Своими глазами

Ядерная физика на пользу людям

© Бионышева Елена/Сделано у нас

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук (ИЯФ СО РАН) был открыт постановлением Совета Министров СССР в 1958 году на базе руководимой Г. И. Будкером Лаборатории новых методов ускорения Института атомной энергии, возглавляемой И.В. Курчатовым. С 1977 года главой Института стал академик Александр Николаевич Скринский, который по сей день является его научным руководителем. С 1 июня 2015 года директором ИЯФ СО РАН был назначен академик РАН Павел Владимирович Логачев.

Сегодня ИЯФ СО РАН — один из ведущих мировых центров в ряде областей физики высоких энергий и ускорителей, физики плазмы и управляемого термоядерного синтеза. О текущем положении, достижениях, планах и условиях работы журналистам информационного портала «Сделано у нас» рассказали научные сотрудники ИЯФ СО РАН.

ЕДИНСТВЕННЫЕ КОЛЛАЙДЕРЫ В СТРАНЕ

ИЯФ СО РАН — крупнейший академический институт, где создаются современные ускорители, интенсивные источники синхротронного излучения и лазеры на свободных электронах, проводятся масштабные эксперименты по физике элементарных частиц. Многие направления научной деятельности института уникальны, ими не занимается ни один исследовательский центр в России. Главное богатство института — два электрон-позитронных коллайдера, единственные в стране.

«В настоящий момент в ИЯФ СО РАН работают два коллайдера на встречных электрон-позитронных пучках — ВЭПП-4М (энергия до 12 ГэВ в системе центра масс) и ВЭПП-2000 (энергия до 2 ГэВ в системе центра масс), — рассказывает старший инженер ИЯФ СО РАН Андрей Алексеевич Новиков. — Для поддержания работы установок необходимо бесперебойное производство электронов и позитронов. Долгое время на каждом из коллайдеров работал свой собственный источник частиц, однако они не могли в должной мере обеспечить потребности установок. В конце 2015 года был запушен Инжекционный комплекс ВЭПП-5 — мощный источник пучков заряженных частиц (энергия до 510 МэВ), который одновременно снабжает электронами и позитронами оба действующих коллайдера. Вначале производительность комплекса составляла 800 млн позитронов в секунду (8×10⁸е+/сек). В результате комплексной модернизации, включавшей оптимизацию настроек оборудования, автоматизацию системы управления и соответствующий апгрейд установок-потребителей, к концу 2018 года этот показатель увеличился до 10 млрд позитронов (1×10¹⁰е+/сек). Благодаря этому повысилась и скорость накопления позитронов на установках, что, в свою очередь, привело к увеличению светимости, а, следовательно, и скорости накопления данных. Так, например, на коллайдере ВЭПП-2000 более чем в три раза увеличился среднегодовой показатель набора статистики — с 20¹/пб-/ в 2014 году до 65 ¹/пб-/ в сезоне 2018-2019 гг. А установка ВЭПП-4 с 2018 года вообще работает в максимальной области энергий».

Подробнее об электрон-позитронных коллайдерах ВЭПП-2000 и ВЭПП-4М нам рассказал главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН, доктор физико-математических наук Иван Александрович Кооп.

— В чем уникальность ВЭПП-2000 и ВЭПП-4М?

-. Комплекс установок со встречными пучками включает в себя электрон-позитронные коллайдеры ВЭПП-4М с детектором частиц КЕДР и ВЭПП-2000 с детекторами КМД и СНД, многофункциональный накопитель электронов/позитронов ВЭПП-3 и инжекционный комплекс ВЭПП-5, предназначенный для производства пучков позитронов и электронов высокой интенсивности. В детекторе КЕДР впервые в мире реализована идея практически гомогенного электромагнитного калориметра на основе сжиженного криптона. Физико-технические параметры комплекса ВЭПП-4М позволяют осуществлять постановку экспериментов, уникальных не только для России, но и для всего мирового сообщества. Главной же особенностью коллайдера ВЭПП-2000 является успешная реализация разработанной в ИЯФ идеи круглых пучков. Это позволило иметь рекордную плотность встречных сгустков в диапазоне энергий до 2 ГэВ и, соответственно, самую высокую скорость производства событий рождения многочисленных в данной области энергий частиц-резонансов, построенных из легких кварков и антикварков.

— В чем главная цель исследований, проводимых на комплексах ВЭПП-2000 и ВЭПП-4М?

— Эксперименты на ВЭПП-2000 дают очень важную информацию для теоретического вычисления. Посчитать вклад электромагнитных и слабых взаимодействий в аномальный магнитный момент — очень сложная, но решаемая задача, и на сегодня эти вклады вычислены с необходимой точностью. Все основные трудности начинаются при расчете величины, приходящейся на долю сильных взаимодействий. Это связано как раз с тем, что сильные взаимодействия, за счет которых кварки связываются между собой и создают адроны, не позволяют отделить один кварк от другого и определить величину силового поля между ними.

Чтобы рассчитать вклад сильных взаимодействий в аномальный магнитный момент мюона, приходится искать какие-то обходные пути. Самый лучший — провести измерение вероятности рождения сильно взаимодействующих частиц, адронов, при аннигиляции электрона и позитрона. Эта вероятность зависит от суммарной энергии сталкивающихся электрона и позитрона. Оказывается, если правильным образом проинтегрировать (просуммировать) и усреднить измеренную вероятность по всем энергиям, то получится тот самый вклад в аномальный магнитный момент мюона от сильных взаимодействий. Причем почти вся величина вклада набирается как раз в области энергий до 2 ГэВ. Поэтому основная задача ВЭПП-2000 — измерение вероятности рождения адронов для разных энергий. Мы должны просканировать весь диапазон: от 0,32 до 2 ГэВ. Звучит просто, но с экспериментальной точки зрения это довольно сложная задача, так как надо понять, что у вас родились именно сильно взаимодействующие частицы, принять во внимание каждый эффект. Измерительные возможности детектора ограничены: он что-то видит, чего-то не видит, и мы должны правильно учесть это в своих измерениях.

Главный интерес состоит в том, чтобы вычесть из экспериментальной цифры момента мюона электродинамический вклад и вклад сильного взаимодействия и обнаружить остаток — те самые частицы, которые еще не могут получить на большом адронном коллайдере, но, по-видимому, существующие и вносящие свой вклад в аномальный магнитный момент мюона.

— Какова научная ценность ваших экспериментов?

— Полученные результаты и разработанные методы находят широкое применение в научно-исследовательских организациях, как российских, так и зарубежных. Измеренные с рекордной точностью массы элементарных частиц используются для описания фундаментальных свойств материи и, таким образом, являются важнейшей информацией для мирового научного сообщества.

Также на комплексе проводятся эксперименты с использованием синхротронного излучения, выведенного из установок ВЭПП-3 и ВЭПП-4М. На пучках синхротронного излучения проводятся эксперименты по исследованию свойств материалов, наноструктур, взрывных процессов, каталитических реакций и биологических объектов. Результаты этих экспериментов имеют как фундаментальное, так и прикладное технологическое применение.

Кроме того, продолжаются эксперименты по ядерной физике на внутренней газовой мишени, представляющей собой рекордную по интенсивности струю газа (дейтерия или водорода), вводимую непосредственно в вакуумную камеру накопителя ВЭПП-3. Управляя поляризацией атомов газа-мишени и изучая рассеяние пучка электронов на такой мишени, можно получить уникальную информацию о структуре и свойствах протона. В настоящее время такие эксперименты невозможны ни на одном другом циклическом ускорителе мира.

— Каким технологиям дают толчок результаты ваших экспериментов?

— Примеров очень много: от бор-нейтронозахватной терапии (БНЗТ) до рамок контроля в аэропортах. На базе наших инжекторов создаются промышленные ускорители. Этим на базе института занимаются две лаборатории, поставившие несколько сотен ускорителей по России, а также в Китай, Японию, Корею, Индию и некоторые европейские страны.

НА ПОЛЬЗУ ЛЮДЯМ

В Институте ядерной физики СО РАН разработаны и успешно внедрены в производство промышленные ускорители, генерирующие мощный электронный пучок, выпускающийся в атмосферу. Обычно выпуск пучка производится через выпускное устройство в виде раструба, оканчивающегося фольговым окном длиной до 1,5 м и шириной 100 мм. В ИЯФ же был разработан и успешно реализован альтернативный способ выпуска пучка в атмосферу сквозь отверстие диаметром около 1 мм. Устройство, с помощью которого это осуществляется, имеет небольшие размеры и пристыковывается к стандартному ускорителю. Выпущенный через него концентрированный пучок имеет мощность до 90 кВт. На расстоянии 10 см от выпускного отверстия пучок имеет диаметр около 1 см и плотность мощности до 100 кВт/см2. Такая высокая плотность мощности в сочетании со значительной полной мощностью пучка позволяет использовать его как эффективный источник энергии для воздействия на материалы. Кроме того, при воздействии на материалы пучок не вносит дополнительных загрязнений.

В институте накоплен значительный опыт по проектированию, изготовлению и эксплуатации устройств для получения наноматериалов на стенде ЭЛВ-6. Получение нанопорошка осуществляется путём испарения из конденсированной фазы материала электронным пучком с последующей конденсацией в виде наноразмерных частиц. Установка имеет необходимую инженерную инфраструктуру, достигнуты все проектные технические параметры. Некоторые методические и технологические решения из используемых в проекте уникальны. Результаты исследовательских работ регулярно публикуются в ведущих российских и международных научных журналах, докладываются на международных научных конференциях. Состоялись три защиты диссертаций на звание доктора и 13 — на звание кандидата наук, в том числе пять защит на звание PhD зарубежными исследователями. На установках и стендах, входящих в состав УНУ, проводятся междисциплинарные исследования по наплавке большого числа порошковых материалов из практически всех промышленных сплавов. Проводятся исследования с целью технологических применений разрабатываемых материалов в химической промышленности и ядерной энергетике.

По надежности, компактности, соотношению цены с качеством и другим параметрам ускорители ИЯФ успешно конкурируют с зарубежными аналогами, выпускаемыми главным образом в Китае, Канаде и в Бельгии.. По количеству и общей мощности выпускающихся установок ИЯФ стала одним из крупнейших производителей в мире. О лаборатории, где занимаются разработкой и выпуском ускорителей для промышленности, рассказал ее заведующий, кандидат физико-математических наук Александр Альбертович Брязгин.

- Каким образом на предприятии возникло производство ускорителей для промышленности?- Институт ядерной физики с самого своего образования занимается ускорительной техникой. Накопив опыт строительства ускорителей для фундаментальной науки, мы поняли, что можем производить и ускорители для промышленности. Впервые их применили в семидесятых годах для облучения изоляции полиэтиленовых проводов. После этого они становятся прочнее, растёт температура возгорания и плавления и так далее. Это очень востребованное направление — сейчас практически все производимые провода облучаются.

- Есть ли другие области применения промышленных ускорителей?

— Одно из основных применений наших установок — стерилизация. Один из первых опытов стерилизации в России был в 1996 году в Ижевске, где построили первый в России завод по производству одноразовых медицинских шприцев. У нас стерилизуют медицинские маски, халаты, бахилы, шприцы, одноразовые клеенки, перчатки и другие изделия. Это удобно и быстро — обработка проводится прямо в коробках, в индивидуальной упаковке, с производительностью несколько тонн в час, в зависимости от объекта и дозы облучения. Наши услуги по стерилизации способствовали зарождению и развитию около 40 отечественных компаний, производящих медицинскую одежду и наборы. Они существенно потеснили иностранных производителей в Сибирском федеральном округе, и сейчас в лечебно-профилактических учреждениях используются в основном российские товары.

Помимо того, наши ускорители применяются в природоохранных мероприятиях — а именно, для очистки больших площадей от химических заражений. Кроме того, они используются при производстве термоусадочной трубки и продукции из пенополиэтилена, такой, как различные виды утеплителя.

— Кто ваши главные заказчики?

— Сейчас мы оказываем услуги по стерилизации предприятиям Новосибирска, Барнаула, Бийска, Томска и Красноярска. Также мы поставили более двухсот ускорителей в зарубежные страны, в частности в Китай, Южную Корею, Казахстан и США.

— Над какими проектами вы сейчас работаете?

— Мы постоянно занимаемся научной работой и создаем новые технологии с химическими лабораториями Академгородка и Москвы. Например, совместно с химиками и биологами мы исследуем различные аспекты взаимодействия пучка с веществом.

Также сейчас мы занимаемся изучением возможности замены химических консервантов на электронную холодную пастеризацию, которая производится на нашем оборудовании. Это позволяет продлить срок хранения продуктов без изменения органолептических свойств.

С 1 января 2016 года в России начали действовать некоторые ГОСТы по обработке продуктов питания ионизирующим излучением. В мире эта процедура широко распространена: она увеличивает сроки хранения и повышает безопасность пищевых продуктов, позволяет уменьшить использование химических консервирующих добавок.

Увы, основной сдерживающий фактор для массового внедрения технологии обработки пищевых продуктов ионизирующим излучением — неполная готовность законодательной базы, распространенная радиофобия населения, которая ведет к увеличению коммерческих и репутационных рисков для производителей, проводящих радиационную обработку.

НОВОЕ СЛОВО В ЛЕЧЕНИИ РАКА

Идея бор-нейтронозахватной терапии рака почти так же стара, как нейтрон: его открыли в 1932 году, а методику предложили в 1936 году. В ИЯФ СО РАН разработали прибор для ее реализации — источник нейтронов. Подробнее о методе рассказал Сергей Юрьевич Таскаев, ведущий научный сотрудник Института ядерной физики СО РАН и заведующий лабораторией БНЗТ Новосибирского государственного университета.

© Бионышева Елена/Сделано у нас

— Расскажите о методе бор-нейтронозахватной терапии рака!

-Вкратце объясню, как все работает. С помощью препарата адресной доставки бор доставляется в клетки опухоли. В итоге его уровень в больных клетках в несколько раз превышает уровень в соседних здоровых. После этого опухоль облучают потоком нейтронов. В результате поглощения нейтрона бором происходит ядерная реакция с выделением огромной энергии в малом объеме с размером менее 5 микрон. Поскольку размер клеткок примерно 10 микрон, вся энергия выделяется именно внутри содержащей ядро бора клетки.

На сегодняшний день с помощью этой терапии было вылечено уже две около тысячи пациентов. Сейчас в мире строится пять клиник, в которых будут использовать этот метод лечения рака. Прибор для одной из них сейчас испытывается у нас в соседнем бункере, через месяц он будет отправлен в Китай, и уже в 2020 году с его помощью начнут лечить людей.

— Каковы конкурентные преимущества вашей установки перед аналогами?

— О конкурентных преимуществах правильнее было бы говорить после более длительной эксплуатации установки. Мы искали оптимальные варианты — и нам повезло практически все их реализовать. На трибунах конференций некоторые ученые называют наши решения наилучшими.

— Нужно ли дополнительно обучать медицинских специалистов для проведения БНЗТ? — Да, действительно, потребуется подготовка квалифицированных медицинских работников. В Новосибирском государственном университете с этого года открылось новое направление — ядерная медицина. Этот факультет может стать основным пунктом для подготовки специалистов в БНЗТ. Кстати, направление пользуется большой популярностью — на нем сейчас обучается в два раза больше студентов, чем предполагалось бюджетом. Практически все из них уже пришли к нам на установку с просьбой взять их на практику.

ЗАБОТА О СОТРУДНИКАХ

На сегодняшний момент в ИЯФ СО РАН трудятся около 2800 человек, около тысячи из которых заняты в крупном экспериментальном производстве с высоким уровнем технического и технологического оснащения.Здесь работают более 400 научных сотрудников, в том числе 6 академиков РАН, 4 членов-корреспондентов РАН, 5 профессоров РАН, 60 докторов наук и более 170 кандидатов наук.

Об условиях работы на предприятии нам рассказал А. А. Брязгин.

— Есть ли в институте профсоюз?

— Да, и почти все сотрудники — его члены. У нас заключен коллективный договор, согласно которому администрация и профсоюз несут определенную финансовую и социальную нагрузку. Например, персоналу оплачивается лечение в коммерческой поликлинике, расположенной в здании института. За счет компании в клинике можно пройти диспансеризацию, что позволяет выявлять заболевания на ранних этапах. Кроме того, профсоюз совместно с администрацией оказывает финансовую помощь при лечении.

— Помогает ли институт в решении жилищного вопроса?

— Да, у нас есть жилищная программа, которая имеет несколько уровней. Молодым специалистам предоставляется общежитие. Имеются квартиры, в которых сотрудники живут по договору социального найма. После наши сотрудники могут приобрести жилье по себестоимости в жилищно-строительном кооперативе, что в два раза выгоднее, чем по рыночной цене. Студенты и выпускники из других регионов могут быть уверены, что не останутся без крыши над головой, что позволяет администрации привлекать квалифицированные кадры.

— Какие еще меры поддержки сотрудников есть в институте?

— Их множество, не зря наше предприятие заняло первое место в городском конкурсе предприятий «За высокую социальную ответственность». Мы организуем санаторно-курортное лечение по различным государственным и собственным программам, для сотрудников института открыта база отдыха «Разлив». Профсоюз оказывает помощь ветеранам предприятия, в частности оплачивает им лечение в поликлинике.

У нас есть культурно-массовая комиссия, которая организует экскурсии, поездки в театры и планетарии, посещение природных и исторических мест. Мы проводим концерты талантов, детские праздники и соревнования, всем коллективом отмечаем новый год. Для молодежи профсоюз организовал волонтерский клуб.

У института есть своя лыжная база и множество спортивных секций. Например, устроившись на работу в институт, я попал в секцию виндсерфинга, и это стало моим хобби на всю жизнь. Профсоюз оказывал нашей секции огромную помощь, покупая дорогое оборудование.

ПОДГОТОВКА КАДРОВ

ИЯФ СО РАН уделяет большое внимание взращиванию новых поколений ученых и ведет активную работу по подготовке научных и инженерно-технических кадров высшей квалификации. Предприятие является базовым институтом для семи кафедр физического факультета Новосибирского государственного университета (НГУ) и физико-технического факультета Новосибирского государственного технического университета (НГТУ НЭТИ), на которых обучается более 200 студентов. Ежегодно около 150 студентов и аспирантов обоих учебных заведений проходят в ИЯФ практику. В аспирантуре Института проходят обучение несколько десятков молодых исследователей по основным научным специальностям ИЯФ СО РАН.

Эффективность принятой системы обучения «студент-стажер-исследователь» подтверждают цифры. Сейчас около половины научных сотрудников Института — выпускники НГУ и около 20% - выпускники НГТУ. Более ста кандидатов наук и 25 докторов наук начали свою карьеру в институте еще студентами.

Текст и фото: Бионышева Елена

Хочешь всегда знать и никогда не пропускать лучшие новости о развитии России? У проекта «Сделано у нас» есть Телеграм-канал @sdelanounas_ru. Подпишись, и у тебя всегда будет повод для гордости за Россию.