Физика

ВЫСОКАЯ ЭНЕРГИЯ ПРОТВИНО

Наукоград Протвино отмечает сорокалетний юбилей: 19 апреля 1960 г. было срублено первое дерево и вбит первый колышек, отметивший начало строительства Серпуховского ускорителя протонов на энергию 76 ГэВ.

Создание самого мощного в мире протонного синхротрона, более чем в 2 раза превышавшего по энергии существовавшие в то время соответствующие установки в США и Европе, потребовало усилий всей страны. Он был спроектирован в отечественных институтах, магниты и другие компоненты ускорительного комплекса изготовили наши предприятия. А научную часть обеспечивал Московский институт теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) под руководством В. В. Владимирского, впоследствии члена- корреспондента РАН.

В 1963 г. в Протвино под научным руководством академика Н. Н. Боголюбова организовали Институт физики высоких энергий (ИФВЭ). Его директором назначили А. А. Логунова (затем академика). Одновременно с разработкой новой физической установки, размещенной в кольцевом туннеле протяженностью около 1,5 км, начали строить первые корпуса института и жилые дома. В сосновом бору выросли многоэтажные здания, определившие облик города, получившего название от реки Протвы. Ныне тут проживает 38,4 тыс. человек. Из 20,2 тыс. работающих около 4 тыс. - сотрудники ГНЦ ИФВЭ и более 1200 человек трудятся в промышленной сфере, которая сегодня на подъеме.

Рядом с ИФВЭ разместили завод нестандартного оборудования "Прогресс" и завод электромеханического оборудования (ЗЭМО). Эти три основных предприятия нашего города входили в систему Министерства атомной энергетики СССР, которое тогда было известно как "Средмаш" (ныне - Минатом РФ).

"Прогресс" специализировался на производстве отдельных агрегатов для атомных электростанций и поставлял низковольтное оборудование для распределительных подстанций. ЗЭМО ориентировался на решение задач космической тематики, изготавливал аппаратуру для искусственных спутников Земли. Дополнительно оба получали заказы от ИФВЭ на уникальную аппаратуру для физических экспериментов.

В 1980 г. правительство приняло решение создать в Протвино новый ускорительно-накопительный комплекс, рассчитанный на получение протонного пучка с энергией до 3 ТэВ. В город стали прибывать метростроевцы, они провели в скальном грунте уникальный подземный туннель длиной свыше 20 км. К настоящему времени на глубине порядка 50 м завершено сооружение, подобное кольцевой линии Московского метрополитена, где в туннеле диаметром 5 м ходят поезда.

ИФВЭ был нацелен на изучение фундаментальных основ мироздания с помощью протонного синхротрона У-70, который вошел в строй в 1967 г. и позволил сделать 8 открытий(*).

Начиная с 1970 г. ученые института проводили работы по выявлению ядер антивещества. Результатом стало открытие антиядер гелия-3 (два антипротона и дин антинейтрон) и антитрития (один антипротон и два антинейтрона). Всего же за время работы У-70 провели свыше 180 экспериментов, во многих из них участвовали специалисты из Западной Европы, США, Японии.

Требования к автоматизации работы ускорительного комплекса и оперативной обработке больших массивов экспериментальных данных привели к созданию вычислительных систем современного уровня. Соответствующий центр ИФВЭ был организован в 1965 г. и через два года тут разработали первую в стране операционную систему высокого уровня. С ее помощью собирают и обрабатывают информацию с физических установок, что позволяет в реальном масштабе времени контролировать и управлять ходом экспериментов (один из примеров - исследования в пузырьковых камерах), в которых удается "поймать" элементарные частицы.

Проект Русско-американского поляризационного эксперимента (РАМПЭКС) для исследования внутренней структуры нуклонов был подготовлен в 1996 г. по инициативе академика Ю. Д. Прокошкина и А. Криша из Мичиганского университета. Предложение по его реализации было принято в 1997 г. и объединило физиков ГНЦ ИФВЭ, Объединенного института ядерных исследований (Дубна), Петербургского института ядерной физики (Гатчина) и Мичиганского университета.

Основным элементом установки для выполнения этих работ служила поляризованная мишень, созданная Б. А. Негановым (Дубна) и более 20 лет применяемая для экспериментов на У-70. Поперечная ее обработка осуществляется в магнитном поле до 2 Тл при накачке сверхвысокой мощности. Для достижения наиболее полной ориентации спинов ядер в последнем его неоднородность должна быть менее 0,01%.

Для сохранения длительной (в течение двух суток) поляризации мишени ее охлаждают до сверхнизкой температуры, которая отличается от абсолютного нуля (-273 С) всего на 15 мК, для чего необходимо располагать значительным запасом жидкого гелия (на один эксперимент расходуется около 1000л).

Опробован медленный вывод протонного пучка с энергией 70 ГэВ и интенсивностью на уровне 5 млн. протонов за цикл с помощью изогнутых кристаллов кремния малой длины**, что позволяло одновременно вести работы на разных каналах вывода пучка элементарных частиц. Одновременно проходил набор статистики и калибровка

приборов на установках ВЕС (вершинный спектрометр), РАМПЭКС и других.

По инициативе члена-корреспондента РАН В. Ф. Образцова в ИФВЭ подготовили проект создания интенсивного пучка К-мезонов (частиц, помогающих познать микромир) на канале медленного вывода синхротрона У- 70. В этом случае пучок протонов с энергией 70 ГэВ, попадая на алюминиевую мишень длиной около 40 см, будет производить широкий спектр заряженных частиц; среди них следует выделить К-мезоны. В экспериментах, проводимых ранее в лабораториях высоких энергий (CERN - Швейцария, ИФВЭ, КЕК - Япония, ENAL - США) с К-мезонами, использовали импульсный режим работы, когда поток частиц наблюдается только микросекунды.

Для создания пучка на канале вывода протонного синхротрона У-70 предложено использовать разделительное устройство - своего рода сепаратор на базе двух резонаторов, позволяющий выделить нужные частицы.

Два таких резонатора, разнесенные по длине почти на 50 м, производят синхронное воздействие, своеобразный "щелчок" по выведенному сгустку элементарных частиц. Это позволяет выделить частицы с заданным соотношением между их импульсом и массой. Первый резонатор - сверхпроводящий - предназначен для работы на частоте 2,865 ГГц (электромагнитные волны длиной 10 см). Высокочастотную мощность подводят к нему при помощи специальной системы связи. А часть мощности ответвляют, усиливают и подводят ко второму резонатору, настроенному на ту же частоту Точность взаимной фазировки этих двух устройств и стабилизация частоты их работы должны поддерживаться на уровне, который можно сравнить с измерением расстояния между Москвой и Симферополем с погрешностью менее толщины бритвенного лезвия.

Всего криогенный цех ИФВЭ произвел свыше 22 тыс. л жидкого гелия, который был использован при проведении испытаний элементов сверхпроводящего сепаратора. Тогда в криостате длиной около 4 м, охлаждающем сепаратор, поддерживалась температура, близкая к абсолютному нулю.

Итак, впервые в ИФВЭ заработал сверхпроводящий резонатор большого размера. Одновременно испытывали пару идентичных ускорительных дефлекторов, являющихся основой сверхпроводящего сепаратора. Успешный итог первого этапа этой работы позволяет надеяться на получение к концу 2002 г. пучка К-мезонов для исследования редких распадов.

Протвино сейчас широко известен во всем мире как научный центр физики высоких энергий, в котором под руководством академика А. А. Логунова накоплен потенциал, позволяющий решать сложные задачи в области микромира.

Итак, переход к рыночным отношениям в России сделал актуальным создание земельного кадастра. Необходимы достоверные сведения о состоянии и размерах участков, построек и коммуникаций, промышленных объектов и природных образований. База данных, содержащая всю информацию в цифровой форме, должна быть привязана к опорной системе отсчета, получаемого при помощи спутников глобального позицирования. И экспериментаторы, работающие в области физики высоких энергий, и разработчики космической техники (сотрудники ЗАО "Совинформспутник") решили помочь решить эту проблему. Дело в том, что наши ученые накопили большой опыт по обработке фильмовой информации о событиях в мире элементарных частиц, зафиксированных в жидководородных пузырьковых камерах "Мирабель" и "Людмила" (для таких исследований их в ИФВЭ используют с 1971 г.).

Затем для обработки информации с больших пузырьковых камер создали полуавтоматическую просмотрово-измерительную систему. Это значительно сократило сроки обработки экспериментальных данных и способствовало выделению интересующего события на фоне миллионов иных столкновений. Точность привязки по координатам рождения частиц составила микронный уровень размеров. Форма треков была достаточно разнообразной, а их длина измерялась метрами. Кроме того, в начале 70-х годов тут появился уникальный измерительно-вычислительный комплекс для обработки стереоснимков с пузырьковых и искровых камер, позволивший обработать свыше 12 млн. изображений. В его состав входят десять просмотрово-измерительных проекторов, каждый из которых представляет крупногабаритный фотоувеличитель высотой с двухэтажный дом.

На верхнем этаже расположена оптико-механическая часть, включающая осветительные приборы и проекционные объективы, систему перемотки фотопленки и прецизионную кадровую рамку с аппаратурой высокоточных отсчетов на дифракционных решетках. На нижнем этаже находится рабочее место оператора, включающее большой проекционный экран и средства управления режимом сканирования. В настоящее время данные системы приспособлены для обработки аэрокосмической информации и используются при составлении земельного кадастра.

А в последние годы методику исследования событий при высоких энергиях при помощи трековых камер с оптическим съемом информации стали заменять на электронную обработку информации без промежуточной регистрации фотоизображения событий. Этому способствовало много причин: рост энергии изучаемых заряженных частиц, улучшение качества электронной аппаратуры, новые возможности компьютерной техники при обработке больших массивов информации.

В результате нагрузка на системы обработки фотоизображений событий в пузырьковых камерах сократилась, и уникальное оборудование было использовано для решения задачи по инвентаризации бескрайних земель Российской Федерации и созданию земельного кадастра.

Для проведения этой масштабной работы в 1995 г. в Протвино организовали Региональный центр кадастровых информационных технологий под руководством профессора Б. А. Уточкина. Здесь решили преобразовать в электронную цифровую форму картографические материалы, выполненные в виде планшетов масштабов 1:500, 1000, 2000, 5000, 10000, а также на основе космической и аэрофотосъемки. Это позволит оперативно редактировать информацию по состоянию земельных участков, осуществлять привязку этих данных к графическим объектам на архивных документах и удалять ошибочные изображения. Запись измеренной информации в файл производится в формате, удобном для последующей обработки программами системы хранения и выдачи сведений в графической форме. Накопленное дополняют семантическими данными (название улиц, нумерация домов и обозначение объектов) и привязывают к геодезической системе координат.

В последнее время ИФВЭ приобретает известность как организация, способная выполнять сложные заказы проектировщиков, требования дизайнеров и архитекторов. Например, на опытно-экспериментальном производстве к двухсотлетнему юбилею со дня рождения А. С. Пушкина в Москве вблизи церкви у Никитских ворот, где венчался великий поэт, создан фонтан-ротонда, напоминающий об этом событии. Его купол имеет в основании диаметр 3 м, наружная поверхность представляет собой полусферу, изготовленную из отдельных лепестков, покрытых составом, имитирующим золото. Основа купола - несущая ферма, расчет прочности которой провели специалисты авиационного завода, производящего известные всему миру истребители МиГ.

В Протвино открыт инновационный центр и с февраля 2000 г. действует выставка научно-технических разработок, демонстрирующая наиболее интересные предложения, поступившие от организаций. Среди самых заманчивых проектов - медицинский центр для облучения злокачественных опухолей ионами углерода. В настоящее время ведутся работы по использованию линейного ускорителя И-100 для лечебных целей. Создан источник ионов С на базе лазерной установки. При оборудовании каналов вывода ионов углерода и создания методики облучения пациентов возможно организовать лечение до 5 тыс. человек в год.

Предлагается установка на базе рентгеновского прибора, разработанного в Московском радиотехническом институте, для обнаружения наркотиков и взрывчатых веществ в аэропортах. Испытания показали, что данная система позволяет с большой степенью надежности выявлять наличие героина и пластида с использованием этой портативной установки. Возможности ИФВЭ позволяют производить до 120 таких установок в год.

Двухфазные сифоны, разработанные для использования в космических условиях, предлагаются для применения в строительных работах, которые ведутся в зоне вечной мерзлоты. ЗЭМО также предлагает генераторы кислорода и водорода на основе катализатора, используемого для разложения обычной воды. На основе сжатого воздуха работает компактный азоно-кислородный генератор. Трудно осветить и рассмотреть подробно каждое из 68 предложений, представленных на выставке инновационного центра.

В Протвино в сфере малого бизнеса работают около 1000 фирм и предприятий. Недавно был создан Опытный технологический завод на базе бывшего цеха ацетилена. Он производит ацетилен для технических нужд и поставляет на экспорт приборы для получения нужных компонентов из воздуха. Компактные установки для получения азота пользуются высоким спросом и предназначены для работы в теплицах, других помещениях, в которых необходим инертный газ.

В 1999 г. произвел первый набор студентов наш филиал Международного университета "Дубна". Тут планируют в будущем отдать приоритет обучению информационным технологиям, поскольку в Протвино это направление хорошо развито, что объясняется традициями и спецификой института.

* См.: Л. С. Ширшов. В 30 лет - вторая молодость. - Наука в России, 1998, N 4.

** См.: Л. С. Ширшов. Есть ли свет в конце кристалла? - Наука в России, 1997, N 4.


Л. С. ШИРШОВ, научный сотрудник Государственного научного центра "Институт физики высоких энергий"

Авторские права на статьи принадлежат их авторам
Проект компании Kocmi LTD