В феврале, в рамках дней науки в новосибирском Академгородке, сходил на экскурсию в Институт Ядерной Физики. Километры подземных переходов, ускорители элементарных частиц, лазеры, генераторы плазмы и другие чудеса науки в этом репортаже.

Фотографии и текст wizarden

1.

2. Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера (ИЯФ СО РАН) – крупнейший академический институт страны, один из ведущих мировых центров в области физики высоких энергий и ускорителей, физики плазмы и управляемого термоядерного синтеза. В институте ведутся крупномасштабные эксперименты по физике элементарных частиц, разрабатываются современные ускорители, интенсивные источники синхротронного излучения и лазеры на свободных электронах. По большинству своих направлений Институт является единственным в России.

3. Первые приборы, которые встречает посетитель прямо в коридоре института — резонатор и поворотный магнит с ВЭПП-2М. На сегодня музейные экспонаты. Так выглядит резонатор. По сути это ускоритель элементарных частиц.

4. Установка со встречными электрон-позитронными пучками ВЭПП-2М начала работать с 1974 года. До 1990 года она несколько раз модернизировалась, была улучшена инжекционная часть и установлены новые детекторы для проведения экспериментов по физике высоких энергий.

5. Следующая установка — ускорительный комплекс ВЭПП-2000.

6. Коллайдер ВЭПП-2000 – современная установка со встречными электрон-позитронными пучками, построенная в ИЯФ СО РАН в начале 2000-х годов вместо успешно завершившего физическую программу кольца ВЭПП-2М. Новый накопитель имеет более широкий диапазон энергий от 160 до 1000 МэВ в пучке, и на порядок более высокую светимость, то есть число интересных событий в единицу времени.

7. Высокая светимость достигается использованием оригинальной концепции круглых сталкивающихся пучков, впервые предложенной в ИЯФ СО РАН и применённой на ВЭПП-2000. В местах встречи пучков расположены детекторы КМД-3 и СНД. Они регистрируют разнообразные процессы, происходящие при аннигиляции электрона с его античастицей – позитроном, такие, как рождение лёгких мезонов или нуклон-антинуклонных пар.

8. Создание ВЭПП-2000 с применением целого ряда передовых решений в магнитной системе и системе пучковой диагностики в 2012 году было отмечено престижной в области физики ускорителей Премией им. Векслера.

9. Пультовая ВЭПП-2000. Отсюда осуществляется управление установкой.

10. Помимо компьютерной техники, для мониторинга и управления установкой используются и вот такие приборные шкафы.

11. Здесь всё наглядно, на лампочках.

12. Пройдя не меньше километра по коридорам института, мы попали на станцию синхротронного излучения.

13. Синхротронное излучение (СИ) возникает при движении высокоэнергетичных электронов в магнитном поле в ускорителях.

14. Кроме чисто научных исследований, СИ используется и для прикладных задач. Например, разработка новых электродных материалов литий-ионных аккумуляторов для электромобилей или новых взрывчатых веществ.

15. В России существует два центра по использованию СИ — Курчатовский источник СИ (КИСИ) и Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения (СЦСТИ) ИЯФ СО РАН. В Сибирском центре используются пучки СИ из накопителя ВЭПП-3 и из электрон-позитронного коллайдера ВЭПП-4.

16. Вот эта жёлтая камера — станция «Взрыв». В ней исследуют детонацию взрывчатых веществ.

17. Центр обладает развитой приборной базой для проведения пробоподготовки и сопутствующих исследований. В центре работает около 50 научных групп из институтов Сибирского научного центра и из сибирских университетов.

18. Установка загружена экспериментами очень плотно. Работа не прекращается здесь даже ночью.

19. Переходим в другой корпус. Помещение с железной дверью и надписью «Не входить радиация» — нам сюда.

20. Здесь находится прототип ускорительного источника эпитепловых нейтронов, пригодного для широкого внедрения бор-нейтронозахватной терапии (БНЗТ) в клиническую практику. Проще говоря, прибор для борьбы с раком. Несколько снимков из этой лаборатории.

21.

22. Идём дальше. Особенностью Института Ядерной Физики (ИЯФ СО РАН) является наличие крупного экспериментального производства (около 1 000 человек) с высоким уровнем технического и технологического оснащения.

23. Здесь разрабатывается и изготавливается сложное и уникальное научное оборудование.

24.

25.

26.

27. Отдельно надо отметить подземные переходы института. Не знаю точно, сколько их общая длина, но думаю пара-тройка станций метро тут запросто бы поместились. Несведущему человеку в них очень легко заблудиться, зато сотрудники могут попасть из них практически в любое место огромного учреждения.

28. Ну а мы попали на установку «Гофрированная ловушка» (ГОЛ-3). Она относится к классу открытых ловушек для удержания субтермоядерной плазмы во внешнем магнитном поле. Нагрев плазмы на установке осуществляется при помощи инжекции релятивистских электронных пучков в предварительно созданную дейтериевую плазму.

29. Установка ГОЛ-3 состоит из трёх частей: ускорителя У-2, основного соленоида и выходного узла. У-2 вытягивает из взрывоэмиссионного катода и ускоряет в ленточном диоде электроны до энергии порядка 1 МэВ. Созданный мощный релятивистский пучок сжимается и инжектируется в основной соленоид, где в дейтериевой плазме возникает большой уровень микротурбулентности и пучок теряет до 40% своей энергии, передавая её электронам плазмы.

В нижней части установки находится основной соленоид и выходной узел.

30. А на верхней — генератор электронного пучка У-2.

31.

32. На установке проводятся эксперименты по физике удержания плазмы в открытых магнитных системах, физике коллективного взаимодействия электронных пучков с плазмой, взаимодействию мощных плазменных потоков с материалами, а также отработке плазменных технологий для научных исследований.

33. Идея многопробочного удержания плазмы предложена в 1971 г. Г. И. Будкером, В. В. Мирновым и Д. Д. Рютовым. Многопробочная ловушка — это набор соединенных пробкотронов, формирующих гофрированное магнитное поле.

34.

35. В такой системе заряженные частицы разбиваются на две группы: захваченные в одиночных пробкотронах и пролётные, попавшие в конус потерь одиночного пробкотрона.

36.

37.

38.

39. Последней в экскурсии, но, пожалуй, самой впечатляющей стала Газодинамическая ловушка (ГДЛ). Мне, человеку далёкому от науки, она напомнила какой-то космический корабль в сборочном цехе.

40. Важной проблемой УТС на основе открытых ловушек является термоизоляция плазмы от торцевой стенки. Дело в том, что в открытых ловушках, в отличие от замкнутых систем типа токамак или стелларатор, плазма вытекает из ловушки и попадает на плазмоприемники. При этом холодные электроны, эмитированные под действием потока плазмы с поверхности плазмоприемника, могут проникать обратно в ловушку и сильно охлаждать плазму.

41. В экспериментах по изучению продольного удержания плазмы на установке ГДЛ было экспериментально показано, что расширяющееся магнитное поле за пробкой перед плазмориемником в торцевых баках — расширителях препятствует проникновению холодных электронов в ловушку и эффективно термоизолирует плазму от торцевой стенки.

В рамках экспериментальной программы ГДЛ ведется постоянная работа по повышению устойчивости плазмы, уменьшению и подавлению продольных потерь плазмы и энергии из ловушки, исследованию поведения плазмы в различных условиях работы установки, повышению температуры мишенной плазмы и плотности быстрых частиц. Установка ГДЛ оснащена самыми современными средствами диагностики плазмы. Большинство из них разработано в ИЯФ и даже поставляется по контрактам для других плазменных лабораторий, в том числе и зарубежных.

42. Лазеры в ИЯФ повсюду и здесь тоже.

Вот такая экскурсия по Институту Ядерной Физики.

Также смотрите «Производство ядерных реакторов для АЭС» и «Башни Лауххаммера».