Институт Ядерной Физики
Довелось побывать мне в знаменитом на весь мир ИЯФ им. Г.И.Будкера СО
РАН. То, что я там увидел, я смогу только показать, подробный рассказ
об установках и о самом институте составила научный сотрудник института
Cтаростина Елена Валериевна.
Про ИЯФ вообще сложно рассказать в двух словах по многим причинам. В
первую очередь потому, что наш Институт никак не вписывается в обычные
стандарты. Это не совсем академический институт, работающий на
фундаментальную науку, ведь в нем есть свое производство, вполне тянущее
на завод средней руки, а по нынешним временам – хороший завод. И на
этом заводе не гвозди делают с тазами, а обладают технологиями, которых
нигде в России попросту нет. Современными технологиями в самом точном
смысле этого слова, а не в “современными для Сов.Союза 80-х годов”. И
завод этот – наш собственный, а не такой, что владельцы находятся
“где-то там”, а мы лишь собираем продукцию в кучку.
Так что никак это не академический Институт.
Но и не производство. Какое ж это производство, если основной
продукцией Институт полагает все же самый что ни на есть
фундаментальный результат, а эту всю замечательную технологическую
начинку и производство – всего лишь способом этот результат получить?
Значит, все же научный институт фундаментального профиля?
Но как быть с тем, что в ИЯФ производится самый широкий круг
экспериментов, связанных с Синхротронным Излучением (здесь и далее СИ)
или лазером на свободных электронах (здесь и далее ЛСЭ), а это
исключительно прикладные эксперименты для десятков наших институтов? И,
кстати, другой возможности проводить такие эксперименты у них почти и
нет.
Значит, это многопрофильный институт?
Да. И еще многое-многое другое…
Начать этот рассказ можно было с истории института. Или с его
сегодняшнего дня. С описания установок или людей. С рассказа о
положении российской науки или достижениях физики последних дней. И я
очень долго колебалась перед выбором направления, пока не решила
рассказать обо всем понемногу, искренне надеясь, что когда-нибудь
напишу больше и этот материал выложу где-нибудь.
Итак, ИЯФ СО РАН им. Г.И.Будкера или попросту Институт Ядерной Физики.
Он был основан в 1958 г. Гершем Ицковичем Будкером, которого в
Институте звали Андрей Михайловичем, уж бог знает почему. Нет,
разумеется, он был еврей, в СССР еврейские имена не приветствовались –
это-то все понятно. Но мне не удалось выяснить, почему именно Андрей
Михайлович, а не Николай Семенович, скажем.
Кстати, если вы в ИЯФе услышите что-нибудь типа “Андрей Михайлович говорил…”, то это означает – говорил Будкер.
Он основатель Института и вероятно, если бы не он, и если бы не Сибирь,
у нас никогда не было бы столь развитой ускорительной физики. Дело в
том, что работал Будкер у Курчатова, и по слухам ему там просто было
тесно. И никогда бы не дали “размахнуться” так, как вышло в Сибири,
где только-только создавались новые институты и открывались новые
направления. Да и не дали бы ему в Москве сразу Институт в таком
возрасте. Сначала помурыжили бы на должности завлаба, потом замдира, в
общем, глядишь, запал бы и сошел.
Будкер уехал в Новосибирск и оттуда начал звать к себе разных
выдающихся и не очень физиков. Выдающиеся физики в ссылку ехали
неохотно, так что ставка была сделана на молодую школу, которую тут же и
основали. Школами стали НГУ и ФМШ при этой НГУ. Кстати, в Академе
скрижали отдают авторство ФМШ исключительно Лаврентьеву, однако живые
еще свидетели той истории, проживающие ныне в Америке и публикующие
свои мемуары, утверждают, что автором школы был Будкер, “продавший”
Лаврентьеву идею за какую-то очередную административную уступку.
Известно, что два великих человека – Будкер и Лаврентьев не слишком
хорошо ладили друг с другом, если не сказать больше, и это до сих пор
отражается не только на отношениях людей в Академгородке, но и на
написании его истории. Посмотрите любую академовскую выставку,
проходящую в Доме Ученых (ДУ), и вы легко убедитесь, что там почти нет,
скажем, фотографий из громадного архива ИЯФ и вообще мало говорится о
самом крупном институте в нашей Академии наук (около 3 тыс. человек
сотрудников), и третьем налогоплательщике в НСО. Не очень-то
справедливо, но уж как есть.
Одним словом, Будкеру мы обязаны Институтом, его достижениями и его
атмосферой. Кстати, и производством тоже. Когда-то ИЯФ звали самым
капиталистическим из всех институтов страны – он мог производить свою
продукцию и продавать ее. Теперь его зовут самым социалистическим –
ведь все заработанные деньги идут в общий котел и из него
распределяются на зарплату, контракты и самое главное – проведение
научных экспериментов.
Дело это очень дорогостоящее. Смена (12 часов) работы ускорителя с
детектором могут стоить сотни тысяч рублей и большая часть этих денег
(от 92 до 75%) – заработана сотрудниками ИЯФ. ИЯФ единственный в мире
институт, зарабатывающий на фундаментальные физические исследования
собственными силами. В остальных случаях такие институты финансируются
государством, но у нас – сами понимаете – если ждать помощи от
государства, то и помереть недолго.
Как зарабатывает ИЯФ? Продажей магнитных систем ускорителей другим
странам, желающим строить свои ускорители. Можно с гордостью сказать,
что мы безусловно входим в двойку-тройку лучших производителей
ускорительных колец в мире. Мы производим и вакуумные системы, и
резонаторы. Мы производим промышленные ускорительные установки, которые
работают в десятках направлений не нашей экономики, помогая
обеззараживать медицинское оборудование, зерно, продукты, очищать
воздух и сточные воды, ну, в общем, все то, на что у нас никто не
обращает внимание. ИЯФ производит медицинские ускорители и
рентгеновские установки для просвечивания людей, скажем, в аэропортах
или мед.учреждениях. Если вы внимательно посмотрите на лейблы на этих
сканерах, то обнаружите, что стоят они не только в Новосибирском
аэропорту Толмачево, но и очень даже в столичном Домодедово. ИЯФ делает
еще десятки, если не сотни мелких заказов для высокотехнологичного
производства или науки во всем мире. Мы производим ускорители и подобное
оборудование для США, Японии, Европы, Китая, Индии… Мы строили часть
кольца БАКа и очень успешно. Доля российских заказов у нас традиционно
низка, и с этим ничего не поделать – правительство денег не дает, а у
местных властей или владельцев предприятий их просто не хватает – обычно
счет идет на миллионы долларов. Впрочем, надо честно признать, что у
нас есть и обычные российские гранты и контракты, и мы им тоже рады, ибо
деньги в Институте нужны всегда.
2.
3. Фрагмент ускорителя, который прямо сейчас делает ИЯФ для Брукхэйвенской лаборатории (США)
Да, иногда приходится их останавливать совсем, и такие случаи тоже были. Но, к счастью, держались всего полгода.
ИЯФ может себе позволить возглавить строительство дорогих элитных домов, лишь бы часть квартир досталась сотрудникам, отправлять этих сотрудников в длительные загранкомандировки, содержать одну из лучших лыжных баз в стране, где ежегодно проходит “Лыжня России” (кстати, нынче база под угрозой закрытия из-за очередного нелепого проекта строительства), содержать собственную базу отдыха в Бурмистрово (“Разлив”), в общем, много чего может себе позволить. И хотя каждый год речь встает о том, что это слишком расточительно, мы еще держимся.
А что с наукой в ИЯФе?
С наукой сложнее. Главных научных направлений ИЯФа четыре:
1. физика элементарных частиц – ФЭЧ (т.е. то, из чего состоит наш мир на самом-самом микро уровне)
2. физика ускорителей (т.е. приборов, с помощью которых до этого микроуровня можно добраться (или лучше говорить “нано”, следуя современной моде?
3. физика плазмы
4. физика, связанная с синхротронным излучением.
В ИЯФ есть и несколько других направлений, в частности, связанных с ядерной и фотоядерной физикой, медицинскими приложениями, радиофизикой и множеством других, более мелких.
4.
Установка Дейтон ВЭПП-3. Если вам кажется, что это сплошной хаос
проводов, то в общем-то напрасно. Во-первых, ВЭПП-3 – это установка, где
места просто нет, во-вторых съемка идет со стороны кабельной трассы
(она проложена поверху). Наконец, в-третьих, Дейтон – одна из тех
установок, которые иногда встраивают в структуру ВЭПП-3, потом убирают,
т.е. делать тут глобальные системы "наведения порядка" просто нет
смысла.
5. Бункер СИ ВЭПП-3, станция рентгенофлуоресцентного элементного анализа.
6. Бункер СИ ВЭПП-3, станция рентгенофлуоресцентного элементного анализа.
7.
Делаем тут первую остановку на пояснение (по подсказкам читателей). Что такое ЛСЭ или лазер на свободных электронах? Объяснить это на пальцах не очень просто, но мы будем считать, что вы знаете, что в обычном лазере излучение происходит так: с помощью какого-нибудь метода мы разогреваем (возбуждаем) атомы вещества до такой степени, что они начинают излучать. И поскольку мы отбираем это излучение специальным образом, попадая в резонанс с энергией (а значит и частотой) излучения, мы получаем лазер. Так вот в ЛСЭ источник излучения не атом, а сам пучок электронов. Его заставляют проходить мимо так называемого вигглера (ондулятора), где очень много магнитов вынуждают пучок “дергаться” из стороны в сторону по синусоиде. При этом он излучает все то же синхротронное излучение, которое можно собрать в лазерное. Изменяя силу тока в магнитах вигглера или энергию пучка, мы можем в широком диапазоне менять и частоту лазера, что на сегодняшний день недостижимо никаким другим способом.
В России других установок ЛСЭ нет. Но они есть в США, строится такой лазер и в Германии (совместный проект Франции, Германии и нашего института, стоимость превышает 1 млрд.евро.) По-английски такой лазер звучит как FEL – free electron laser.
8. Электронная пушка лазера на свободных электронах
9. Система контроля уровня охлаждающей резонаторы воды на ЛСЭ
10. Резонаторы ЛСЭ
11. На этом и следующих двух кадрах - ЛСЭ, вид снизу (он подвешен "к потолку").
12.
13.
14.
Шевченко Олег Александрович закрывает дверь в зал ЛСЭ. После того, как
сработает концевик от наехавшей двери рад.защиты (бетонный блок справа),
можно будет начинать работу лазера.
15. Пультовая ЛСЭ. На столе - очки для защиты от лазерного излучения
16.
Одна из станций на ЛСЭ. Справа видны оптические подставки, на которых
есть листочки с выжженной бумагой (темные пятна в центре). Это след
лазерного излучения ЛСЭ
17.
Редкий кадр. Старый лучевой осциллограф в пультовой ЛСЭ. В ИЯФе
осталось мало таких осциллографов, но если поискать можно найти. Рядом
(слева) стоит вполне современный цифровой Tektronix, но чего в нем
интересного?
18. Установка АМБАЛ – амбиполярная адиабатическая ловушка, ныне не работает.
19. АМБАЛ
20.
Если говорить о ФЭЧ, то тут положение сложное. Все достижения ФЭЧ последних лет связаны с ускорителями-коллайдерами типа LHC (Эл-эйч-си, как зовет его весь мир и БАК – большой адронный коллайдер, как зовут его только у нас). Это ускорители на огромную энергию – порядка 200 ГэВ (гигаэлектронвольт). По сравнению с ними ВЭПП-4 на свои 4-5 ГэВ, работающий уже почти полвека, – старичок, где можно вести исследования ограниченного диапазона. И уж тем более ВЭПП-2000 с энергией всего-то около 1 ГэВ.
Мне придется тут слегка задержаться и пояснить, что такое ГэВ и почему это много. Если мы возьмем два электрода и подадим на них разность потенциалов в 1 вольт, а потом пропустим заряженную частицу между этими электродами, она приобретет энергию в 1 электронвольт. От более привычного нам джоуля ее отделяет аж 19 порядков: 1 эВ=1.6*10-19Дж.
Чтобы получить энергию в 1 ГэВ, нужно на длине пролета электрона создать ускоряющее напряжение в 1 гигавольт. Чтобы получить энергию БАКа, приходится создать напряжение в 200 гигавольт (гига – это миллиард вольт, 109 или 1 000 000 000 вольт). Ну, сами представляйте дальше, что для этого нужно. Достаточно сказать, что питание LHC (БАКа) обеспечивает одна из французских АЭС, расположенных неподалеку.
21.
Ускоритель ВЭПП-2000 – модернизация предыдущего ускорителя ВЭПП-2М.
Отличие от предыдущего варианта - в большей энергии (до 1 ГэВ) и
реализованная идея так называемых круглых пучков (обычно пучок похож
скорее на ленту, чем на что либо еще). В прошлом году ускоритель начал
свою работу после долгого периода реконструкции.
22.
23. Пультовая ВЭПП-2000.
24. Пультовая ВЭПП-2000. Над столом - схема ускорительного комплекса.
25. Бустер электронов и позитронов БЭП для ВЭПП-2000
26.
СНД – сферический нейтральный детектор, позволяющий регистрировать
частицы, не имеющие заряда. На снимке он близок к окончательной сборке и
началу работы.
27.
u | up | “верхний” |
d | down | “нижний” |
s | strange | “странный” |
c | charm | “очарованный” |
b | beaty (bottom) | “прелестный” |
t | truth (top) | “истинный” |
Так вот, все частицы привычного нам мира состоят из двух самых легких кварков, доказательство существования остальных четырех – дело “рук” ускорителей на встречных пучках и детекторов. Доказать существование именно s-кварка было непросто, оно означало правильность сразу нескольких гипотез и открытие J/psi было выдающимся достижением, которое сразу показало огромную перспективность всего метода изучения элементарных частиц, а заодно открыло нам дорогу к изучению процессов, происходивших в мире во времена Большого Взрыва и происходящих сейчас. Масса “джи-пси” после эксперимента КЕДРа измерена с точностью, которую превышает только измерение масс электрона и протона с нейтроном, т.е. основных частиц микромира. Это фантастический результат, которым можно будет гордится еще долго, как детектору, так и ускорителю.
28.
Это детектор КЕДР. Как видите, сейчас он разобран, это редкая
возможность посмотреть, как он выглядит изнутри. Идет ремонт систем и
модернизация после длительного периода работы, который обычно называется
"заход на эксперимент" и длится обычно несколько лет.
29. Это детектор КЕДР, вид сверху.
30.
31.
Криогенная система детектора КЕДР, баки с жидким азотом, используемым
для охлаждения сверхпроводящего магнита детектора КЕДР (он охлажден до
температуры жидкого гелия, предварительно охлаждается до температуры
жидкого азота.)
32. В кольце ВЭПП-4М
Новых установок у нас строится очень мало и делаются они долго. Скажем, ускоритель ВЭПП-5, который планировался как самый большой в ИЯФ, строился так долго, что морально устарел. При этом созданный инжектор настолько хорош (и даже уникален), что не использовать его было бы неправильно. Часть кольца, которую вы видите, сегодня планируют использовать уже не для ВЭПП-5, а для каналов перепуска частиц из форинжектора ВЭПП-5 в ВЭПП-2000 и ВЭПП-4.
33.
Туннель для кольца ВЭПП-5, пожалуй, самое большое сооружение этого типа
в ИЯФ на сегодняшний день. По размерам он таков, что тут мог бы ездить
автобус. Кольцо так и не построили из-за недостатка средств.
34. Фрагмент канала Форинжектор - ВЭПП-3 в туннеле ВЭПП-5.
35. Это подставки под магнитные элементы канала перепуска Форинжектор - ВЭПП2000 (каналы на сегодня еще только строятся.)
36. Помещение ЛИНАКа (линейного ускорителя) Форинжектора ВЭПП-5
37. На этом и следующем кадре - магнитные элементы Форинжектора
38.
39.
Линейный ускоритель Форинжектора ВЭПП-5. Дежурный по комплексу и
ответственное за посетителей лицо ожидают окончания фотосъемки
40.
Накопитель-охладитель Форинжектора, куда электроны и позитроны из
ЛИНАКа попадают для дальнейшего ускорения и изменения некоторых
параметров пучка.
41. Элементы магнитной системы накопителя-охладителя. Квадрупольная линза в данном случае.
42.
Многие гости нашего Института ошибочно полагают, что 13-е здание, где
расположены ускорители ВЭПП3, 4, 5 очень маленькое. Всего два этажа. И
они ошибаются. Это дорога вниз, на этажи, находящиеся под землей (так
проще делать рад.защиту)
В области физики плазмы дело обстоит несколько более тяжелым образом. Это направление не финансировалось десятилетиями, оттуда произошел мощный отток специалистов за рубеж, и все же физика плазмы у нас тоже может найти, чем похвастаться.В частности, оказалось, что турбулентность (завихрения) плазмы, которые должны бы были разрушать ее стабильность, иногда напротив, помогают удерживать ее в заданных границах.
43. Две главные установки физики плазмы - ГОЛ-3 (на снимке, сделанном с уровня кран-балки здания) и ГДЛ (ниже будет)
44. Генераторы ГОЛ-3 (гофрированная открытая ловушка)
45. Фрагмент ускорительной структуры ГОЛ-3, так называемый пробкотрон.
46.
Надо сказать, что ГОЛ-3 выглядит как нечто, созданное то ли в далеком
будущем, то ли просто притащенное инопланетянами. Обычно на всех
посетителей производит совершенно футуристическое впечатление.
47.
48. ГОЛ-3
49.
50. ГДЛ довольно маленькая установка, так что влазит в один кадр целиком.
51.
52.
В области СИ мы (я про Россию) отстаем от всей развитой части планеты, скажем честно. В мире источников СИ огромное количество, они лучше и мощнее наших. На них проводятся тысячи, если не сотни тысяч работ, связанных с изучением всего – от поведения биологических молекул до исследований физики и химии твердого тела. Фактически это мощный источник рентгеновских лучей, который никак иначе не получить, так что все исследования, связанные с изучением структуры вещества – это СИ.
Однако жизнь обстоит так, что в России есть всего три источника СИ, причем два сделаны у нас, а один мы помогали запускать (один в Москве находится, еще один в Зеленограде). И только один из них постоянно работает в режиме эксперимента – это “старый добрый” ВЭПП-3, который построен тыщу лет назад. Дело в том, что мало построить ускоритель для СИ. Важно еще построить оборудование для СИ-станций, а вот этого-то больше нигде и нет. В результате многие исследователи западных наших регионов предпочитают прислать представителя “на все готовенькое”, чем тратить огромные средства на создание и развитие СИ-станций где-нибудь в Подмосковье.
53. Зал инжектора для ВЭПП-3 – установки ПОЗИТРОН - одна из самых старых установок такого типа в мире
54. Зал инжектора для ВЭПП-3 – установки ПОЗИТРОН, слева (голубой цилиндр) – линейный ускоритель (ЛИНАК), справа – синхротрон Б4
55. В кольце ВЭПП-3
56.
Это вид на комплекс ВЭПП-4 с высоты птичьего полета или точнее третьего
этажа "антресолей". Прямо внизу бетонные блоки рад.защиты, под ними –
ПОЗИТРОН и ВЭПП-3, далее – голубоватое помещение – пультовая комплекса,
откуда осуществляется управление комплексом и экспериментом.
57. "Начальник" ВЭПП-3, один из старейших физиков-ускорительщиков ИЯФ и страны – Мишнев Святослав Игоревич
58.
59.
60.
61.
62.
Производство ИЯФ, один из цехов. Оборудование большей частью
устаревшее, современные станки находятся в цехах, в которых мы не были,
находящихся в Чемах (есть такое место в Новосибирске, рядом с т.н. НИИ
систем). В этом цеху станки с ЧПУ тоже есть, просто в кадр не попали
(это ответ на некоторые реплики в блогах.)
63. Озадаченный ответственный за электрохозяйства комплекса ВЭПП-4М Жмака Александр Иванович.
64.
Этот зловещий кадр снят просто в одном из зданий Института, в том
самом, где расположены ВЭПП-3, ВЭПП-4 и форинжектор ВЭПП-5. И означает
просто-напросто тот факт, что ускоритель работает и представляет из себя
некоторую опасность.
65.
А этот – что служба, отвечающая за технику безопасности наших работ, не
дремлет. Это индивидуальные пленочные дозиметры разных типов.
66.
67.
Первый в мире коллайдер, построенный в 1963 году для изучения
возможностей их использования в экспериментах по физике элементарных
частиц. ВЭП-1 — единственный за всю историю коллайдер, в котором пучки
циркулировали и сталкивались в вертикальной плоскости.
68. Подземные переходы между корпусами института
------------------------------------------------------------------------------
Комментарии