Новосибирск и Новосибирская область: свежие новости, объективный анализ, актуальные комментарии

Удержать плазму и проникнуть в недра нейтрона: чем занимались учёные в Институте ядерной физики СО РАН в 2023 году?

Через зелёные и оранжевые «бочки» по краям ГДМЛ в центр установки влетают пучки нейтральных атомов, сталкиваясь с плазмой. 

За последние пару лет, если говорить о работе Института ядерной физики СО РАН, первым делом вспоминается строительство Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФа) и создание высокоточного оборудования для этой уникальной установки. Но ИЯФ не был бы ИЯФом, если бы его деятельность была сосредоточена только на одном проекте. Директор института академик РАН Павел Логачёв первой задачей на 2024 год считает восстановление технологического накопительного комплекса в подмосковном Зеленограде, который станет важным звеном в производстве российской микроэлектроники. Это будет основной инструмент, который станет помогать российской промышленности создавать технологию изготовления литографов. Именно литографы создают рисунок, повторяющий очертания микросхемы, в специальном слое на поверхности подложки, а затем этот рисунок переносится на саму подложку. Сейчас литографы делает только одна компания в мире.

Кроме того, в ИЯФе работают над созданием ускорительной части имплантора для микроэлектроники. «Это специальный ускоритель для разгона ионов, которые имплантируются в поверхностную область полупроводниковых пластин. За три года мы сделаем опытный образец машины на средние и высокие энергии и совместно с НИИ точного машиностроения постараемся закрыть эту позицию в технологической цепочке», — рассказал Павел Логачёв.

И литографы, и имплантор — ключевые технологии микроэлектронной промышленности. Когда через три года их производство появится и в России, тогда, по мнению Павла Логачёва, можно будет окончательно говорить о том, что у России появилась полностью собственная микроэлектроника.

Парадокс нашего мира: до сих пор о самых элементарных частицах, из которых он состоит, мы знаем очень мало. Но с каждым годом этих знаний у нас прибывает, и тем приятнее сознавать, что на передних рубежах этого проникновения в микромир работают специалисты Института ядерной физики СО РАН, а помогает им в этом их «детище» — коллайдер ВЭПП-2000. По словам заместителя директора института по научной работе доктора физико-математических наук Ивана Логашенко, за 2023 год на коллайдере был собран большой объём данных — четверть от всего плана работ на ВЭПП-2000. Их обработка займёт некоторое время, а тем временем интересные результаты были получены по данным, собранным ранее. Касаются они новой информации по структуре нейтрона.

Изучать строение нейтрона удобнее всего, когда он «появляется на свет», а происходит это в ходе процессов, сменяющих друг друга за исчезающее малые доли секунды после столкновения электронов и позитронов. Для сталкивания частиц на ВЭПП-2000 установлены два детектора: КМД-3 (криогенный магнитный) и СНД (сферический нейтральный). При помощи СНД в 2022 году сибирские учёные впервые в мире смогли измерить структуру нейтрона и антинейтрона в самый момент рождения этой пары. Измерена была величина, которая называется «форм-фактор». Так называется описание всех движений и взаимодействия частиц внутри нейтрона — кварков и глюонов друг с другом. Кварки — это наименьшие частицы материи, а глюоны — частицы, которые притягивают кварки друг к другу, как бы «склеивая» их.

В эксперименте 2023 года его точность была увеличена в два раза, а статистика набора данных — в 4 раза. А это значит, что обработка новых данных позволит ещё точнее сказать, как протекают процессы внутри нейтронов.

Стремление физиков всего мира «поймать» и «приручить» термояд тоже никуда не делось. До создания термоядерного реактора ещё далеко, но в ИЯФе надеются, что создание установки для изучения физики плазмы (газодинамической многопробочной ловушки — ГДМЛ) — пусть пока только в виде эскиза — станет ещё одним шагом навстречу к этой цели.

Сейчас в институте действуют четыре экспериментальные установки, работающие открытыми магнитными ловушками для удержания плазмы. ГДМЛ — ловушка нового поколения, ей предназначено ответить на вопрос о том, возможно ли создание реактора на основе открытой магнитной системы. В основном внимание учёных мира сейчас сосредоточено на токамаках, в которых плазма удерживается замкнутым магнитным полем. «ГДМЛ объединит лучшие наработки института в области физики плазмы, а одна из заложенных в проект идей состоит в возможности использования альтернативных топлив вместо смеси тяжёлых изотопов водорода — дейтерия и трития, которые обычно рассматривают в качестве топлива для термоядерного реактора. Эту термоядерную реакцию осуществить легче всего, но большая часть энергии в ней выделяется в виде нейтронов, поэтому реактор становится радиоактивным», — говорит заместитель директора по научной работе ИЯФ СО РАН доктор физико-математических наук Пётр Багрянский.

Благодаря эффективному использованию магнитного поля для открытой ловушки доступны другие реакции, в том числе дейтерия с дейтерием и дейтерия с изотопом гелия-3. А чистый дейтерий, в отличие от редчайшего трития, по словам Петра Багрянского, буквально падает на нас с неба: в каждом кубометре воды его 33 грамма.

На действующей в институте газодинамической ловушке (ГДЛ) учёные следят за поведением плазмы при высоком давлении. В ГДМЛ будет повышена плотность удерживаемой плазмы, а магнитное поле в центре установки будет в пять раз сильнее, чем в ГДЛ, что надёжнее удержит энергию внутри плазмы.

Ряд проектов ИЯФ выполняет совместно с другими научными организациями, среди которых Объединённый институт ядерных исследований (ОИЯИ) в подмосковной Дубне. Параллельно со строительством СКИФа в Кольцово в Дубне строится тяжелоионный коллайдер NICA, задача которого — помочь учёным изучать ионную материю, которая встречается в нейтронных звёздах. Лучшим способом для изучения пучков тяжёлых заряженных частиц в ионных ускорителях является их электронное охлаждение, которое открыл в 1960-х годах директор ИЯФ академик Гирш Будкер, а впоследствии этот метод развили Александр Скринский и другие ученики Гирша Ицковича. «Этот метод позволяет в тысячи раз уменьшить фазовые объёмы охлаждаемых пучков. В движущийся по ускорителю рыхлый горячий пучок тяжёлых частиц “вбрасывается” магнитным полем охлаждённый пучок электронов. Некоторое время они вместе движутся по кольцу ускорителя. Ионы, сталкиваясь с охлаждёнными электронами, охлаждаются сами», — поясняет заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе член-корреспондент РАН Евгений Левичев.

В Институте ядерной физики СО РАН за всю его историю было сделано несколько установок для электронного охлаждения ионов, сейчас они работают и в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН), и в Китае, а теперь подобная установка будет работать и в Дубне. Евгений Левичев подчёркивает, что это первая установка в России, которая будет применяться для реальных экспериментов в области физики частиц. Благодаря ей скорость набора данных во время экспериментов по изучению ионной материи выросла вдвое. А значит, у физиков появилось вдвое больше возможностей отследить интересные события, происходящие с ионами, и тем самым узнать больше о природе этих частиц.