В центре научной жизни Сибири

Аналогов нет

Сегодня Институт ядерной физики имени Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук — один из ведущих мировых центров в области физики высоких энергий и ускорителей, физики плазмы и управляемого термоядерного синтеза. В институте проводятся крупномасштабные эксперименты на электрон-позитронных коллайдерах и комплексе открытых плазменных ловушек, разрабатываются современные ускорители, интенсивные источники синхротронного излучения и лазеры на свободных электронах. Большинство направлений, в которых работают специалисты учреждения, уникальны для России.

По данным конца 2021 года, коллектив ИЯФ СО РАН насчитывал 2 842 человека, из которых непосредственно вели исследовательскую деятельность 860 специалистов. Особенность института — наличие экспериментального производства (крупнейшего в структуре Российской академии наук). Здесь изготавливают оборудование как для самого ИЯФ, так и для других научных организаций.

Основу исследовательской инфраструктуры ИЯФ СО РАН составляют более сорока установок и стендов, которые либо не имеют аналогов в России, либо существенно отличаются по параметрам и назначению от подобных действующих устройств. С их помощью реализуется большинство проектов института. Получаемых значимых результатов мирового уровня невозможно достичь при использовании серийно выпускаемых научных приборов.

В рамках развития отечественной сети источников синхротронного излучения нового поколения

Предмет особой гордости коллектива института — создание оборудования для центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (ЦКП «СКИФ») по заказу ФИЦ «Институт катализа СО РАН» (застройщика объекта). В сооружение этого источника синхротронного излучения поколения 4+, который возводится в новосибирском наукограде Кольцово в рамках национального проекта «Наука и университеты», вовлечены десятки организаций страны. При этом единственным исполнителем работ по изготовлению, сборке, поставке и пусконаладке технологически сложных элементов ускорительного комплекса выступает ИЯФ СО РАН.

Реализация проекта стартовала 25 июля 2019 года, когда был подписан соответствующий указ Президента РФ. В 2020 году с ИЯФ был заключен государственный контракт на производство оборудования для установки. Летом 2021-го институт продемонстрировал первые серийные изделия, а 28 февраля 2022 года поставил на объект первую партию готового оборудования — пять высокочастотных усилителей мощности. По заказу ИЯФ их изготовило новосибирское предприятие радиоэлектронной промышленности ООО «НПП Триада ТВ».

— Усилители позволят пучкам частиц, циркулирующим в синхротроне, ускоряться и летать по нужным траекториям, а также обеспечить их высокое качество, — сообщил директор ФГБУН ИЯФ СО РАН академик Павел Логачёв. — В результате мы получим рекордное по своим параметрам рентгеновское излучение в основном накопителе СКИФа. Усилители произведены по очень сложной технологии, аналогичное оборудование «Триада ТВ» делает и для Большого адронного коллайдера CERN (Европейского совета по ядерным исследованиям. — «Э. с.»), их качество оценивается нашими швейцарскими коллегами очень высоко.

В минувшем октябре специалисты ИЯФ протестировали первую очередь линейного ускорителя (линак-20) будущего комплекса. Полностью он выйдет на проектные параметры только в 2024 году, однако его инжекционная часть уже собрана, получен первый пучок электронов. Испытания продемонстрировали, что основные системы ускорителя, в том числе один из самых сложных элементов — СВЧ-пушка, в которой рождаются электроны и происходит начальное формирование пучка, функционируют корректно, проведенные ранее расчеты верны.

Кроме того, был испытан режим работы ускорителя, при котором катод нагрет до рабочих температур, ускоряющее поле в резонатор подано, но катод заперт некоторым напряжением.

— У нас очень жесткие требования: электроны должны ускоряться только в заданные моменты времени, а в промежутках их не должно быть совсем, — пояснил заведующий лабораторией ФГБУН ИЯФ СО РАН Алексей Левичев. — При разогретом катоде частицы стремятся вылететь всегда, но при определенном напряжении между катодом и сеткой [они] должны полностью запираться внутри данного промежутка. Нам необходимо было убедиться, хватит ли заранее заложенного напряжения, чтобы удерживать пучок в пушке в зазоре между катодом и сеткой. В результате испытаний мы продемонстрировали, что можем полностью контролировать пучок.

Наряду с этим была изготовлена и проверена система термостабилизации, позволяющая держать заданную температуру СВЧ-пушки с точностью до 0,1 °С, магнитная система, система диагностики.

— Работа всего этого сложного физического оборудования невозможна без адекватного комплекса аппаратных и программных средств, образующих систему управления установкой. Параллельно с наладкой систем линака проводился запуск различной управляющей и измерительной электроники, а также тестирование первых, так называемых инженерных, версий программного обеспечения. Итог работы специалистов по системе управления состоит в том, что сегодня физики-ускорительщики обеспечены необходимым набором «ручек» для управления линаком и получают корректную информацию о его функционировании, — рассказал главный научный сотрудник ФГБУН ИЯФ СО РАН Александр Батраков.

Рентген с «зелеными» лучами

Не прекращаются и новые разработки, причем предпочтение отдается проектам с применением энергосберегающих и экологически чистых технологий. Так, физики ИЯФ СО РАН начали проектирование источника рентгеновского излучения высокой яркости с низким (на порядок меньшим, чем у существующих и строящихся источников) энергопотреблением.

— Десятки источников рентгеновского излучения высокой яркости на основе электронных ускорителей работают во всех экономически развитых странах мира, — подчеркнул заведующий лабораторией ФГБУН ИЯФ СО РАН член-корреспондент РАН Николай Винокуров. — Каждая такая установка круглосуточно потребляет несколько мегаватт электроэнергии, что сравнимо с энергопотреблением небольшого города. В ХХI веке человечество практически достигло пределов энергопроизводства и соответствующих тепловых выбросов, поэтому энерго­сбережение стало одной из первоочередных задач современной техники.

В частности, добиться заметной экономии энергоресурсов позволит магнитная система электронного накопителя, построенная на основе не электромагнитов, а постоянных магнитов из сплава неодим – железо – бор.

— Кроме нулевого потребления электроэнергии система на постоянных магнитах обеспечивает высокую стабильность параметров излучения, так как магнитное поле в ней никогда не выключается, — отметил Николай Александрович.

Другой способ — применение сверхпроводящих магнитов с полем более десяти тесла, что позволяет существенно понизить энергию электронов в источнике, уменьшив его размеры и радиационную опасность. Благодаря этому установка может быть размещена в стандартном промышленном здании.

Создаваемые энергосберегающие недорогие и простые в обращении источники рентгеновского излучения могут быть построены при больших университетах и использоваться как для мультидисциплинарных исследований, так и для обучения студентов и аспирантов. Предполагается, что наличие такого оборудования качественно изменит уровень научно-технологических разработок.