Научно-технологическое развитие Российской Федерации

Большой завод по производству науки

Большой завод по производству науки

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера спустя десятилетия работы на переднем крае науки продолжает разрабатывать источники синхротронного излучения, коллайдеры и другие установки не только для российской науки, но и в рамках международных проектов. 

Прямо сейчас ученые нацелены на новый рекорд — создать источник с уникальными параметрами. Каким будет Сибирский кольцевой источник фотонов (СКИФ) — универсальная установка класса «мегасайенс» для науки и технологий будущего? Об этом и многом другом рассказывает академик Павел Владимирович Логачев, директор Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН.

В чем уникальность Сибирского кольцевого источника фотонов?

На момент запуска он станет лучшим синхротроном с передовыми параметрами. Мы нацелены на мировой рекорд в этом направлении.

А кто был предыдущим рекордсменом?

Сегодня лучшей машиной считается MAXIV— источник синхротронного излучения в Швеции вблизи города Лунда. Ускорительный комплекс Европейского центра синхротронных исследований в Гренобле также стремится достичь параметров, близких к четвертому поколению. СКИФ должен буквально перешагнуть существующие характеристики.

Догнать и перегнать одновременно?

В данном случае мы никого не догоняем, а работаем в соответствии с опытом наших коллег. Ведь в создании всех упомянутых источников участвовали отечественные специалисты.

То есть ИЯФ известен во всем мире как организация, предлагающая лучшие технологические решения?

Верно. Наиболее яркий пример — запуск источника синхротронного излучения NSLS-II (National Synchrotron Light Source) в 2014 г., на тот момент лучшего и в мире, и в США, построенного в Брукхейвенской национальной лаборатории. В рамках проекта специалисты ИЯФ сделали бустерный синхротрон под ключ. Мы впервые взялись за почти 200-метровую машину. Вся работа опиралась на наши разработки и накопленный опыт, который получили сотрудники института при создании коллайдеров и других высокотехнологичных приборов.

Интересно и то, что до запуска NSLS-II уже работали подобные установки, которые, однако, не вышли на параметры третьего поколения: французская SOLEIL, испанская ALBA и австралийский «Бумеранг». Система запуска пучка из подготовительного инжекционного комплекса была достаточно стабильна, но пучок постоянно дрожал. Упомянутые ускорители работают в режиме непрерывной инжекции. Это значит, что при постоянных возмущениях необходимо филигранно точно сажать сгусток на равновесную орбиту, чтобы пользователи не видели этих колебаний или смещения источника рентгеновского излучения. Благодаря проделанной работе сотрудников Института ядерной физики синхротрон NSLS-II в Брукхейвенской национальной лаборатории запустился сразу на проектных параметрах, которые были запланированы. Похожее решение для инжекционного комплекса мы применим на СКИФ. То есть разработка, которая сделана нами для США, сыграет позитивную роль для отечественной установки.

Вы говорите о параметрах и четвертом поколении. О каких характеристиках идет речь?

Фактически речь идет о размере рентгеновского источника. Всем известно, что чем меньше источник света в фонарике, тем более ярким и дальнобойным будет луч. То же самое характерно для рентгеновских источников и синхротронного излучения. Научное сообщество бьется за минимальный размер излучающей области. И четвертое поколение как раз предполагает, что ее размер должен быть меньше длины волны излучения. В этом случае мы получаем уникальное свойство когерентности. Дело в том, что все электроны в пучке расположены случайно, значит, и излучает каждый конкретный электрон. Но если добиться правильного размера пучка, то излучение станет когерентным и будет обладать свойством лазера.

Когда размер источника существенно меньше длины волны, то даже случайно излучающие электроны получают привязку по фазе, излучая практически одновременно и двигаясь по единой траектории. В таком случае можно проводить тонкие измерения и видеть то, что недоступно при спонтанном излучении. Другое важное свойство — это колоссальная яркость при огромной интенсивности пучка.

Есть и другие тонкости, которые связаны с развитием современных технологий в области ускорительной техники. В последние десятилетия серьезно шагнули вперед — и ИЯФ здесь абсолютный мировой лидер — так называемые устройства для генерации синхротронного излучения. Во - первых, они давно стали сверхпроводящими. Во-вторых, при работе с ними не нужен жидкий гелий. Пользователю не нужно покупать его на рынке, собирать в отдельный резервуар, сдавать обратно и т.д., что сильно бьет по бюджету. Как оказалось, можно обойтись малым объемом гелия, который замкнут внутри системы. Остается просто включить тумблер сетевого питания — и уже через сутки магнит выйдет в сверхпроводящее состояние.

Когда это удалось реализовать?

Около пяти лет назад. Кроме нас этого никто в мире делать не умеет. Здесь мы в хорошем смысле считаемся монополистами.

Есть ли интерес к этой технологии?

Только у нас и покупают. Научные группы готовы ждать несколько лет, чтобы получить наше устройство и не платить большие деньги за эксплуатацию.

Поговорим о задачах проекта СКИФ. Каковы ключевые направления исследований, которые будут на нем проводиться?

Я бы разделил задачи на две части. Первая направлена на обеспечение отлаженных методик, использующихся на всех синхротронах, а их в мире около 50. Синхротрон — это рабочий инструмент, необходимый практически во всех естественных науках, начиная с физики и заканчивая медициной и археологий.

Вторая часть направлена на освоение технологий четвертого поколения. Надо понимать, что таких источников с очень малым размером не существует. С четвертым поколением пока никто работать не умеет, потому что его не было ранее. Мы попытаемся приблизиться к этим уникальным свойствам пучка, которые еще надо научиться использовать. Перспективы большие, но никто пока с этим не работал.

Придется учиться на ходу?

Конечно, ведь это тоже некий вызов для исследователей. У них появляется инструмент, которого никогда раньше не было. Для этого, в том числе, и создается Сибирский кольцевой источник фотонов. Но для нашего института СКИФ — скорее побочный продукт. Для нас работа над созданием ускорителя — в каком-то смысле отвлечение от наших исследований и главных направлений. Однако мы осознаем, что это нужно всему научному сообществу, поэтому не останавливаемся ни на минуту. Эдакая научная благотворительность.

А что СКИФ может дать исследователю? Экспериментальное доказательство теорий или гипотез?

Речь идет не о теориях, а скорее о моделях, которые могут превратиться в более системные представления за счет применения этого инструмента. Фактически это дает возможность очень точно и детально исследовать атомную структуру вещества любых молекул. Это касается и биологических объектов, и вирусов, и генетического материала в клетке и т.д. СКИФ обеспечит исследования, связанные с конструированием, которые ведутся в рамках синтетической биологии. Ученые смогут детально разобраться в том, как устроены клетки и молекулы, их связи, каковы межатомные расстояния.

Другое важное направление — материаловедение и создание новых материалов. СКИФ позволит исследовать, как материалы работают при реальных нагрузках, почему они разрушаются, как предотвратить это разрушение, как получить нужные свойства материалов в тех или иных условиях. Ученые смогут видеть, как расположены атомы, как они меняют свое положение исходя из давления, температуры, нагрузки, как и почему происходит разрушение и т.д. То, что раньше было недоступно, сейчас можно посмотреть впрямую, и это дает новые знания.

И, конечно, фармкомпании будут очень активно использовать синхротрон для более качественного и быстрого продвижения на рынок новых фармпрепаратов, включая такие сложные в создании и производстве, как средства адресной доставки в онкологии. Здесь же создание различных лекарственных форм, которые используют возможности иммунной системы и опираются на ее работу. Все эти направления чрезвычайно важны.

Открываются возможности в области исследования быстропротекающих процессов, которые применяются в том числе и в оборонной промышленности. До этого у нас не было мощных источников и возможностей обеспечивать развитие военной науки в этом направлении. После запуска СКИФ они появятся.

Во всем мире сегодня сделали ставку на крупные проекты класса «мегасайенс». Почему?

На самом деле ставка эта сделана давно, начиная с 1950-х гг. Именно в этот период были созданы крупнейшие объекты инфраструктуры по исследованию фундаментальных свойств материи. Подобные установки строились и в США. в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми, Брукхейвенской национальной лаборатории, Аргоннской национальной лаборатории, и у нас в России, в Сарове и Снежинске. Нельзя забывать про Дубну, где установки класса «мегасайенс» создавались изначально.

Напомню, что Институт ядерной физики основан в 1958 г. Спустя четыре года он переехал из Москвы, из Курчатовского института сюда на площадку Академгородка. И уже здесь в 1960-е гг. появились первые мегаустановки, в том числе первый в мире электрон-позитронный коллайдер, который выдал хорошую производительность и результаты по физике. С 1968 г. и по сей день в институте всегда работал хотя бы один коллайдер. В мире нет такой лаборатории, где на протяжении стольких лет сохранялся бы столь длительный, непрерывный процесс разработки, создания, эксплуатации и получения результатов с установок на встречных пучках— коллайдеров.

На наших ускорителях сталкиваются пучки электронов и позитронов, материя и антиматерия. В CERN протоны сталкиваются с протонами в Большом адронном коллайдере. Хотя до него в этом же 27-километровом тоннеле работал электрон-позитронный коллайдер LEP. С помощью экспериментов в синхротронном центре DESY в Германии были открыты кварки, исследована структура протона и нейтрона. Поэтому создание установок класса «мегасайенс» нельзя назвать тенденцией последнего времени. Это закономерное развитие, которое идет по нарастающей.

Как правило, подобные проекты создаются на базе консорциумов институтов либо целых стран, как, например, в Дубне. Почему приходится объединять усилия?

На самом деле нет никаких юридических объединений. Но все физики в мире всегда работают вместе, потому что наука и законы природы не зависят от страны, от точки в пространстве и даже от точки во времени. Цели и задачи, менталитет ученых, в частности физиков, из разных стран — одинаковые. Познание природы, некий прилив радости от того, что видишь красоту природы, которую раньше не видел, что можешь донести эту красоту, знания до людей — это и есть главная мотивация ученого. И так было всегда: ученые друг друга понимали и поддерживали.

В качестве примера можно привести очень глубокую дружбу основателя нашего института Г.И. Будкера и Вольфганга Панофского — основателя Стэнфордского центра линейных ускорителей (в настоящее время Национальная ускорительная лаборатория SLAC). Они были друзьями и во всем помогали друг другу. И мы до сих пор чувствуем помощь и поддержку наших коллег из SLAC.

Речь идет о естественном желании творческих людей работать вместе. Каждый из них понимает: когда в одном оркестре, условно говоря, играет очень много ярких, красивых, профессиональных музыкантов, получается удивительная мелодия, которую в одиночку не сыграть. Это характерно и для науки. Поэтому всегда были и будут подобные виды сотрудничества, а в какой форме, зависит от конкретной политической обстановки, различных законодательных, юридических ограничений и т.д. Но мировое научное сообщество едино. Все друг друга знают, поддерживают и очень дорожат мнением своих коллег из других стран.

Какие ключевые этапы истории развития института вы бы выделили?

Каждый этап по-своему значим. Но я бы выделил несколько главных. Основатель института академик Г.И. Будкер привнес два очень сильных и глубоких изобретения (помимо многочисленных открытий из области физики), связанных с организацией института, которые продолжают развиваться по сей день.

Первое изобретение — это круглый стол, который появился здесь сразу после рождения института. Сначала он был небольшим, затем увеличивался и дорос до того размера, который вы видели. Что такое круглый стол?

Это некая технология, направленная на поддержание и развитие в институте творческой и свободной научной атмосферы вне зависимости от конкретных личностей руководителей. С точки зрения управления этот механизм позволяет совместить центр принятия решения с центром максимальной компетенции по данному вопросу. В институте решения всегда принимают наиболее грамотные в данном вопросе и квалифицированные специалисты, а не руководители и начальники. Задача последних— создать все условия, чтобы в институте были такие специалисты, чтобы они развивались и росли, выходили на мировой уровень. И, конечно, таким сотрудникам не нужно мешать, а, наоборот, необходимо всячески помогать работать. Именно поэтому за счет технологии круглого стола институтом сегодня руководят около 200 человек. Помимо большого числа выдающихся физиков, это и аспиранты, и технологи, и даже рабочие. Это наши службы, максимально интегрированные в коллектив института, который работает на горизонтальных связях. Люди знают, кто чего стоит, кто что умеет, и они сразу обращаются к тому человеку, кто сделает дело и найдет наиболее правильное и реалистичное решение конкретной задачи.

Круглый стол позволяет определять людей, которые могут эффективно управлять институтом. Методом проб, а иногда и ошибок каждый должен пройти некую лестницу успеха, доказывая на каждой ступени, что он смог решить задачу.

Сотрудники собираются вместе за круглым столом в неформальной обстановке и решают, кому поручить тот или иной проект, исходя из способностей и профессиональных навыков. На каждом из этапов человек может рассчитывать на помощь и поддержку коллег. После этого выбранный сотрудник выполняет функцию директора, руководителя по своему направлению. Он определяет все шаги для дальнейшей реализации. Важно, что человек, взявшийся за дело, уважает коллег. которые ему это поручили, и для него самая сильная мотивация — их доверие. Мы называем это механизмом репутационной ответственности. Она гораздо сильнее любых денег, она вообще не покупается и не продается. И первостепенный механизм позитивного развития любого настоящего научного сообщества — научная репутация. Это главный капитал, который есть у ученых.

Второе изобретение Г.И. Будкера — наше экспериментальное производство. Будкер понимал, что невозможно на обычных заводах делать то, чего никто никогда в мире не делал. Это должен быть специальный завод, где должны работать творческие люди на основе тех же принципов, что и научное сообщество института. Неслучайно за нашим круглым столом собираются не только физики. инженеры, но и экономисты, бухгалтеры, инженерные службы, сотрудники производства, рабочие, технологи. Каждый из нас работает в едином коллективе. Научные сотрудники напрямую работают со слесарями, станочниками, мастерами, технологами на нашем экспериментальном производстве. Они знают, где находятся их детали, никакой стадии, смотрят, что получается, и быстро принимают решение, если необходимо что-то изменить. Только в такой атмосфере, в таком режиме можно создавать абсолютно нестандартные вещи. Как сказал мой хороший знакомый из Сарова. нашей дружественной лаборатории РФЯЦ ВНИИЭФ: «Я понял, что такое ИЯФ. Это большой завод по производству науки».

Какие направления развиваются в институте сегодня?

Сегодня мы развиваем четыре крупных направления. Первое связано с источниками синхротронного излучения и лазерами на свободных электронах. Дело в том, что исторически ИЯФ был одним из пионеров применения синхротронного излучения в мире. К нам ездили американцы, европейцы, многому у нас учились, а мы учились у них. В то время мы работали с лучшими параметрами, соответственно, излучение имело уникальные характеристики. Благодаря накопленному опыту мы сохраняем лидирующие позиции и сегодня.

Второе направление посвящено физике элементарных частиц. Это та часть, которая лежит в основе понимания нашего мира, того, как зарождалась наша Вселенная. По сути, космология и физика элементарных частиц — это одна наука. Сегодня они настолько тесно связаны собой, что одна без другой существовать не может. Две области науки о структуре и природе нашего пространства, физического мира — то, что сегодня называют Стандартной моделью. Стандартная модель, самое совершенное и глубокое знание человека о природе, на 60% основана на данных, которые были получены именно на коллайдерах—установках на встречных пучках. С помощью этих приборов были открыты кварки, электрослабое взаимодействие, изучены многие свойства частиц и материи, в том числе предсказательные, был открыт бозон Хиггса.

Это чрезвычайно мощное направление, и нужно создавать больше инструментов, которые будут и дальше развивать науку. Даже сегодня к Стандартной модели много вопросов. Это некая искусственная конструкция, и в ней пока множество белых пятен. Мы до сих пор не понимаем ее основы. Современные ученые работают с широким кругом неизвестного, и он гораздо больше, чем область наших знаний. Конечно, надо продвигаться дальше, осваивать неизведанное. Для этого и создаются новые ускорительные системы. Новые эксперименты позволят лучше понять наш сложный мир, который описывается сегодня Стандартной моделью. Наверняка он еще хитрее, сложнее, и с этим надо разбираться.

Третье направление — физика плазмы и управляемого термоядерного синтеза. Это решение энергетической проблемы за счет использования термоядерной энергетики. Мы точно к этому придем, и мы уже находимся на переднем крае мировой науки, участвуем в самых амбициозных мировых проектах, посвященных термоядерному синтезу. Без наших знаний и уникальных приборов не будут работать ни американский, ни европейский проекты. В каждом из них мы принимаем ключевое участие.

Четвертое направление посвящено традиционному развитию ускорительной техники.

Каждое из направлений значимо и развивается на стыке дисциплин. Внутри института нет перегородок между лабораториями. Физики из разных лабораторий могут собраться и поработать над интересной идеей или задачей, которую они могут решить вместе.

Насколько я знаю, вы как раз занимаетесь ускорительной техникой. Почему вы выбрали для себя это направление?

Когда я был еще мальчишкой, ускорительная техника была на пике популярности. Уже тогда работали большие ускорительные комплексы в Дубне, создавался и работал крупный центр в Протвине. Это было у всех на слуху, престижно, интересно и совершенно непонятно.

Впервые я попал в ИЯФ, когда мне было 14 лет. Это было в январе 1980 г., 41 год назад. Мне нравилась физика, и я делал успехи. Вначале меня пригласили в зимнюю школу при Новосибирском государственном университете. При этом в ИЯФ в рамках зимней школы проводилась олимпиада, по результатам которой приглашали в летнюю школу, а потом в физико-математическую школу. Вначале я попал в летнюю школу ИЯФ, а потом два года проучился в ФМШ. Моим учителем по физике был сотрудник Института ядерной физики, один из выдающихся ученых, который и сегодня создает лучшие в мире сверхпроводящие устройства для генерации синхротронного излучения, Н.А. Мезенцев. Уже тогда на семинаре я почувствовал эту ияфовскую атмосферу. Николай Александрович общался с нами как с коллегами. Это всегда очень подкупает. Поэтому я поступил в НГУ на физфак, а затем пришел работать в ИЯФ.

Над чем вы работаете сегодня? Остается ли место для науки?

Конечно, полноценной возможности заниматься наукой сейчас нет. Но в 2025 г., отработав свой срок, я передам полномочия достойному человеку из института. После этого я продолжу заниматься наукой, привлекать других талантливых ребят, а это самое главное. Продолжает работу физико-математическая школа, развивается физфак Новосибирского государственного университета, по моему мнению, лучший в стране, ведь в шаговой доступности сконцентрированы сильные физические институты. В Москве такого нет. В Новосибирске работают потрясающие преподаватели мирового уровня, которые семь-восемь лет учат студентов, а потом бок о бок с ними же и работают. 

Источник

Подписка на новости и события
Введите ваш email