Рентгеновская томография и рентгеновская микроскопия образцов в выходит в 50 раз четче, чем, к примеру, на медицинских аппаратах. Одна из последних разработок ученых - щадящий способ борьбы с раком. В этом эксперименте зараженных мышей облучают "сетчатым" пучком, а не сплошным - так здоровые ткани не страдают.

Самый актуальный проект для сегодня - работа над новым ускорителем частиц. Сейчас институт сам финансирует работы и за 10 лет вложил в проект около 2 млрд руб. На территории института уже готова четверть туннеля для подземной части ускорителя, окружность которого будет составлять 800 м. Директор Павел Логачев оценивал общую стоимость проекта примерно в 34 млрд руб. Ученые предполагают, что этот электрон-позитронный коллайдер сможет открыть миру "новую физику".

Наталья Гредина

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»