Серия работ в номинацию «Наука и образование»

Разминка для электронов

27.10.2022

В Институте ядерной физики СО РАН получили первый пучок электронов, аналогичный тому, который будет действовать в ЦКП «СКИФ»

Из пушки — по частицам

В окне компьютерной программы — изображение, полностью совпадающее с известной картиной Малевича. Потом в её центре появляется белая точка. Она растёт и за каких-то полминуты становится большим белым пятном. На лицах наблюдающих за монитором — чувство удовлетворения. Дело в том, что это белое пятно и есть тот самый пучок электронов, который через пару лет будет давать работу множеству исследователей на Сибирском кольцевом источнике фотонов. А сейчас, 25 октября 2022 года, первое рождение пучка состоялось в лаборатории Института ядерной физики СО РАН, где и ведутся работы по созданию оборудования для СКИФа. Пока что здесь собран только линейный ускоритель, он же «Линак-20», но и этого достаточно, чтобы «обкатать» процесс. В полностью готовом источнике фотонов из линейного ускорителя пучок электронов будет поступать в накопительное кольцо (бустер), а потом в синхротрон, где достигнет скорости, близкой к скорости света.

Для моделирования условий, которые будут созданы на СКИФе, в ИЯФ отвели специальное помещение, где за стеной для радиационной защиты разместился ускоритель. Точнее, его первая очередь. Сейчас главная задача учёных-ядерщиков — показать, что спроектированная ими и собранная на опытном производстве ИЯФ установка действительно способна сгенерировать пучок электронов с заданными параметрами. По сути, вся работа СКИФа будет основана именно на таком сгустке электронов.

Сейчас в институте изготовлены уже все элементы ускорителя, но пока полностью этот компонент источника фотонов не собран, так как некоторые его части надо испытывать отдельно. Ключевой элемент ускорителя — СВЧ-пушка, в ней-то и происходит рождение электронов, там же и формируется пучок с энергией 0,8 МэВ — той самой, которая и была рассчитана учёными перед началом работы с первым пучком. Опыт создания подобной пушки для специалистов ИЯФа — тоже первый.

— Мы можем не только ускорять пучок, но и управлять им благодаря СВЧ-пушке и находящемуся в ней катодно-сеточному узлу. Мы можем варьировать заряд и некоторые параметры пучка — это всё будет важно для работы СКИФа. Следующим этапом нашей работы станет получение сформированного пучка в конце линейного ускорителя. В этом случае мы окончательно сможем сказать, что наше оборудование полностью работает, — поясняет один из руководителей проекта, заведующий лабораторией Алексей Левичев.

Специалисты проверили работу систем термостабилизации и диагностики, а также магнитную систему. Возможности последней, как показала проверка, оказалось достаточно, чтобы довести пучок до конца ускорителя, а термостабилизация удерживает заданную температуру СВЧ-пушки с точностью до десятой доли градуса Цельсия.

Через месяц в ИЯФ предполагают разогнать полученный пучок до энергии уже в 50 МэВ. Когда этот же процесс будет запущен уже на самом СКИФе, то, как заметил директор его заказчика и застройщика — Института катализа СО РАН академик РАН Валерий Бухтияров, в первой части линейного ускорителя пучок электронов получит энергию до 20 МэВ, на выходе из линейного ускорителя она достигнет 200 МэВ, а в бустерном синхротроне, по которому пучок будет летать 24 часа в сутки семь дней в неделю, его энергия составит 3 ГэВ.

Главное — начать

Как отмечает директор ИЯФ академик РАН Павел Логачёв, пройденный в конце октября этап формирования пучка — самый сложный, все последующие будут уже легче. На получившийся результат работало множество предприятий. Хотя львиная доля в изготовлении оборудования, процентов 90, принадлежит экспериментальному производству самого института, к этой работе приложили руку и новосибирская «Триада-ТВ», создавшая высокочастотные усилители для СВЧ-пушки, и Бердский электромеханический завод, и Воткинский завод, где делают специальные подставки-гирдеры для бустера и транспортных каналов. Кроме них, в проекте участвуют новосибирские СибНИА имени С. А. Чаплыгина и предприятие «Катод», казанский «Вакууммаш» и другие предприятия.

Впереди ещё один важнейший этап — написание программного обеспечения, которым будет управляться весь ускорительный комплекс СКИФа. Это надо будет сделать за год-полтора. Это тоже огромный пласт работы: для управления каждой подсистемой и каждым элементом оборудования — от источников питания до измерительных систем и диагностики пучка — потребуется множество программ.

Напомним, что СКИФ строится в Новосибирской области в рамках национального проекта «Наука и университеты» и во исполнение президентского указа от 25 июля 2019 года, поэтому работа новосибирских ядерщиков находится под пристальным вниманием как федеральных властей, так и правительства Новосибирской области, а одним из свидетелей рождения первого пучка стала замгубернатора региона Ирина Мануйлова.

— Пучок, который зарождается сегодня, соответствует тем параметрам, которые были заданы расчётным путём для собранной установки. Проверка на соответствие выдержана, а это значит, что созданное уникальное сверхточное оборудование соответствует всем заданным характеристикам. Проект СКИФ — не просто пилотный проект программы «Академгородок 2.0», а прорыв для всей страны, — подчеркнула Ирина Мануйлова.

Плюс один год

Подготовка оборудования для СКИФа сейчас заметно опережает собственно строительные работы на площадке у наукограда Кольцово, хотя и они тоже идут по графику. Правда, его пришлось скорректировать. Изначально планировалось, что СКИФ заработает в конце декабря 2023 года, но сейчас речь идёт уже о декабре 2024 года и выходе на полноценную эксплуатацию источника фотонов в начале 2025 года, когда откроются шесть испытательных станций первой очереди. Как отмечает Валерий Бухтияров, в России изготавливается более 90% оборудования, однако отдельные компоненты мы продолжаем закупать за рубежом через различные схемы.

Разумеется, на первых порах после запуска СКИФа международное сотрудничество на этой установке поколения 4+ будет осуществляться только с представителями стран, считающихся «дружественными», но создатели источника фотонов верят, что эта ситуация рано или поздно изменится. В конце концов, даже сейчас, как рассказал директор ИЯФ, новосибирские специалисты продолжают выезжать в командировки на европейскую установку ЦЕРН и коллайдер в японском городе Цукуба, поскольку только они могут управлять установленным там российским оборудованием и обслуживать его. А СКИФ, по словам Павла Логачёва, — «национальная история на 99 процентов, мы делали его для России, и участие зарубежных учёных может быть здесь только некой вишенкой на торте, чтобы мы могли привлекать на лучшую в мире машину лучшие мировые идеи наших коллег».

Как рождается нейтрон?

12.01.2023

В новосибирском Институте ядерной физики впервые в мире смогли измерить структуру нейтрона и антинейтрона на самом пороге рождения этой необычной пары микрочастиц

Таинственная пара

Коллайдер ВЭПП-2000 — своего рода «дедушка» СКИФа, ускорителя частиц нового поколения, который под контролем правительства Новосибирской области строится рядом с наукоградом Кольцово. Но и «дедушка» ещё в строю и продолжает ударно трудиться на пользу российской (и всемирной) науки. А в 2022 году он превзошёл сам себя: как рассказал заместитель директора ИЯФ СО РАН Иван Логашенко, на ВЭПП-2000 специалисты получили рекордный объём научных данных, сопоставимый с тем, который был набран за предыдущие девять лет. Их обработка — дело будущего. А вот на основе данных, собранных в предыдущие годы, в 2022 году было сделано интересное открытие. Специалисты ИЯФ смогли впервые в мире измерить структуру нейтрона и антинейтрона на самом пороге рождения этой необычной пары микрочастиц.

— Нейтроны наряду с протонами — один из двух кирпичиков нашего мира. А вот антинейтрон встречается в природе очень редко. Рождаются эти частицы, когда электрон и протон аннигилируются при столкновении. На ВЭПП-2000 мы можем измерить детали этого процесса и узнать, как устроен нейтрон, — нигде больше это сделать нельзя. Внутреннюю структуру протонов и нейтронов мы до сих пор знаем не очень хорошо, — говорит Иван Логашенко.

Нейтроны и антинейтроны состоят из ещё более мелких частиц — кварков и глюонов, их движение определяет электромагнитный формфактор — ту самую функцию, которая и описывает структуру нейтрона и антинейтрона. На пороге реакции формфактор ещё никто не замерял. Теперь для верификации полученного результата необходимо провести эксперимент на другой установке — в ИЯФе это КМД-3. Однако уже сейчас этот результат согласуется с данными, полученными в Китае на детекторе BESIII, которые относятся к более высоким энергиям.

Возможности ВЭПП-2000, по оценке учёных, позволяют получать в год до 500 тысяч антинейтронов. А это значит, что перед физиками откроется возможность ещё более точных измерений формфакторов и сечений взаимодействия антинейтронов с разными веществами.

Магнитная точность

Институт ядерной физики продолжает создавать оборудование для Сибирского кольцевого источника фотонов. По первому контракту, который ИЯФ заключил с Институтом катализа СО РАН как заказчиком ЦКП «СКИФ», готово уже 95% оборудования инжекционной части — линейного ускорителя и бустерного синхротрона, разгоняющих электроны. Для получения пучка электронов с энергией 0,8 МэВ создали модулятор, подобных которому в мире больше нет. А в конце 2022 года был выпущен первый серийный магнит (всего их будет 64 плюс один запасной) для накопительного кольца СКИФа. Сейчас он проходит тестирование в специальном помещении.

— Это дипольный магнит, он предназначен для поворота траектории заряженных частиц, то есть электронов, — говорит старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Сергей Синяткин. — Другая его задача — фокусировка пучка. Нам нужен пучок с очень малым эмиттансом — около 76 пикометров точка радиан, поэтому фокусировка должна быть очень сильной.

Из-за таких жёстких требований и калибровка для первого магнита требуется самая тщательная — работать с последующими магнитами по отработанной схеме будет уже проще. Сейчас специалисты занимаются проверкой создаваемого прибором уровня магнитного поля, добиваясь максимальной точности, — чувствительность пучка, который будет лететь по накопительному кольцу, настолько высока, что его параметры могут испортиться даже при самых незначительных отклонениях магнитного поля.

Полезный выхлоп

Как получить из плазмы термоядерную энергию? Эта задача волнует умы физиков уже более полувека. Бьются над ней и в ИЯФ. Здесь работы идут в двух направлениях: развитие мощных средств создания термоядерной плазмы и её нагрева и создание собственного термоядерного реактора. В 2022 году главный научный сотрудник ИЯФ Игорь Котельников рассчитал, как стабилизировать развивающуюся в плазме баллонную неустойчивость. Именно разного рода неустойчивости мешают получить параметр плазмы «бета» (отношение давления плазмы к давлению магнитного поля), равный единице. Чем ближе «бета» к единице, там больше выход термоядерной реакции и тем выше шансы на переход к термоядерной энергетике.

— Баллонная неустойчивость — одна из самых опасных, поскольку она быстро развивается и имеет грубые последствия, — отмечает Игорь Котельников.

Напоминает она пузырь, который появляется при накачивании велосипедной камеры там, где резина тоньше. В мелком масштабе её способны подавить силы самой природы: учёным известен эффект конечного ларморовского радиуса (КЛР-эффект). А с крупными баллонными колебаниями теперь должны помочь справиться расчёты Игоря Котельникова: перебор большого количества колебаний позволил найти условия, когда можно стабилизировать неустойчивость при всех значениях «бета» от нуля до единицы. Остаётся только подтвердить их экспериментально.

В декабре мир научных новостей «взорвали» вести из Ливерморской лаборатории в США, где учёные зафиксировали после термоядерной реакции выход энергии в большем объёме, чем потребовался для её запуска. Однако, как отмечает заместитель директора ИЯФ СО РАН Пётр Багрянский, говорить о реальном прорыве в энергетике пока ещё рано: «Фактически в лаборатории взорвалась маленькая водородная бомба, это действительно было сложно, и я восхищаюсь результатом. Но такая работа ориентирована в основном на моделирование ядерного взрыва в лабораторных условиях, и использовать такой подход для энергетики проблематично».

Особая линза

О СКИФе в последние пару лет говорят больше всего, но это не значит, что проект супер-чарм-тау-фабрики, который разрабатывали в ИЯФ, но воплощать в ближайшие годы будут в Сарове, ушёл на задний план. Ядерщики из Новосибирска разработали модель одной из самых важных деталей будущей фабрики.

— Сердце коллайдера фабрики — это финальный фокус, последний магнит перед точкой встречи, формирующий те самые нейтронные пучки, которые должны сталкиваться, и это самая сложная часть коллайдера. От качества этих магнитов зависит наличие или отсутствие побочной светимости, — говорит заместитель директора ИЯФ СО РАН член-корреспондент РАН Евгений Левичев. — Для того типа коллайдеров, к которым относится супер-чарм-тау-фабрика, финальный фокус особенно сложен. Его основная деталь — компактная сверхпроводящая квадрупольная линза с очень большим градиентом.

В мире такие линзы делают всего в двух лабораториях. В ИЯФ в 2022 году разработали систему намотки проводника, которая важна для корректной намотки магнита. Первую конструкцию на основе созданной модели планируется испытать в январе 2023 года.

Ванна для змейки

14.02.2023

Зачем магниты для СКИФа охлаждать до температуры, близкой к абсолютному нулю? Специалисты ИЯФ СО РАН раскрывают тайны

Сибирский кольцевой источник фотонов, строительство которого возле наукограда Кольцово находится на постоянном контроле правительства Новосибирской области, всё больше походит на огромный конструктор, для которого появляется всё больше деталей. В один прекрасный момент они все сольются в единое целое на нынешней стройплощадке, а пока их «дом» — стены научно-исследовательских институтов и заводских цехов, где все эти детали появляются на свет. Однако создатели не дают им спокойно «отлежаться», подвергая различным испытаниям. К очередным таким испытаниям приступили на минувшей неделе в Институте ядерной физики СО РАН имени Г. И. Будкера — началась проверка параметров работы сверхпроводящего магнита для первого вигглера ЦКП «СКИФ».

Что такое «вигглер»? Сначала напомним, что главное назначение СКИФа — «разгонять» до скорости света пучок электронов, который будет летать по кольцу с длиной окружности в полкилометра, для того чтобы с создаваемой этим пучком энергией в виде синхротронного излучения работали учёные — каждый со своими целями. А чтобы часть энергии пучка превращалась в это излучение, пучок надо заставлять двигаться не просто по кругу, а по извилистой траектории. Для этого и используются устройства, названные вигглерами (или змейками в переводе с английского) и создающие специальное магнитное поле.

— Магнит состоит из большого количества электромагнитных полюсов, на каждом из них магнитное поле меняет своё направление, и пучок электронов поворачивает то в одну, то в другую сторону. При каждом повороте от него отрывается часть электромагнитного поля — чем больше угол поворота, тем больше этот отрываемый кусок, который потом попадает на исследовательские станции, — рассказывает заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН доктор технических наук Виталий Шкаруба.

10 февраля специалисты ИЯФ приступили к испытаниям магнита для первого из таких вигглеров. Магнит с помощью подъёмного крана опустили в криостат — специальную ёмкость глубиной 4 м, которую затем заполнили жидким гелием.

— Магнитное поле в вигглере создаётся за счёт использования провода из сплава титана и ниобия. Чтобы этот провод стал сверхпроводником, его надо охладить до температуры 4 кельвина или 269 градусов ниже нуля по Цельсию, после чего он позволит пропускать ток очень большой силы — свыше 1 000 ампер при диаметре провода меньше миллиметра. Этот провод изготавливается на российском предприятии структуры Росатома и имеет такие рекордные параметры, которые сейчас не может обеспечить никто в мире, — добавляет Виталий Шкаруба.

В криостате магнит проведёт неделю, и за это время учёные измерят различные параметры создаваемого магнитного поля и сопоставят их с предварительными расчётами. Чем ближе друг к другу окажутся эти показатели — тем лучше.

На самом СКИФе, правда, жидкий гелий для охлаждения магнита до нужной кондиции использоваться не будет — он обладает свойством испаряться, а регулярная дозаправка обойдётся слишком дорого. Поэтому в институте разработали особый «сухой» криостат — магнит внутри него будет подвешен в вакууме, а нужный холод станут производить специальные холодильные машины, работающие в разных температурных режимах (но ни один из них не будет «теплее», чем –200 градусов по Цельсию). Эти криостаты смогут работать без остановки по несколько лет.

Станций первой очереди в ЦКП «СКИФ» будет пять, ожидается, что заработают они в 2024 году, и для каждой из них понадобится по вигглеру. По словам Виталия Шкарубы, все они будут изготовлены и испытаны в течение года, чтобы, как только на стройплощадке СКИФа будет возведено здание ускорителя, оставалось только перевезти готовые устройства туда и установить на предназначенные для них места.