В Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ) завершили многолетнюю работу по созданию новой установки электронного охлаждения протонных пучков для ускорительного комплекса COSY (Cooler synchrotron) в немецком Исследовательском центре Юлиха. Имея рабочее напряжение 2 млн. В, она позволит осуществлять этот процесс с рекордной скоростью. Это открывает новые возможности для проведения уникальных экспериментов по рассеянию поляризованных протонов на внутренних мишенях, изучению ядерных сил, восполнению пробелов в экспериментальных данных о структуре нуклонов. О новаторской технологии корреспонденту газеты "Наука в Сибири" Александру Надточий рассказал один из разработчиков метода, директор института, член-корреспондент РАН Василий Пархомчук.

Революционная идея электронного охлаждения тяжелых частиц, отметил он, принадлежит отцу-основателю ИЯФ академику Гершу Будкеру (1918 - 1977). Еще в 1965 г. он предложил сквозь быстро движущийся в вакууме "горячий" протонный пучок пропускать имеющий ту же скорость, но меньшую температуру "холодный" электронный сгусток. По закону Кулона (открыт французским физиком Шарлем Кулоном в 1785 г.), описывающему силы взаимодействия электрических зарядов, между "холодными" и "горячими" частицами происходит интенсивный теплообмен, в результате пучок тяжелых протонов охлаждается и сжимается, что, собственно, и требуется экспериментатору.

Разумеется, сибирский метод столкновительного теплообмена - не единственный, но очень эффективный. Альтернативный стохастический значительно сложнее: горячую частицу "постукивают" сопротивлением с краев, заставляя колебаться с меньшей амплитудой. Неудобство в том, что он требует наблюдать за каждой из них, а не пучком в целом. Необходима сложнейшая аппаратура слежения, а это делает технологию на порядок дороже предложенной специалистами ИЯФа.

Однако несмотря на несомненные преимущества, новаторский метод Будкера долго шел к потребителю. Только семь лет спустя, в 1972 г., в лаборатории академика Александра Скринского группа молодых физиков под руководством Николая Диканского (академик с 2011 г.) приступила к созданию, образно говоря, холодильника для протонов. В марте 1973 г. здесь сконструировали накопитель антипротонов "НАП-М", а в мае следующего года провели первые опыты по охлаждению пучков. Потребовался почти год упорной работы, прежде чем пришел успех. До этого, признался Пархомчук, мало кто за пределами ИЯФа верил в него: ведь для воплощения смелой идеи требовалась высокая точность совмещения двух движущихся с околосветовыми скоростями сгустков заряженных частиц, но сибирякам удалось достичь ее.

В августе 1974 г. американский физик Роберт Вильсон писал Будкеру: "...Безусловно, наиболее замечательными из многих прекрасных работ ИЯФ являются ваши предварительные результаты по затуханию бета-тронных колебаний протонов при взаимодействии с электронами, т.е. охлаждение протонов. Если ваши предварительные результаты подтвердятся, это станет одним из наиболее существенных достижений в ускорительной технике".

Слова будущего лауреата Нобелевской премии (1978 г.) оказались пророческими: результаты действительно подтвердились. Более того, они взбудоражили умы ученых в других лабораториях мира. "После первых успешных экспериментов, проведенных в ИЯФе, - рассказал Пархомчук, - многие научные центры взялись проверять этот метод: американцы - в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми, европейцы - в ЦЕРНе*, японцы - в Лаборатории ускорителей высоких энергий (КЕК), и с тех пор установки электронного охлаждения работают на многих ускорителях. Для изучения метода в СССР приезжала команда из Германии, и после этого немецкие коллеги построили хорошую установку в Центре тяжелоионных исследований (GSI) в Дармштадте. Но вторую машину для синхротрона "SIS-18" они заказали в ИЯФе, решив, видимо, что сибиряки лучше понимают особенности электронного охлаждения. И она успешно работает с 1989 г. до сих пор. К слову, когда делегация ИЯФа посетила GSI (2005 г.), установка охлаждала пучки ионов рутения (Ruthenia - древнее название Руси) - элемента, открытого в нашей стране в 1844 г. немецким ученым, профессором Казанского университета Карлом Клаусом".

И только в 2002 г., когда метод электронного охлаждения тяжелых частиц стал доминирующим в мире, группе разработчиков (академику Александру Скринскому, членам-корреспондентам РАН Василию Пархомчуку, Николаю Диканскому, Игорю Мешкову, доктору физико-математических наук Дмитрию Пестрикову, докторам технических наук Рустаму Салимову и Борису Сухине) присудили Государственную премию РФ в области науки и техники. Гершу Будкеру - посмертно.

В настоящее время метод хорошо разработан теоретически, исследован и освоен. Он стал прекрас-

* ЦЕРН - Европейский центр ядерных исследований (Швейцария) (прим. ред.).

ным инструментом для охлаждения практически всех элементов Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Только в 1988 - 1992 гг. в различных центрах мира появилось 9 электронных холодильников. Среди их производителей ИЯФ занимает лидирующие позиции - около 80% такой техники производят именно в Новосибирске.

В последние годы здесь подготовили проект установки электронного охлаждения с энергией электронного пучка в 350 кэВ, легко модернизируемой до 1,5 МэВ. Основанная на технологиях, развитых и отработанных в институте, она состоит из соленоида, магнитной системы транспортировки пучка, электронной пушки, коллектора и блока высоковольтного питания.

Этой машиной заинтересовались в Институте современной физики (г. Ланжоу, Китай). На изготовление двух ИЯФ заключил контракт, завершившийся поставками техники в Поднебесную в начале 2000-х годов.

Следует отметить: разработки сибирских физиков были использованы при создании Большого адронного коллайдера*- кольцевого ускорителя и накопителя встречных пучков протонов, введенного в эксплуатацию в 2009 г. в ЦЕРНе. Дело в том, что циркулирующие в таких системах тяжелые частицы слишком "горячие" (с большим разбросом по кинетической энергии протонов из-за их поперечного движения). Магнитные линзы ограничивают их "расплывание" ценой нарастания поперечных колебаний. Справиться с этой проблемой помогла будкеровская идея электронного охлаждения. На одном из линейных участков рядом с пучком протонов "впрыскивают" холодный сгусток электронов, движущийся примерно с той же скоростью. Какое-то время они, перемешиваясь, летят вместе, при этом протоны охлаждаются за счет столкновений с электронами, после чего их пути вновь разделяются в магнитном поле.

Электронный холодильник, сделанный в ИЯФе и установленный на ионном накопителе низкой энергии LEIR Большого адронного коллайдера, подчеркнул Пархомчук, стал ключевым звеном в эксперименте, позволившем в конце 2010 г. при рекордных энергиях впервые наблюдать новое физическое явление - подавление кварк-глюонных струй (материи, возникающей при взаимодействии ионов).

Теперь подобную машину получит Исследовательский центр Юлиха, где помимо ядерной физики изучают проблемы высокотемпературной плазмы, управляемого термоядерного синтеза и синхротронного излучения, проводят междисциплинарные исследования в области здравоохранения, энергетики, окружающей среды и информационных технологий. Соглашение о научно-техническом сотрудничестве с ним Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера подписал в мае 2011 г. Однако работать над первой установкой для немецких коллег здесь начали два с лишним года назад. В ноябре 2011 г. прошли первые испытания машины "на прочность" - пробное "впрыскивание" пучка электронов в ее магнитную систему. После финальных экспериментов готовое многотонное изделие демонтируют и отправят в Германию для электронного охлаждения интенсивных пучков протонов на накопителе COSY. По утверждению Пархомчука, "подключение нашей установки к хорошему ускорителю превращает его в очень хороший". А это дает шанс заполнить некоторые пробелы в современной теории физики элементарных частиц.

Надточий А. Электромагнитный сонет. - Газета "Наука в Сибири", 2012, N5

Материал подготовила Марина ХАЛИЗЕВА

* См.: Л. Смирнова. Мегапроект XXI в. - Наука в России, 2009, N 5 (прим. ред.).

Publisher:

Permanent link for scientific papers (for citations):

Comments: