ИЯФ СО РАН - крупнейший академический институт страны

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук (ИЯФ СО РАН) создан в соответствии с постановлением Совета Министров СССР в мае 1958 года на базе руководимой Г.И. Будкером Лаборатории новых методов ускорения Института атомной энергии, возглавлявшегося И.В.Курчатовым. С 1977 года руководителем Института является академик А.Н. Скринский.

Сегодня ИЯФ СО РАН – крупнейший академический институт страны, один из ведущих мировых центров по ряду областей  физики высоких энергий и ускорителей, физики плазмы и управляемого термоядерного синтеза. В Институте проводятся крупномасштабные эксперименты по физике элементарных частиц на электрон-позитронных коллайдерах и уникальном комплексе открытых плазменных ловушек, разрабатываются современные ускорители, интенсивные источники синхротронного излучения и лазеры на свободных электронах. В последние годы здесь получен целый ряд результатов мирового уровня, вот несколько примеров.

Завершена серия прецизионных экспериментов с детектором КЕДР на электрон-позитронном коллайдере ВЭПП-4М в области полной энергии 2-4 ГэВ, в которых с лучшей в мире точностью измерены параметры семейства очарованных мезонов и тау-лептона. В результате этих экспериментов в таблицы свойств элементарных частиц ParticleDataGroup внесено 16 результатов, имеющих лучшую в мире точность. Идет активная работа по модернизации ускорительного комплекса и детектора для работы на высокой энергии.

Завершено создание и осуществлен успешный ввод в эксплуатацию нового электрон-позитронного коллайдера ВЭПП-2000. Экспериментально проверена и подтверждена идея «круглых» пучков, достигнута рекордная для установок такого класса удельная светимость, рекордное значение «параметра встречных пучков». В ходе экспериментов с детекторами СНД и КМД-3 набрано более 100 обратных пикобарн в области полной энергии от 0,4 до 2 ГэВ, в ближайшие годы предполагается десятикратное увеличение экспериментальной статистики.

Эти работы Института отмечены рядом государственных и академических премий, а в феврале 2013 года молодые ученые Института Ф.В.Игнатов и К.Ю.Тодышев стали лауреатами Премии Президента России.

Осуществлен физический запуск уникального высокопроизводительного источника позитронов для ускорительных комплексов Института, достигнут рекордный коэффициент конверсии электронов в позитроны, составляющий 0,14 обратных ГэВ, что примерно в 2,5 раза превосходит предыдущий рекорд, достигнутый на коллайдере PEP-II с лаборатории SLAC (Стэнфорд, США).

В Институте создан первый в мире четырехдорожечный ускоритель-рекуператор. Установки такого типа могут применяться для генерации субпикосекундных импульсов рентгеновского излучения высокой яркости с частотой повторения десятки мегагерц и мощного рентгеновского излучения для новых технологий. На базе установки создан и успешно работает Новосибирский лазер на свободных электронах – уникальный источник электромагнитного излучения с рекордной мощностью когерентного излучения в субмиллиметровом диапазоне длин волн. ЛСЭ активно используется 28 группами из различных российских и зарубежных организаций для мультидисциплинарных исследований в режиме центра коллективного пользования. В 2010 году работа удостоена Государственной премии Российской Федерации (Н.А.Винокуров).

На станциях синхротронного излучения накопителей ВЭПП-3 и ВЭПП-4 проводят эксперименты исследовательские группы более чем из 50 институтов и других организаций, в том числе – 28 институтов СО РАН и 7 университетов.

Институт усиливает свои лидерские позиции как разработчик устройств для генерации синхротронного излучения рекордной яркости. В числе последних результатов – разработка и создание системы вигглеров для источника синхротронного излучения PETRA III в лаборатории DESY (Гамбург), позволившей получить рекордный фазовый объем пучка с эмиттансом 1 нм-рад, уникальный 119-полюсный сверхпроводящий вигглер с рекордной яркостью излучения в области рентгеновского диапазона для источника СИ ALBA-CELLS (Испания), разработки для США, Италии, Австралии, Бразилии.

Завершено изготовление и осуществлен успешный запуск в Центре коллективного пользования СО РАН «Геохронология кайнозоя» первого в России ускорительного масс-спектрометра. Началась совместная с институтами СО РАН и вузами работа по датировке археологических образцов, применению метода для исследований в области геологии, медицины, фармакологии и других областях.

Ряд важных научных результатов получен на осесимметричных магнитных ловушках Института – установках ГОЛ-3 и ГДЛ. На газодинамической ловушке ГДЛ достигнута рекордная для осесимметричных магнитных ловушек открытого типа величина давления плазмы по отношению к давлению магнитного поля – бета = 0,6, что дает надежные предпосылки для создания мощных нейтронных источников и реакторов ядерного синтеза на базе осесимметричных магнитных ловушек. При дополнительном СВЧ нагреве плазмы на установке ГДЛ достигнута рекордная для квазистационарных магнитных ловушек открытого типа величина электронной температуры 0,9 кэВ. На установке ГОЛ-3 при инжекции мощного электронного пучка наблюдался эффективный коллективный нагрев плазмы, достигнуто практически стационарное состояние системы пучок-плазма; этот результат имеет важное значение для проекта многопробочного термоядерного реактора.

В Институте достигнут существенный прогресс в разработке атомарных инжекторов и ионных источников, в частности, создан стационарный источник с рекордным током пучка отрицательных ионов, составляющим 25 мА. Уникальные параметры источника позволяют использовать его для реализации прорывных проектов в области ядерной медицины, ускорительной техники, в исследованиях по ядерной физике и управляемому  термоядерному синтезу.

Для российского федерального ядерного центра ВНИИТФ (г. Снежинск) разработан и создан сильноточный инжектор линейного индукционного ускорителя. Получены проектные параметры установки, кардинально превосходящие все имеющиеся в мире аналоги.

Уникальные установки и оборудование Института составляют основу инфраструктуры для широкого спектра междисциплинарных научных и научно-технологических исследований, проводимых в созданных при Институте четырех Центрах коллективного пользования: Сибирском Центре синхротронного и терагерцового излучения, Центре фотохимических исследований, Центре геохронологии кайнозоя, Центре радиационных технологий. Возможностями Центров ежегодно пользуются сотни организаций.

Прошедшие годы ознаменованы успешной реализацией нескольких крупных проектов в рамках сотрудничества с международными исследовательскими центрами.

Система электронного охлаждения, установленная на ионном накопителе низкой энергии LEIR  в ЦЕРНе, позволила осуществить накопление ионных пучков необходимой интенсивности и провести на LHC первое в мире прямое наблюдение явления подавления струй при столкновении тяжелых ионов. Разработана, изготовлена и введена в эксплуатацию на немецком накопителе COSY (г.Юлих) установка высоковольтного электронного охлаждения протонного пучка с рекордным темпом охлаждения; получены проектные параметры охлаждения протонного пучка.

В рекордные сроки – за 3 года – выполнена крупная работа «под ключ» по разработке, изготовлению и запуску бустерного синхротрона, а также квадрупольных линз основного кольца для нового источника СИ NSLS-II с энергией 3 ГэВ и рекордно высокой для такого класса установок проектной интенсивностью пучка, создаваемого в Брукхевенской национальной лаборатории (США).

Вошли в активную фазу эксперименты на Большом адронном коллайдере, где летом 2012 года открыт бозон Хиггса, развивается сотрудничество с лабораторией КЕК (Япония), где создается супер В-фабрика. Институт активно участвует в создании крупных европейских мегаустановок – рентгеновском лазере на свободных электронах XFEL (Гамбург, Германия), современном ускорительном комплексе для ядерно-физических исследований FAIR (Дармштадт, Германия), проекте международного термоядерного реактора ITER (Кадараш, Франция), имеют хорошие перспективы по ряду других направлений международного сотрудничества.

Для развития Института нужны собственные новые, как теперь принято выражаться, амбициозные научные проекты, в числе которых - ускорительный комплекс со встречными электрон-позитронными пучками – Супер Чарм/Тау-фабрика, новый специализированный источник синхротронного излучения, новая установка для исследования физики высокотемпературной плазмы – газодинамическая многопробочная ловушка (ГДМЛ). В Институте разработаны концептуальные проекты этих новых установок класса мега-сайенс, предпринимаются все усилия для принятия правительственного решения о реализации этих проектов.

***

Одной из отличительных особенностей Института является реализация уникальной для современной России цепочки ''от идеи до готовых уникальных исследовательских комплексов и высокотехнологичного оборудования''. Ключевыми звеньями этой цепочки, наряду с научными лабораториями, являются научно-конструкторский отдел (около 100 человек), обеспеченный современными системами 3D-проектирования сложных электрофизических систем и оборудования, и крупное экспериментальное производство (около 700 человек) с высоким уровнем технического и технологического оснащения. Сложившаяся в Институте система доказала свою эффективность не только для модернизации и развития существующих и создания новых уникальных научных установок как для Института, так и для крупных российских и международных исследовательских центров, но и для разработки отечественных наукоемких технологий и создания наукоемкой и высокотехнологичной продукции, в том числе – для решения задач, имеющих социальное значение. Вот несколько примеров результатов прикладных исследований и разработок ИЯФ, востребованных предприятиями реального сектора экономики и сферы услуг.

1) Промышленные ускорители электронов высокой мощности ''появились'' в Институте ядерной физики в начале 70-х годов XX века как ''побочный'' продукт при разработке установок для исследований в области физики высоких энергий.  Широкое применение нашли две серии промышленных ускорителей: ускорители выпрямительного типа серии ЭЛВ (энергия от 0,4 до 2,5 МэВ при мощности пучка до 400 кВт при КПД ''от розетки'' больше 90%) и ускорители высокочастотного резонаторного типа серии ИЛУ (энергия от 0,6 до 10 МэВ при мощности пучка до 100 кВт).

            Основными областями применения промышленных ускорителей являются:

-     модификация полимерных материалов (провода и  кабельные изделия повышенной термостойкости с полиэтиленовой,  хлорвиниловой и силиконовой электроизоляцией для использования в самолетостроении, космическом аппарато­стро­ении, судостроении, радиоэлектронике, атомной энергетике и других отраслях промышленности, термоусаживаемые трубки, шланги, манжеты, пленки, ленты для электромонтажа и защиты трубопроводов от коррозии;

- стерилизация, дезинфекция и дезинсекция широкого круга изделий и продуктов (одноразовые изделия для медицинских применений, зерно на элеваторах, различные пищевые продукты для длительного хранения в промышленных холодильниках и т.д);

- очистка сточных вод и дымовых выхлопов предприятий и тепловых электростанций;

- перспективными направлениями являются производство нанопорошков и фармпрепаратов нового поколения.

К настоящему времени Институтом разработано, изготовлено и поставлено российским предприятиям и иностранным фирмам более 200 ускорителей серий ЭЛВ и ИЛУ. В связи с высокой надежностью и долговечностью промышленные ускорители производства ИЯФ СО РАН оказались широко востребованы на мировом рынке высоких технологий. Среди стран-покупателей – США, Япония, Корея, Малайзия, Индия, Италия, Германия, Чехия, Польша, Венгрия и др. В последнее время главным зарубежным потребителем промышленных ускорителей производства ИЯФ является Китай, на предприятиях которого установлено более 50 ускорителей производства ИЯФ. В России, в частности, в Сибирском регионе, благодаря ускорителям ИЯФ, сформировался и активно развивается рынок одноразовых медицинских изделий.

2) Малодозовые цифровые рентгенографические установки (МЦРУ) сканирующего типа со сверхнизким уровнем облучения пациента для медицины и систем безопасности. Установка предназначена для широкого круга рентгенологических обследований. Обследование на установке характеризуется рекордно низкой величиной дозы облучения пациента (1 мкЗв), высокой скоростью получения готового для анализа изображения (5 сек), высоким динамическим диапазоном (10³) и удобством архивирования больших массивов данных. В настоящее время в клиниках России работает около 300 таких установок. МЦРУ производятся в России, а также, по лицензии Института, – в Китае, Южной Корее и Казахстане.

В связи с возросшей угрозой террористических актов стала крайне актуальной проблема массового досмотра граждан в аэропортах, на вокзалах, правительственных зданиях, местах проведения массовых зрелищ и т.п. Цель досмотра – обнаружение любых подозрительных, в том числе и неметаллических, предметов и веществ, наличие которых незаконно и которые человек пытается скрыть в одежде, а также внутри тела.

На основе опыта, полученного при разработке МЦРУ, в ИЯФ СО РАН была создана система рентгеновского контроля (СРК) ''Сибскан''. Благодаря принципу сканирования удалось получить большой размер снимка (2000 х 800 мм). Высокие контрастность и пространственное разрешение позволяют обнаруживать подозрительные малоконтрастные объекты под одеждой и в полостях тела человека. Доза облучения за один досмотр составляет 1 мкЗв, что эквивалентно дозе от природного радиационного фона за 10 минут полета на высоте 10 км.

Установки разработки ИЯФ были установлены в московском аэропорту “Домодедово”, в аэропортах Санкт-Петербурга, Новосибирска, Сыктывкара и Ханты-Мансийска. Программное обеспечение, автоматизирующее анализ рентгеновского изображения, обеспечивает высокую пропускную способность установки (2 чел./мин). Система защищена патентом. Лицензии на производство “Сибскан” куплены компаниями Японии, Южной Кореи и Китая.

3) Оборудование для ядерной медицины, в первую очередь – для комплексов протонной и ионной терапии онкологических заболеваний. В Институте разработан проект ионного синхротрона для терапии рака с использованием системы электронного охлаждения – метода уменьшения фазового объема пучков тяжелых частиц, предложенного и впервые реализованного в ИЯФ в 60-70-х годах прошлого века. Электронное охлаждение придает новые перспективные качества терапевтическому комплексу, в частности, позволяет прецизионно облучать опухоли, уменьшая радиационную нагрузку на здоровые ткани, а также, существенно уменьшить апертуру, габариты и потребление энергии в магнитах систем разводки пучка и облучения, делая весь комплекс существенно дешевле. Разработанная и созданная в ИЯФ СО РАН установка электронного охлаждения успешно используется для радиационной терапии онкологических заболеваний в Институте современной физики в г. Ланчжоу (Китай). Недавно Институт завершил создание оборудования для терапевтического комплекса MedAustron в Австрии.

Суммарный объем средств, полученных Институтом за последние 5 лет в рамках контрактов и договоров на разработку и поставку промышленных ускорителей электронов, рентгеновских сканеров для медицины и систем безопасности, оборудования для комплексов протонной и ионной терапии онкологических заболеваний, а также от оказания услуг по радиационной обработке, превысил 1 млрд. рублей.

Материал подготовил А.Васильев