Элементарное ускорение

29.11.2018

Андрей САМОХИН

Прикладная наука невозможна без фундаментальных исследований, позволяющих понять природу явлений и проникнуть в суть вещей. Это хорошо понимали в CCCР, когда 55 лет назад заложили в серпуховских лесах у реки Протвы научный городок с самым большим в мире ускорителем протонов. Над чем сейчас работают ученые в знаменитом Институте физики высоких энергий в городе Протвино, выяснила «Культура».

Фото: Всеволод Тарасевич/РИА НовостиДва часа от Москвы и двадцать минут до старинного Серпухова — отнюдь не глушь. Статус наукограда Протвино получил совсем недавно, но с 1970-х здесь царит особая атмосфера — сосны между добротными домами, чистейший воздух. Когда-то к этому добавлялись спецснабжение, частые концерты столичных знаменитостей в ДК «Протон», веселые праздники в кафе «Орбита» под музыку ВИА «Мезон». Недаром здесь так любили снимать кино — «4:0 в пользу Танечки», «Кыш и Два портфеля», «Завтрак на траве»... 

Когда смотришь кинохронику строительства института и поселка вокруг него, невольно проникаешься духом тех лет: просеки, трелевочные тракторы, первопроходцы, дающие имена будущим улицам. Несмотря на принадлежность объекта «Серпухов-7» могучему Минсредмашу, ученым сразу же удалось добиться статуса научного центра, открытого для международного сотрудничества.

Ускоритель — синхротрон на 70 ГэВ (гигаэлектронвольт) длиной полтора километра сдавали ударными темпами к 50-летию Октября, и в 1967-м все было готово в срок. Вплоть до 1972 года У-70 держал первенство и оставался крупнейшим ускорителем в мире, затем уступив Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (Фермилаб) в США и Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) в Швейцарии. Но и сейчас это самый крупный синхротрон в России и Восточной Европе.

Былое и думы

Охрана на проходной, обширные продуваемые морозным ветром институтские пространства, массивные сооружения и недостроенные здания... А глубоко под землей — циклопический коллайдер УНК (ускорительно-накопительный комплекс) длиной 21 километр — так и не заработавший флагман советской науки. Но сотрудникам института некогда печалиться о прошлом. Есть текущая научная работа, достижения, надежды.

Ускоритель У-70 включен, и потому к нему нельзя попасть без спецдопуска. Ограничиваемся посещением зала управления и некоторых других подразделений института. По дороге Юрий Рябов, в прошлом много лет проработавший в должности ученого секретаря института, делится воспоминаниями.

— Я пришел сюда в 67-м — дипломником МИФИ, — говорит он. — Экспериментальная база была готова сразу же после ввода синхротрона, а не через годы, как в других центрах. Наш первый легендарный директор Анатолий Алексеевич Логунов — будущий вице-президент АН СССР и ректор МГУ — собрал сильный коллектив ученых и специалистов, многие пришли из Дубны. Поскольку ускоритель был на тот момент крупнейший, сюда как магнитом потянуло физиков со всего мира. Были заключены международные соглашения с комиссариатом по атомной энергии Франции и с ЦЕРН. Французы немедленно соорудили и привезли в Протвино крупнейшую в мире пузырьковую водородную камеру — прибор для фиксации треков пролетевших элементарных частиц.

Анатолий Логунов и Жорж ПомпидуТогда для почти двухсот специалистов и членов их семей был построен многоэтажный дом, так и называющийся с тех пор «французским». Перед запуском ускорителя Протвино посетил премьер-министр Жорж Помпиду. Особые ответственность и хлопоты институтского начальства в связи с этим визитом вылились в шутливую частушку: «Не на радость — на беду, к нам приехал Помпиду».

— Когда французы уехали, — продолжает Юрий Григорьевич, — наши инженеры, немного подумав, модернизировали их пузырьковую камеру так, что она стала работать вдвое быстрее — в ускорительный цикл смогли получать не один, а два снимка. Ускоритель — это, по сути, очень большой динамический микроскоп, позволяющий увидеть объекты на порядок более мелкие, чем электронный, — поясняет ученый. — С помощью энергии пучка заряженных частиц в 70 миллиардов электронвольт мы смогли прощупывать материю на расстояниях 10 в минус 16 степени сантиметров, что сравнимо с размером самого протона — одного из двух кирпичиков сущего.

На У-70 был сделан ряд открытий мирового значения: экспериментально обнаружены ядра антигелия и антитрития, подтверждена гипотеза о составном строении протонов («масштабная инвариантность»), а также открыт «Серпуховский эффект», установивший закономерность: с ростом энергии (и соответственно — скорости) частицы интенсивность ее взаимодействия с другими частицами возрастает, а не падает, как считали ранее.

У-70В 1984–1985-м прошла серьезная модернизация — замена системы инжекции — «вброса» протонов в ускорительное кольцо. В Протвино разработали новый тип линейного ускорителя, получившего в мире имя советского физика Владимира Теплякова. В нем частицы фокусируются с четырех полюсов с помощью электромагнитных полей. В результате уменьшился масштаб установки, повысилась на порядок интенсивность пучка частиц — эксперименты стали проходить в 10 раз быстрее.

Принципиальный рывок предприняли в середине восьмидесятых, начав сооружение огромного подземного кольца на глубине от 20 до 70 метров. Новый ускорительно-накопительный комплекс (УНК) — протон-протонный коллайдер на сверхпроводящих магнитах с проектной энергией пучка 3000 ГэВ — претендовал на повторение мирового лидерства. Но не успел — Большой адронный коллайдер в ЦЕРН с длиной кольца около 27 километров и с гораздо большей энергией разгона частиц уже вовсю строился. С развалом СССР, когда госфинансирование протвинского проекта начало сходить на нет, БАК остался вне конкуренции. «На последнем дыхании» в 1994-м протвинцы ввели в строй и испытали протонами первый участок УНК — подземный канал длиной 2,7 км, соединяющий новый ускоритель со старым.

После остановки работ по коллайдеру мегасооружение, уже начиненное кабелями, отводными туннелями, шахтами, пришлось годами поддерживать, откачивая подземную воду дренажными насосами, а в последние годы борясь с «диггерами», которые проникают сюда через вентиляционные шахты и даже, как этакие «сталкеры», водят экскурсии. После окончания консервации четыре года назад УНК получил статус недостроенного объекта с туманным будущим.

Коллайдер УНК — ​невостребованная мощь

— Да, бесповоротно ушло энергетическое первенство, но научные области применения у него все же нашлись бы, — считает Рябов. — Однако даже массивным вливанием денег УНК сегодня не реанимируешь. Главная проблема — дефицит российских научных и инженерных кадров. За исследованиями на «переднем фронте» все рвутся в ЦЕРН. Были предложения использовать кольцо для изучения широких атмосферных ливней в целях космической отрасли. Компания РЖД хотела испытывать под землей новую транспортную систему на воздушной подушке. Но никакого продолжения эта история не получила.

Властелины пучков

Заходим в здание главного пульта ускорителя. Электронные стойки управления, а перед ними полукругом — экраны осциллографов между огромными компьютерными мониторами. По ним ползут разноцветные кривые.

Аркадий Ермолаев — ведущий инженер, работающий здесь с самого открытия, с горением истинного популяризатора объясняет устройство синхротрона. На большом чертеже У-70 он показывает направление потока частиц, где стоят квадрупольные линзы, магниты, создающие импульс, а в их промежутках — ускоряющие станции. Все эти приспособления «раскручивают» заряженные частицы, заставляя их бежать быстрее. Сперва по малому, а потом по большому кругу, удерживая магнитными полями в кольцевом потоке точно вдоль продольной оси и не давая «высаживаться» на стенках вакуумной камеры. Весь цикл ускорения занимает порядка 9 секунд. За это время поток протонов делает около 400 тысяч оборотов, нарастив массу в 50 раз! В итоге вся эта протонная карусель выходит на так называемое «плато», то есть стабильный энергетический уровень, после чего его поток можно выводить через разные каналы к потребителю — экспериментатору. Интенсивность выброшенного из кольца сгустка энергии зависит от того, за какое время он был выведен: от наносекунд до двух секунд.

Зал  управления ускорителем U-70 Аркадий Дмитриевич отмечает, что именно протвинцы стали первопроходцами в системе вывода протонного пучка из кольца ускорителя с помощью миниатюрного кристалла кремния особой формы. Прежнюю громоздкую систему фокусировки летящих с бешеной скоростью частиц научились заменять природной кристаллической решеткой самого кремния, повысив эффективность вывода многократно.

«Видите пик на этом графике?» — спрашивает Владимир Калинин, молодой заместитель начальника отделения ускорительного комплекса, показывая на большой монитор. — Это энерговсплеск вывода очередного банча. На осциллографе он предстает в виде мгновенного облачка. С этим облачком — вернее, со следами частиц из него, оставивших свою «роспись» по ту сторону ускорителя, сейчас колдуют невидимые мне исследователи из атомного Сарова.

Доктор Фауст, запиравший духов в магическом круге заклинаниями и геометрическими фигурами, не чета этой электромагнитной машинерии, с помощью которой без всякой мистики удается манипулировать материей на тонком ее уровне.

Тайны материи

Сотрудники Института физики высоких энергий («НИЦ «Курчатовский институт»–ИФВЭ) участвуют во всех четырех крупных международных экспериментах, проходящих на Большом адронном коллайдере, разрабатывают научные программы, производят уникальное оборудование, анализируют полученные данные.

— Когда открывается возможность изучить материю на новом энергетическом уровне, то сначала физики снимают «сливки» — обозначают «верхушку дерева» исследований, — рассказывает ученый секретарь ИФВЭ Николай Прокопенко. — А затем начинается кропотливая работа по наращиванию ствола и ветвей.

Мониторы потерьВ Протвино рождались многие технологии: сверхпроводящие магниты, методы предотвращения потерь энергии и уменьшения радиационного разогрева... Немало из этого нашло применение в Большом адронном коллайдере. Всего институт выполнил для ЦЕРНа работ более чем на 80 миллионов швейцарских франков. И этот накопленный опыт — наш актив.

— В прошлом году мы получили премию правительства РФ в области науки и техники за работы по исследованию плотной и сверхплотной материи, которые велись на протяжении нескольких лет, — отмечает Прокопенко. — Были получены результаты мирового уровня, часть из них закрытые, по оборонной тематике. За последние пять лет это отнюдь не единственная награда института. Однако финансирование, за ту же пятилетку, никак не росло. Основа — госзадание объемом  около миллиарда рублей. Других доходных статей институтского бюджета совсем немного.

В Протвино есть уникальные компетенции вроде технологии «джакетирования»: втягивание сверхпроводящего кабеля в стальные нержавеющие трубки длиной в километр, в которых потом создают вакуум. Только здесь имеется подобная технологическая линия, разработанная совместно с Институтом кабельной промышленности в Подольске.

Протвинская физика плотно встроена как важный кластер в мировую науку. Суперкомпьютер на системе распределенных вычислений связывает ИФВЭ с основными ведущими ускорительными центрами. В свою очередь, здешний ускоритель является центром коллективного пользования для сторонних ученых. 

Фото: Всеволод Тарасевич/РИА Новости— Когда-то у нас работало около 10 тысяч физиков и инженеров, — продолжает Прокопенко, — сейчас же порядка 1700. Из них молодых, до 35 лет, — всего около ста двадцати. В институте есть аспирантура на пять бюджетных мест, предоставляем служебное жилье в городе, однако выпускники профильных вузов едут к нам неохотно. Зарплаты ученых, хоть и повышаемые постоянно в связи с указом президента, не могут конкурировать с частным сектором. Конечно, молодой сотрудник, серьезно занимающийся наукой, способен значительно улучшить свое материальное положение за счет грантов. Но таких активных всего несколько человек.

Однако сегодня на базе направлений ИФВЭ созданы десятки наукоемких предприятий, разрабатывающих на заказ софтвер, современные рентгеновские аппараты и многое другое. Сам институт участвует в новом городском проекте — создании роботизированной фабрики по производству радиофармпрепаратов.

Ученый секретарь рассказывает о придорожных щитах дистанционного радиационного контроля проезжающего транспорта, которые сконструировали местные специалисты. Один из таких стоит на главном въезде в Протвино. «Мы могли бы обеспечить подобными устройствами все отечественные аэропорты, вокзалы. Но пока никто не интересуется»,— отмечает он.

Антираковый корпус

Самые перспективные пути в будущее здесь связаны с медициной. Ученым института в Протвино удалось «переквалифицировать» И-100 (бывший инжектор синхротрона У-70) на ускорение многозарядных ионов углерода, оказавшихся сверхэффективными для облучения злокачественных опухолей. Был создан уникальный лазерный источник, испаряющий из углеродной заготовки вещество, ионы которого затем ускоряются в несколько приемов, в том числе через кольцо У-70.

Физики научились замедлять этот углеродный пучок через миниатюрную бериллиевую мишень и специальную емкость с водой, так что выходные параметры отвечают требованиям радиобиологов. Ионы углерода хороши тем, что не воздействуют на опухоль химически, как протоны или электроны, и не облучают при этом здоровые ткани организма. При правильном расчете пучка они с высокой точностью «режут» саму спираль ДНК раковых клеток. Два-три коротких сеанса — и опухоли как не бывало!

В ИФВЭ около десяти лет назад начались совместные эксперименты с Медицинским радиологическим научным центром им. А.Ф. Цыба (Обнинск). На первой ступени работали с отдельными клетками, затем перешли на подопытных животных. Результаты — отличные. Уже создана турель и специальное кресло для пациентов, которое будет устанавливаться с точностью до миллиметра. Все это для того, чтобы попасть пучком углеродных частиц на пике выделения ими энергии в центр опухоли.

Комплекс протонной терапииДальнейшее продвижение проекта требует немалых инвестиций не столько на исследования, сколько на медицинскую сертификацию. Прообраз установки готов, есть даже здание для возможного лечебного полустационара. Протвино может стать крупным радиологическим центром всероссийского значения. Кстати, именно здесь живет член-корреспондент РАН Владимир Балакин — разработчик уникального компактного протонного ускорителя для лечения рака.

Под мюонным дождем

Ринат Фахрутдинов, руководитель сектора больших трековых детекторов, показывает зал, где собирают эти высокотехнологичные уникальные трубки с газовым наполнением и тончайшей вольфрам-рениевой золоченой проволокой внутри.

С начала этого века уже 76 тысяч таких детекторов (самая большая доля из всех стран-участниц) отправились в ЦЕРН для установки ATLAS. Тысячи еще пойдут туда по новому контракту.

Ученый с гордостью поясняет, что научно-технический конкурс еще в конце 90-х признал протвинскую технологию создания трековых детекторов оптимальной и закрепил ее в качестве стандарта для всех остальных мировых производителей.

Мюонный томографВ соседнем зале отдельная инициативная разработка — уникальный в России мюонный томограф, основанный на старой идее американского физика Луиса Альвареса. Это внушительная трехметровая конструкция из двух многослойных плит: вверху — сборки трековых детекторов, внизу — тележка на рельсах, по бокам — датчики.

— Каждую минуту земную горизонтальную квадратную площадку со стороной 1 см из космоса пролетает один мюон (неустойчивая элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом), — поясняет Ринат Макаримович.— Мюонный поток практически равномерен, лишь немного варьируется в зависимости от географической широты и сезона. Космические частицы эти легко проникают через любые земные материалы, но угол рассеяния у них различен. То есть, фиксируя поток мюонов на входе и выходе, можно обнаружить, какие материалы скрыты в контейнере. Особенно быстро и эффективно определяются тяжелые радиоактивные элементы — уран и его производные, даже экранированные толстыми свинцовыми стенками от обычного радиационного контроля. При этом на мониторе компьютера вырисовывается трехмерная модель с размерами скрытого предмета. Такая мюонная «просветка» не несет лучевой нагрузки ни персоналу, ни контролируемым грузам и транспорту.

— Ну, как для чего это? — удивляется Фахрутдинов моему вопросу, — предотвращение радиационного терроризма, таможенный контроль в больших транспортных узлах, проверка тщательности утилизации и захоронения ядерных отходов. Можно также мониторить уничтожение боеголовок ядерных ракет по международным договорам. Были предложения «просветить» мюонами египетские пирамиды, анализировать состояние внутренних конструкций аварийных строений.

Но пока эта установка остается экспериментальной. Росатом профинансировал оснащение томографа новой электроникой.  Следом необходимы были сертификация и натурные испытания. Но помощь вышестоящих организаций на этом остановилась. Видимо, до лучших времен. 

Есть надежда, что лучшие времена наступят однажды в ИФВЭ и для радиационной углеродной терапии, и для подземного ускорителя, чьи бетонные стены уже четверть века точит вода. Пока же, идя по дорожке от института в город, мимо припорошенных первым снегом сосен, видишь навязчивую трафаретную рекламу на асфальте: «Куплю новые и б/у радиодетали».


Фото на анонсе: Кирилл Каллиников/РИА Новости



Распечатать

Поделиться

Назад в раздел
Оставить свой комментарий
Вы действительно хотите удалить комментарий? Ваш комментарий удален Ошибка, попробуйте позже
Закрыть
Закрыть