В Дубне запущена первая в России система электронного охлаждения тяжёлых ионов. Такие системы предназначены для сжатия пучков тяжёлых заряженных частиц в ионных ускорителях.

Лейтмотивом прошлых предновогодних пресс-конференций руководства Института ядерной физики СО РАН было сожаление о том, что уникальные разработки института быстрее находят применение за рубежом, чем в своей Отчизне. Теперь ситуация, наконец, переменилась.

Охлаждение необходимо для повышения эффективности эксперимента: чем холоднее пучок, тем больше в нём плотность частиц и тем больше интересных событий увидят физики, сталкивая эти частицы друг с другом или направляя пучок на статичную мишень.

«Метод электронного охлаждения был предложен организатором и первым директором ИЯФ СО РАН академиком Андреем Будкером в 1966 году, — рассказал главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН академик Василий Пархомчук — Здесь же этот метод и реализовали на модели ускорителя — установке НАП-М (накопитель антипротонов, модель). Учёные всего мира приезжали в Сибирь, чтобы посмотреть, как работает электронное охлаждение. За эти годы мы сделали несколько подобных систем для научных центров Европы и Китая — мировое лидерство ИЯФ СО РАН в данной области признано. Для каждого отдельного проекта мы создаем уникальное оборудование».

В 2023 году совместная работа специалистов ИЯФ СО РАН и Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ, Дубна) дала возможность получить рекордные параметры охлаждения частиц и в России.

«Наш институт изготовил для ОИЯИ систему электронного охлаждения пучков тяжелых ионов, что позволило вдвое увеличить скорость набора данных в эксперименте BM@N (Baryonic Matter at Nuclotron) по изучению плотной барионной материи на фиксированной мишени. Сильное взаимодействие заряженных частиц хорошо исследовано в области высоких энергий. Но экспериментальные данные в области низких и средних энергий, важные для понимания внутренней структуры и динамики адронов, недостаточны и зачастую противоречивы. Прецизионное изучение этих диапазонов — интересная и актуальная задача для исследователей», — прокомментировал заместитель директора ИЯФ СО РАН член-корреспондент РАН Евгений Левичев.

Газодинамическая ловушка

Вышла на новый уровень и реализация другой идеи основателя института, так называемого «пробкотрона Будкера» — открытой многопробочной ловушки для удержания плазмы. Эта система — альтернатива токамаку, в котором плазма удерживается электромагнитным полем в камере, имеющей форму бублика. В ИЯФ уже действуют четыре экспериментальные установки открытого типа: КОТ (компактный осесимметричный тороид), ГДЛ (газодинамическая ловушка), ГОЛ-NB (гофрированная ловушка — Neutral beams) и СМОЛА (спиральная магнитная открытая ловушка).

Эксперименты на этих установках показали впечатляющие результаты по нагреву и времени удержания плазмы. В настоящий момент отрабатываются технологии, которые будут использованы при создании установки нового поколения. Напомним читателю, что в основу первого в мире экспериментального термоядерного реактора ИТЭР, в строительстве которого принимают участие и сибирские физики, положен токамак.

В качестве альтернативы специалисты ИЯФ подготовили в ушедшем году эскизный проект новой установки для изучения физики плазмы — газодинамической многопробочной ловушки (ГДМЛ). Работа выполнена в рамках федерального проекта «Разработка технологий управляемого термоядерного синтеза и инновационных плазменных технологий».

Главная цель установки, которая будет построена в ИЯФ в случае продолжения федерального проекта, — доказать, что создание термоядерного реактора на основе открытой магнитной системы возможно.

«Побывав в августе на международной конференции в Южной Корее, мы констатировали, насколько активно в мире используются открытые системы удержания плазмы. Причём развивают их частные компании.
Незамкнутые системы более энергоэффективны, созданный на их основе термоядерный реактор может быть в 100 раз компактнее. К тому же открытые ловушки заметно проще в инженерном отношении. ГДМЛ объединит лучшие наработки нашего института в области физики плазмы.
Одна из главных идей — возможность использования альтернативных топлив. Обычно в качестве топлива для термоядерного реактора рассматривается смесь тяжёлых изотопов: дейтерия и трития. Эту термоядерную реакцию легче всего осуществить, но большая часть энергии в ней выделяется в виде нейтронов, поэтому реактор становится радиоактивным. Кроме того, тритий отсутствует в природе, для его наработки приходится применять сложные и дорогостоящие технологии. А для открытой ловушки в перспективе доступны другие реакции, например, D-D (дейтерий-дейтерий), D-3He (дейтерий-гелий 3) и P-11B (протон-бор 11). Чистый дейтерий — это неограниченный ресурс, в каждом кубическом метре воды содержится 33 грамма.
Важное практическое приложение проекта — возможность использовать установку в качестве источника нейтронов. Такие устройства востребованы при уничтожении радиоактивных отходов и могут применяться для производства редких изотопов», — ответил на вопрос «Поиска» о перспективах открытых ловушек заместитель директора ИЯФ СО РАН доктор физико-математических наук Петр Багрянский.

Директор ИЯФ СО РАН академик Павел Логачёв поделился с журналистами планами на 2024 год: «Первая задача — восстановление технологического накопительного комплекса в Зеленограде, который будет востребован для создания отечественной цепочки производства микроэлектроники.
Технологический накопительный комплекс позволит создавать, испытывать и отлаживать технологию производства так называемых литографов, которые делает сегодня лишь одна компания в мире. ИЯФ разработал ТНК еще на рубеже 1990-х годов, однако установка не была запущена из-за развала Советского Союза.
С технической точки зрения установка представляет собой источник синхротронного излучения. Планируем запустить его через три года. Заказчик — НИЦ «Курчатовский институт». Другая важная работа, начатая в 2023 году, — конструирование ускорительной части отечественного ионного имплантора. Это второй важнейший прибор в технологиях микроэлектроники помимо литографа, позволяющий вводить примеси в поверхностный слой каких-либо полупроводниковых пластин.
Работа ведётся совместно с НИИ точного машиностроения (Зеленоград), разрабатывающим систему подготовки и перемещения кремниевых пластин. За три года мы сделаем опытный образец машины на средние и высокие энергии и таким образом совместно с НИИ точного машиностроения постараемся и эту позицию закрыть в технологической цепочке.
Подчеркну, что все возможности, которыми располагает институт в создании различных установок, устройств и приборов, созданы благодаря фундаментальным исследованиям. И сегодня в Российской Федерации, как, пожалуй, нигде в мире, реализуется много программ в области физики элементарных частиц.
Так что у нас нет ни дефицита проектов, ни дефицита оптимизма в оценке развития нашей отрасли науки».

Текст: Ольга Колесова.
Источник: «Поиск».