Институт Ядерной Физики (ИЯФ СО РАН)

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.

Источник: Жжурнал/dedmaxopka

Оригинал текста взят отсюда.
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.

Средняя зарплата у нас меньше, чем у соседей, а распределение ее далеко не всегда кажется справедливым, однако большинство ияфовцев с этим смиряются, ибо понимают, над чем работают и чего ради отказываются от увеличения зарплаты. Каждый процент, выложенный в нее, означает минус дни работы установок. Все просто.
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.

У нас два постоянно работающих ускорителя: ВЭПП-2000 (сокращение ВЭПП, которое часто будет встречаться, означает «встречные электрон-позитронные пучки»), на котором работает аж два детектора – КМД и СНД (криогенный магнитный детектор и сферический нейтральный детектор) и ВЭПП-4М с детектором КЕДР. Комплекс ВЭПП-4М содержит в себе еще один ускоритель – ВЭПП-3, где проводятся эксперименты, связанные с СИ (СИ есть и на ВЭПП-4, однако это новые станции, они пока что еще в зачаточном состоянии, хотя активно развиваются в последнее время и одна из последних кандидатских диссертаций у СИшников защищена как раз в этом направлении).

Кроме того, у нас есть ЛСЭ, который прямо предназначен для работы с терагерцовым излучением для всех желающих со стороны, поскольку в ИЯФе ему не придумали пока «прямого» предназначения. Кстати, уже после этой экскурсии стало известно, что руководитель ЛСЭ Винокуров Николай Александрович был избран член-корреспондентом РАН.

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.

У нас есть собственное направление в области физики плазмы, связанное с удержанием плазмы (где должна проходить термоядерная реакция) в открытых ловушках. Такие ловушки есть только в ИЯФ и, хотя они не позволят осуществить главную задачу «термояда» – создание управляемого термоядерного синтеза, но зато они позволяют существенно продвинуться в области исследований параметров этого УТС.

Что делается на всех этих установках?

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.

Чем берет ИЯФ в этой области? Высочайшей точностью своих исследований. Дело в том, что жизнь устроена так, что все более легкие частицы дают свой вклад в рождение более тяжелых, и чем точнее мы знаем их массу-энергию, тем лучше знаем и вклад в рождение даже бозона Хиггса. Вот этим ИЯФ и занимается – получает супер-точные результаты и исследует разные редкие процессы, для «вылавливания» которых нужна не просто установка, а много-много хитрости и ловкости от исследователей. Мозгами, короче, берет, чем еще-то? И в этом смысле хорошо выделяются все три ИЯФовских детектора – КМД, СНД и КЕДР (у него нет расшифровки названия)

Самый большой из наших детекторов — КЕДР. Недавно на нем завершили цикл экспериментов, позволивших измерить массу так называемого тау-лептона, который во всем аналог электрона, только намного тяжелее, и J/Psi – частицы, первой из частиц, где «работает» четвертый по массе кварк. И еще раз поясню. Всего кварков, как известно, шесть — у них очень красивые и даже экзотические названия, по которым называют частицы, куда они входят (скажем, «очарованная» или «странная» частицы означают, что в их состав входят соответственно charm и strange кварки):

Названия кварков не имеют никакого отношения к реальным свойствам разных вещей — произвольная фантазия теоретиков. Данные в кавычках названия являются принятыми русскоязычными переводами терминов. Я к тому, что нельзя «прелестный» кварк назвать красивым или прекрасным — терминологическая ошибка. Такие вот лингвистические сложности, хотя t-кварк часто называют попросту топ-кварк 🙂

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.

В области физики ускорителей дело обстоит лучше. ИЯФ – один из создателей коллайдеров вообще, т.е. мы уверенно можем считать себя одним из двух институтов, где этот метод родился почти одновременно (с разницей в единицы месяцев). У нас впервые встретились вещество и антивещество так, что с ними можно было проводить эксперименты, а не наблюдать это самое антивещество как нечто удивительное, с чем работать нельзя. Мы до сих пор предлагаем и пытаемся реализовать ускорительные идеи, которых еще нет в мире, а наши специалисты иногда не вылезают из зарубежных центров, готовых взяться за их реализацию (у нас это дорого и долго). Мы предлагаем новые проекты «фабрик» – мощных ускорителей, которые могут «рождать» огромное количество событий на каждый оборот пучка. Одним словом, тут, в области ускорительной физики, ИЯФ может смело претендовать на Институт мирового класса, не потерявший своего значения все эти годы.

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.

Сегодня ИЯФ планирует создание так называемой c-tau (це-тау) фабрики, которая может стать самым крупным проектом в фундаментальной физике России за последние десятилетия (если мегапроект будет поддержан Правительством России), ожидаемые результаты без сомнения будут на уровне лучших мировых. Вопрос, как всегда, в деньгах, которые Институт вряд ли сможет заработать сам. Одно дело – поддерживать текущие установки и очень медленно делать новое, другое – конкурировать с исследовательскими лабораториями, получающие полноценную поддержку своих стран или даже таких объединений, как ЕС.

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.

Зачем на плазме ускоритель? Все просто — в задаче получения термоядерной энергии есть две главных проблемы: удержание плазмы в магнитных полях хитрой структуры (плазма — это облако заряженных частиц, которые норовят растолкнуться и расползтись в разные стороны) и ее быстрый разогрев до термоядерных температур (представьте — вы чайник до 100 градусов греете несколько минут, а тут надо за микросекунды до миллионов градусов). Обе задачи в ИЯФ попытались решить методами ускорительных технологий. Результат? На современных ТОКАМАКах давление плазмы к давлению поля, которое можно удержать составляет максимум 10%, в ИЯФ на открытых ловушках — до 60%. Что это означает? Что в ТОКАМАКе нельзя осуществить реакцию синтеза дейтерий+дейтерий, там можно использовать только очень дорогой тритий. В установке типа ГОЛ можно было бы обойтись дейтерием.

А теперь перейдем к другой плазменной установке ИЯФ — ГДЛ (газодинамическая ловушка). С самого начала эта ловушка плазмы не ориентировалась на термоядерную реакцию, она была построена для изучения поведения плазмы.

У физики плазмы есть и свои мечты, они хотят создать новую установку — ГДМЛ (м — многопробочная), разработка ее началась в 2010 году, ну, а когда закончится — никто не знает. Кризис влияет на нас самым существенным образом — наукоемкие производства сокращаются первыми, а с ними и наши заказы. При наличии финансирования, установку можно создать за 4-6 лет.

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.

В ИЯФе на почти 3000 человек научных сотрудников всего чуть более 400, считая с аспирантами. И вы же все понимаете, что у станка стоит не научный сотрудник, а чертежи на новые ускорительные кольца тоже делают не аспиранты со студентами. В ИЯФ большое количество инженерно-технических работников, куда входит и огромный конструкторский отдел, и технологи, и электрики, и радиоинженеры, и… еще десятки специальностей. У нас большое количество рабочих (около 600 человек), механиков, лаборантов, радиолаборантов и еще сотни других специальностей, о которых я иногда даже не догадываюсь, ибо это никого особо не интересует. Кстати, ИЯФ – одно из тех редких предприятий страны, которое ежегодно проводит конкурс молодых рабочих – токарей и фрезеровщиков.

Мы – ияфовцы, мы – единый организм и это главное у нас в Институте. Хотя очень важно, конечно, что возглавляют весь технологический процесс физики. Они не всегда понимают детали и тонкости работы с материалами, однако они знают, чем все должно закончится и помнят, что маленький сбой где-то у рабочего на станке приведет к тому, что встанет многомиллионнодолларовая установка где-нибудь у нас, или в мире. И поэтому какой-нибудь зеленый студент может даже не понять объяснений инженера, но на вопрос «можно ли это принять» будет отрицательно мотать головой, точно помня, что ему вынь да положь точность в пять микрон на базе метра, иначе кранты его установке. И уж дальше задача технологов и инженеров придумать, как же ему, злодею, обеспечить то его немыслимые требования, которые идут вразрез со всем, что у нас обычно делается. Но придумывают и обеспечивают, и вкладывают при этом немыслимо много ума и изобретательности.

Спасибо Elena Elk за организацию фотосъемки и подробные рассказы об установках.