Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН заключил три крупных контракта с Европейским исследовательским центром антипротонов и ионов на изготовление оборудования для германского ускорительного комплекса. В нынешнем году стороны, как ожидается, заключат еще три договора на общую сумму около 20 млн евро.
Монтаж вигглера ИЯФ на накопитель ANKA
Фото: Аксель Бернхар
Мы привыкли, что во многих наукоемких изделиях российского производства применяются сложные импортные комплектующие. Примерами являются американские оптические волокна в саранских оптоволоконных кабелях, японские сервоприводы в московских 3D-принтерах, германские контроллеры в росатомовских автоматизированных системах управления технологическими процессами.
Но есть и совершенно обратные примеры. Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (Новосибирск) вот уже 40 лет снабжает полмира сложнейшими устройствами для генерации излучения и других применений — ондуляторами и вигглерами. Это довольно массивные, бочкоподобные изделия из специальной стали и сверхпроводящих сплавов.
Близкие по устройству ондуляторы и вигглеры — сложные научные установки, источники синхротронного излучения (излучение вигглера некогерентно, ондулятора — когерентно). Они используются в циклических ускорителях и лазерах на свободных электронах, как для генерации синхротронного излучения, так и для управления параметрами пучка
Релятивистский электрон, движущийся в знакопеременном магнитном поле, генерирует синхротронное излучение
Сибирские ондуляторы и вигглеры
Институт имени Будкера является одним из ведущих мировых центров по ряду областей физики высоких энергий и ускорителей, физики плазмы и управляемого термоядерного синтеза. В ИЯФ ведутся крупномасштабные эксперименты по физике элементарных частиц на электрон-позитронных коллайдерах и уникальном комплексе открытых плазменных ловушек. В институте разрабатываются современные ускорители, интенсивные источники синхротронного излучения и лазеры на свободных электронах. Сейчас ИЯФ — самый крупный академический институт страны (более 2800 сотрудников). Главной его особенностью является наличие крупного производства (около 1000 человек) с высоким уровнем технического и технологического оснащения. Более 140 созданных здесь мощных электронных ускорителей работают на различных технологических линиях в России, на Украине, в Белоруссии, Германии, Японии, Китае, Польше, Чехии, Венгрии, Румынии, Южной Корее, Италии, Индии.
Во многие страны ИЯФ поставляет ондуляторы и вигглеры. Близкие по устройству ондуляторы и вигглеры — сложные научные установки, источники синхротронного излучения (излучение вигглера некогерентно, ондулятора — когерентно). Они используются в циклических ускорителях и лазерах на свободных электронах, как для генерации синхротронного излучения, так и для управления параметрами пучка. Как пояснил нам член-корреспондент РАН, заведующий научно-исследовательской лабораторией ИЯФ, лауреат Государственной премии РФ за 2009 год Николай Александрович Винокуров, "специфика ондуляторов и вигглеров в том, что они не самостоятельные приборы, а магнитные системы, работающие на ускорителях электронов".
Идея использовать периодическое поперечное движение релятивистских (то есть движущихся со скоростью, очень близкой к скорости света) электронов для генерации коротковолнового излучения была предложена лауреатом Нобелевской премии Виталием Гинзбургом в 1947 году. Термин "ондулятор" возник от французского слова onduler — "совершать волнообразное движение". Почти синонимом термина "ондулятор" является слово "вигглер", происходящее от английского глагола wiggle — "покачивать(ся), извиваться, вилять". Такие названия объясняются тем, что траектория релятивистского электрона в поле ондулятора — не прямая линия, а извилистая кривая.
ИЯФ разработал и изготовил десятки вигглеров и ондуляторов. Пять из них работают в России (четыре собственно в ИЯФ и один — в НИЦ "Курчатовский институт"), а остальные — в Австралии, Великобритании, Германии, Испании, Италии, Канаде, США, Швейцарии и других странах. За 40 лет работы в области изготовления вигглеров и ондуляторов в ИЯФ были предложены и впервые испытаны многие технические приемы. Так, в 2016 году разработаны вигглер с переменным периодом и сверхпроводящий ондулятор с нейтральными полюсами.
Важнейшими достижениями последних лет в области сверхпроводимости Ученый совет ИЯФ признал создание сверхпроводящего многополюсного вигглера для генерации мощного синхротронного излучения. Его особенностью является косвенное охлаждение сверхпроводникового магнита (без погружения магнита в жидкий гелий) с использованием криогенных кулеров.
В частности, в 2016 году ИЯФ изготовил для Технологического института Карлсруэ (Karlsruher Institut fur Technologie, KIT, Германия) и ЦЕРНа (European Organization for Nuclear Research, CERN, Швейцария) уникальный сверхпроводящий вигглер с использованием этого нового, более практичного способа охлаждения. Сейчас новосибирская разработка, стоимость которой около 1 млн евро, установлена на ускорительном комплексе ANKA в Германии. Здесь с ее помощью будут проводиться эксперименты с биологическими объектами. Для исследователей же из ЦЕРНа вигглер станет испытательным полигоном по отработке технологий для разрабатываемого линейного коллайдера CLIC.
Благодаря умению изготавливать и использовать ондуляторы ИЯФ построил уникальную научную установку — "Новосибирский лазер на свободных электронах". Это самый мощный в мире источник субмиллиметрового (терагерцового) квазимонохроматического излучения. В отличие от обычных мощных лазеров, длина волны излучения новосибирского лазера может плавно перестраиваться в достаточно большом диапазоне (от 240 мкм до 30 мкм), что открывает дорогу новым перспективным исследованиям, недоступным обычным лазерам.
ИЯФ им. Г.И. Будкера — один из главных мировых разработчиков и изготовителей сверхпроводящих вигглеров, которые сейчас используются на всех источниках рентгеновского излучения на основе электронных накопителей. Экспорт высокотехнологичного оборудования позволяет институту развивать у себя необходимую производственную базу и сохранять готовность к созданию больших научных установок в России.
Новосибирский лазер на свободных электронах — самый мощный в мире источник субмиллиметрового (терагерцового) квазимонохроматического излучения
Сотрудничество ИЯФ и FAIR
Сотрудники ИЯФ производят финальную сборку вигглера после доставки в Карслруэ, Германия
Фото: Аксель Бернхард
В январе 2017 года было объявлено, что Институт ядерной физики заключил три крупных контракта с Европейским исследовательским центром антипротонов и ионов (FAIR, Facility for Antiproton and Ion Research, ФРГ) на изготовление оборудования для германского ускорительного комплекса. ИЯФ изготовит 32 сверхпроводящих магнита для ускорительного кольца (Collector Ring) — одной из основных частей строящегося комплекса. Это оборудование должно быть поставлено до 2021 года. Кроме того, договоры предусматривают проведение новосибирскими физиками исследований в рамках проекта FAIR, а также изготовление сверхпроводящего магнита для одного из экспериментов, запланированных на FAIR.
В 2017 году году FAIR и ИЯФ, как ожидается, заключат еще три договора на изготовление оборудования, в частности, для диагностики целостности установки, также на общую сумму около 20 млн евро.
Каждый из магнитов, которые предстоит изготовить, имеет массу более 50 тонн, точность соблюдения размеров составляет несколько микрон в их "полюсной части".
Еще ранее ИЯФ подписал с FAIR крупный контракт на разработку магнитных элементов для каналов перепуска пучков HEBT (High Energy Beam Transferline) на сумму 16 млн евро. Это оборудование обеспечит транспортировку высокоинтенсивных пучков антипротонов и редких ионов в каскаде накопительных колец, составляющих ускорительный комплекс. Общая длина транспортных каналов, по которым будут проходить пучки, составляет более километра.
Экспериментальный комплекс FAIR будет состоять из пяти частей, ИЯФ разрабатывает "под ключ" одну из них — накопительное кольцо Collector Ring (CR), участок установки, в котором аккумулируются элементарные частицы и распределяются по другим ускорителям для проведения экспериментов. Расчетная производительность установки 10 млн антипротонов в секунду, длина кольца более 200 метров. Создание установки предусматривает разработку, изготовление и запуск системы электронного охлаждения, сверхпроводящих элементов, магнитные систем, вакуумных камер, системы диагностики пучка.
По оценкам "Науки", ежегодная выручка от экспорта высокотехнологичной продукции ИЯФ, в основном ондуляторов и вигглеров, составляет порядка 1 млрд руб.
Медицинский аспект
Адронная терапия — облучение опухоли пучками протонов или тяжелых ионов — несмотря на долгую историю, остается одним из самых многообещающих направлений ядерной медицины. Адронная терапия требует точного расчета, а также большой гибкости и вариативности. Для этого медицинские ускорители снабжают системами доставки пучка, которые называются "гентри" (англ. gantry). Гентри вращается вокруг подвижного стола, на котором лежит пациент. В мире действуют около 60 центров терапии пучками протонов и ионов углерода. В большинстве из них проводят лечение пучками протонов, и только в восьми — ионами углерода. Объединенный институт ядерных исследований (Дубна) реализует при использовании устройств ИЯФ проект ускорителя NICA, на котором помимо научных исследований запланированы масштабные медицинские процедуры.
Институт ядерной физики имени Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН
Институт основан в 1958 году в только что заложенном новосибирском Академгородке. Создан на базе лаборатории новых методов ускорения курчатовского Института атомной энергии. Со дня основания института и до своей смерти в 1977 году директором был Герш Будкер (академик с 1964 года). Сейчас институт возглавляет академик Павел Логачев.
ИЯФ СО РАН был и остается одним из важнейших мировых центров атомной науки и физики частиц. В институте проводятся работы по широкому спектру проблем: физике и технике ускорителей, физике элементарных частиц, физике плазмы и т. п. В частности, институт хорошо известен исследованиями на встречных пучках.
Европейский исследовательский центр антипротонов и ионов и (Facility for Antiproton and Ion Research, FAIR)
Крупнейший ускорительный комплекс ядерной и субъядерной физики, создаваемый на базе Центра по изучению тяжелых ионов имени Гельмгольца в Дармштадте (Германия). Проект оценивается примерно в $1 млрд. Начало экспериментов на FAIR запланировано на начало 2020-х годов, выход на проектную мощность в 2025 году. В проекте участвуют десять стран, в том числе Россия. Основная задача центра — изучение явлений физики элементарных частиц от атомной до субатомной физики и поиск процессов, выходящих за рамки Стандартной модели. Один из ключевых экспериментов, планируемых на комплексе FAIR, PANDA, позволит заглянуть внутрь таких частиц, как протон и антипротон.