Вестник РАН, 2022, T. 92, № 3, стр. 213-219

РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ УСКОРИТЕЛЕЙ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ДЛЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ НАУКИ, ВЫСОКИХ ТЕХНОЛОГИЙ И МЕДИЦИНЫ

Б. Ю. Шарков a*, И. Н. Мешков a**

a Объединённый институт ядерных исследований
Дубна, Россия

* E-mail: sharkov@jinr.ru
** E-mail: meshkov@jinr.ru

Поступила в редакцию 14.11.2021
После доработки 16.11.2021
Принята к публикации 11.12.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Советские и российские учёные внесли огромный вклад в создание ускорителей заряженных частиц как одного из основных инструментов современной ядерной физики и физики элементарных частиц. Сегодня ускорительные технологии с успехом применяются не только в экспериментальных научных исследованиях, но и в гражданской, оборонной промышленности, медицине, сельском хозяйстве и других отраслях, что обеспечивает весомый мультипликативный эффект. Российская академия наук, Госкорпорация “Росатом”, Объединённый институт ядерных исследований, НИЦ “Курчатовский институт” выступают с предложениями по совершенствованию ускорительной техники. Наиболее важные из них обсуждались на заседании президиума РАН, состоявшемся 13 сентября 2021 г.

Статья подготовлена на основе научного сообщения, заслушанного участниками заседания.

Ключевые слова: ускорители и коллайдеры протонов и тяжёлых ионов, коллайдеры электронов и позитронов, источники синхротронного излучения, лазеры на свободных электронах, ускорители для промышленных применений, ядерная медицина, протонная и ионная терапия.

Импульсом к созданию первых ускорителей послужили исследования строения атомного ядра, требовавшие потока заряженных частиц высокой энергии. В физике элементарных частиц и ядерной физике подавляющее большинство результатов фундаментального характера получено в экспериментах с применением именно таких установок. Ускорители и сегодня служат одним из основных инструментов получения нового знания в этих науках. После открытия бозона Хиггса физика элементарных частиц определила новые границы исследований на ускоренных пучках. Работы теперь сосредоточены на двух главных направлениях:

• изучение свойств известных и поиск новых частиц при существенно увеличенных значениях энергии взаимодействия и светимости эксперимента;

• прецизионные измерения известных процессов и параметров частиц, поиск возможных отклонений от предсказаний теории “Стандартной модели”, что также требует генерации пучков заряженных частиц высокой энергии и интенсивности.

Напомним, что ускорители служат источниками как первичных частиц, существующих в окружающей нас природе, – электронов, протонов, ионов, так и вторичных − мезонов, нейтронов, фотонов, позитронов, антипротонов и других, рождающихся при взаимодействии ускоренных частиц с веществом мишеней. Современные ускорители предельно высоких энергий – огромные дорогостоящие комплексы, как правило, создаваемые в рамках международных проектов, требующих масштабного финансирования и объединения усилий большого числа стран.

Участие в таких проектах обеспечивает отечественным учёным доступ к самым передовым технологиям в области физики и техники ускорителей. Опираясь на опыт участия Российской Федерации в реализации Большого адронного коллайдера (Large Hadron Collider − LHC), Центра по исследованию ионов и антипротонов (Facility for Antiproton and Ion Research − FAIR) и Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах (European x-ray free electron laser – XFEL) [13], России необходимо поддержать и новые ведущие научные проекты, в частности, Будущий кольцевой коллайдер (Future Circular Collider − FCC), который разрабатывается в ЦЕРНе [4].

Не будем забывать, что советские и российские учёные внесли огромный вклад в развитие физики ускорителей и ускорительных технологий. Достаточно назвать принцип автофазировки и первый синхротрон (В.И. Векслер, 1944 г.), первый коллайдер (Г.И. Будкер, А.Н. Скринский, 1965 г.), линейный ускоритель с пространственно однородной квадрупольной фокусировкой (В.В. Владимирский, И.М. Капчинский, В.А. Тепляков, 1969 г.), метод электронного охлаждения пучков тяжёлых заряженных частиц (Г.И. Будкер, А.Н. Скринский, Н.С. Диканский, И.Н. Мешков, В.В. Пархомчук, 1974 г.). В СССР были созданы крупные ускорители мирового класса – синхроциклотрон “Фазотрон” (Институт ядерных проблем АН СССР, 1949 г.), протонные синхротроны “Синхрофазотрон” (10 ГэВ, Объединённый институт ядерных исследований, 1958 г.), синхротрон с жёсткой фокусировкой У7 (7 ГэВ, Институт теоретической и экспериментальной физики, 1961 г.), синхротрон У70 (Институт физики высоких энергий, 1967 г.), комплекс электрон-позитронных коллайдеров (Институт ядерной физики СО РАН, 1967 г.), сильноточный линейный ускоритель протонов мезонной фабрики (Институт ядерных исследований РАН, 1991 г.). Эти ускорители послужили базовыми экспериментальными установками всемирно известных научных центров (Объединённый институт ядерных исследований, Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, Институт ядерных исследований РАН, а также входящие в состав НИЦ “Курчатовский институт” Институт физики высоких энергий им. А.А. Логунова, Институт теоретической и экспериментальной физики им. А.И. Алиханова, Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова), где сформировались выдающиеся школы ускорительной физики и технологий, действуют крупные ускорительные комплексы, обеспечивающие высокий уровень фундаментальных и прикладных исследований в стране [5].

Однако за прошедшие 30 лет наметилась тенденция к сокращению доли работ, выполняемых в исследовательских центрах Российской Федерации. В первую очередь это связано с отсутствием в стране современной экспериментальной базы, старением и выводом из эксплуатации установок, построенных ещё во времена Советского Союза. На фоне общего депрессивного состояния фундаментальной науки создание крупных научных ускорительных установок затормозилось. Это привело к тому, что наметилось существенное отставание в развитии отечественных ускорительных технологий по целому ряду важнейших направлений, а также к ощутимым кадровым потерям – многие молодые талантливые физики уехали на работу в передовые зарубежные научные центры. Фактически сегодня в России осталось лишь несколько центров мирового уровня, ведущих фундаментальные исследования на ускорителях: ОИЯИ, ИЯФ СО РАН, ИЯИ РАН и НИЦ “Курчатовский институт” − ИФВЭ. Многие жизненно важные для страны прикладные направления, такие, как ядерная медицина, материаловедение, полупроводниковая промышленность, зависят от иностранных поставщиков.

Санкционная политика западных стран в отношении экспорта высоких технологий в Россию заставляет по-новому взглянуть на необходимость создания и производства нужного стране количества отечественных ускорителей для социально значимых прикладных применений и прежде всего для ядерной медицины. В программу должны быть включены:

• ускорители для лучевой терапии онкологических заболеваний – линейные ускорители электронов на 6 и 18 МэВ, ускорители протонов на энергию 70–230 МэВ, ускорители ионов углерода, а также установки для бор-нейтронозахватной терапии;

• ускорители, нарабатывающие радиоизотопы для диагностики и терапии сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний.

Продвижение радиационных технологий на внутреннем рынке должно сопровождаться не только ростом производства отечественных установок, но и развитием связанных промышленных отраслей − микроэлектроники, СВЧ и вакуумной техники, сверхпроводников, без которых невозможна постройка современного ускорителя. Развитие ускорительной техники даст весомый мультипликативный эффект в индустрии высоких технологий в Российской Федерации.

В соответствии с постановлением Правительства РФ от 16 марта 2020 г. № 287 действует Федеральная научно-техническая программа развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры на 2019–2027 гг. В связи с наметившимся поворотом страны к экономике высоких технологий, увеличением государственной поддержки фундаментальной и прикладной науки учёные РАН, Госкорпорации “Росатом”, ОИЯИ, НИЦ “Курчатовский институт” выступают с предложениями по ряду научных направлений, в которых ускорители заряженных частиц используются в качестве основного экспериментального инструмента. Эти предложения касаются и других сфер − гражданской, оборонной промышленности, медицины, сельского хозяйства. Внедрение ускорителей будет способствовать высокотехнологичному развитию целых отраслей.

Предлагаемая программа развития передовых ускорительных технологий в Российской Федерации охватывает весь их спектр, включая:

• ускорители и коллайдеры протонов и тяжёлых ионов,

• ускорители и коллайдеры электронов и позитронов,

• источники синхротронного излучения (СИ) и лазеры на свободных электронах,

• ускорители для промышленных применений,

• коллективные методы ускорения,

• технологии высокочастотной сверхпроводимости и производства сверхпроводящих ускорительных резонаторов,

• источники высокочастотного и сверхвысокочастотного питания для ускорителей заряженных частиц,

• разработку программного обеспечения для проектирования ускорителей заряженных частиц,

• совершенствование системы подготовки кадров для проектирования и эксплуатации ускорителей.

Флагманские проекты программы. В настоящее время реализуется несколько таких проектов: ускорительный комплекс NICA [6] (рис. 1), источник синхротронного излучения поколения 4+(СКИФ) [7], тяжелоионный синхротронный комплекс для радиационных испытаний электронной компонентной базы и радиоэлектронной аппаратуры, синхротрон с лазером на свободных электронах (СИЛА) [8].

Рис. 1.

Ускорительный комплекс NICA (Nuclootron-based Ion Collider fAcility)

На проекте NICA остановимся подробнее. Этот ускорительный комплекс на встречных ионных пучках создаётся в ОИЯИ для углублённых фундаментальных и прикладных исследований в области релятивистской ядерной физики тяжёлых ионов и фазовых переходов в сильновзаимодействующей ядерной материи [6]. Он станет не только многофункциональной лабораторией, но и базой подготовки высококвалифицированных специалистов для стран-участниц ОИЯИ. Параметры ускорительного комплекса в целом и коллайдера в частности позволят исследовать ранее не достигавшиеся состояния сверхплотной барионной материи.

Коллайдерный комплекс NICA − во многом новый шаг в применении современных ускорительных технологий. Часть из них впервые реализуется в России, а некоторые не имеют аналогов в мире. В установке используется оригинальная трёхступенчатая схема накопления и формирования пучков, в проект заложены три системы их охлаждения. Наличие устройств управления спином поляризованных пучков и поляриметрии позволит вывести на новый уровень ряд прецизионных экспериментов в области спиновой физики.

Поскольку создание ускорительного комплекса NICA обеспечивает осуществление многосторонней программы фундаментальных и прикладных исследований в ближайшие несколько десятилетий, важно последовательное продолжение реализации проекта в полном объёме.

В области физики частиц в ИЯФ СО РАН разрабатывается проект “Супер чарм-тау фабрика” (СЧТФ) – электрон-позитронный коллайдер для работы с энергией в системе центра масс ~3−7 ГэВ со светимостью на два порядка превышающую достигнутую в этом диапазоне энергий ранее [9] (рис. 2). Такое увеличение энергии обеспечит возможность исследования природы чарм-кварка на новом уровне точностей его параметров. Основной целью экспериментов на СЧТФ станет изучение процессов с с-кварками и тау-лептонами в конечном состоянии. В проекте предусмотрена возможность работы с продольно поляризованным электронным пучком, что значительно обогащает научную программу. Для реализации Супер чарм-тау фабрики потребуются передовые ускорительные технологии, пока отсутствующие в мире или в нашей стране, поэтому для уменьшения возможных рисков рекомендуется предусмотреть создание в ИЯФ СО РАН малогабаритной электрон-позитронной ускорительной установки, отрабатывающей такие технологии, а также определиться с графиком, сроками и ресурсным обеспечением проекта.

Рис. 2.

Cхема Cупер чарм-тау фабрики − ускорительного комплекса со встречными электрон-позитронными пучками

Изображение: сайт ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН

Важная область отечественной науки − ядерная физика низких и средних энергий последние три десятилетия пребывает в стагнации. Ситуацию необходимо кардинально переломить, но для этого потребуются перспективное ви́дение, консолидация усилий и инвестиции бо́льшего уровня с целью создания ядерно-физического центра мирового класса. В передовых странах стандартом для ядерной физики низких энергий стало создание крупного национального лидера – “фабрики радиоактивных изотопов”. Такие лидеры обладают самой современной дорогостоящей инфраструктурой и концентрируют вокруг себя лучшие силы научного сообщества. При этом наличие в научных центрах установок разной направленности позволяет существенно расширить проблематику экспериментальных исследований, поддержать “видовое разнообразие” в научной “экосистеме”. Мировое лидерство сегодня возможно только на базе крупнейших общенациональных центров, где созданы лучшие условия. В России таким центром может стать электрон-ионный коллайдер для исследований в области ядерной физики низких энергий (проект DERICA − Dubna Electron-Radioactive Ion Collider fAcility) [10].

Обратимся теперь к нейтронной физике. В стране высок запрос на импульсные источники нейтронов, базирующиеся на ускорителях протонов. Потенциально лидирующим проектом здесь может стать нейтронный комплекс Института ядерных исследований РАН [11], где имеется уникальная инженерная инфраструктура. Сооружение нового ускорителя в ИЯИ РАН в существующем тоннеле ускорителя длиной около 450 м при использовании современных сверхпроводящих ускоряющих структур позволяет создать ускоритель протонов на энергию до 5.5 ГэВ для источника нейтронов с мощностью в пучке 1.5–2.0 МВт и плотностью потока нейтронов на уровне 1016 н/(см2 · с). Проект открывает новые возможности для фундаментальных исследований в физике атомного ядра и элементарных частиц, но его реализация потребует внедрения в России новых технологий создания сверхпроводящих ускоряющих структур, твердотельных ВЧ-генераторов высокой мощности, современной вакуумной техники, систем контроля, детекторов излучений и т.д. При проектировании и изготовлении оборудования нового мощного ускорителя важно одновременно модернизировать действующий ускоритель протонов и комплекс нейтронных источников ИЯИ РАН с тем, чтобы остановка для монтажа и запуска новой установки заняла минимально возможное время.

Следует также отметить важность программы разработки и создания в России компактных нейтронных источников, что будет способствовать не только широкому внедрению ряда передовых жизненно-важных технологий, но и распространению ядерно-физических методов в целом.

Ускорительный комплекс У-70 (НИЦ “Курчатовский институт” – Институт физики высоких энергий) − крупнейший в России действующий ускоритель заряженных частиц (в данном случае протонов и ядер углерода У-70), он входит в десятку крупнейших ускорителей мира [12]. Устойчивая эксплуатация и улучшение его характеристик обеспечат проведение исследований по физике частиц высоких энергий и релятивистской ядерной физике на выведенных пучках (вариант “fixed-target”) на отечественной экспериментальной базе. Развитие научно-технической базы ИФВЭ необходимо для проведения актуальных прикладных исследований в области протонной радиографии быстропротекающих процессов в плотных средах, углеродной радиобиологии и лучевой терапии, техники и технологии получения и использования импульсных потоков нейтронов. В этой связи планируется модернизация технологических систем комплекса У-70, перевод их на новые аппаратурные и программные решения, улучшающие функциональные параметры установок (интенсивность пучка, доступность пучкового времени для физического эксперимента).

Ускорители для прикладных целей. Практические применения ускорителей очень широки: от стерилизации и обеззараживания медицинских изделий, обработки продуктов питания, семян для сельского хозяйства до модификации полимеров, обработки полупроводников и даже сферы гражданской безопасности. Центр коллективного пользования “Сибирский кольцевой источник фотонов” (СКИФ) – источник синхротронного излучения поколения 4+ с энергией пучка 3 ГэВ создаётся в новосибирском технопарке “Кольцово” [7] (рис. 3). СКИФ предназначен для проведения исследований с яркими, интенсивными и когерентными пучками излучения в широком диапазоне длин волн − от вакуумного ультрафиолета до жёсткого рентгена. В качестве источников излучения предполагается широко использовать вставные устройства – ондуляторы и вигглеры, в том числе сверхпроводящие, создаваемые на основе существующих в ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН разработок. Использование таких устройств позволит уменьшить эмиттанс11 источника синхротронного излучения до ~50−70 пм. В конце 2023 г. источник должен продемонстрировать первый пучок синхротронного излучения, а в течение 2024 г. планируется запустить шесть станций на каналах CИ первой очереди.

Рис. 3.

Источник синхротронного излучения “СКИФ” (схема)

Синхротронный комплекс в РФЯЦ “Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики” (г. Саров) создаётся как федеральный центр для проведения испытаний радиационно-стойкой электронной компонентной базы и радиоэлектронной аппаратуры на стойкость к воздействию ионизирующих излучений космического пространства и сопутствующих факторов радиационной природы. Для успешной реализации этого проекта объединяется научный и технологический потенциал ведущих профильных институтов страны.

Ускорители для ядерной медицины. Лучевая терапия − один из основных методов лечения онкологических заболеваний, в том или ином варианте её получают более половины больных раком. Основу современной техники для проведения облучений составляют линейные ускорители электронов. К сожалению, большинство действующих в России линейных ускорителей электронов импортного производства, что создаёт проблемы как при их покупке, так и при обслуживании, приводит порой к длительному простою оборудования.

Перспективным направлением развития лучевой терапии становится использование тяжёлых заряженных частиц – протонов и ионов углерода. Использование этих быстро развивающихся во всём мире технологий (им присуща повышенная прецизионность и положительные радиобиологические особенности) позволяет повысить эффективность лечения и качество жизни значительной части больных, нуждающихся в лучевой терапии.

Отечественная наука обладает значительным опытом использования адронов для лечения онкологических больных на исследовательских пучках крупных физических центров. Теперь пришло время для создания специализированных медицинских комплексов протонной и ионной терапии на базе крупных медицинских исследовательских центров, что характерно для современной лучевой терапии во всём мире. Успешен опыт эксплуатации первого отечественного серийного ускорительного терапевтического протонного комплекса “Прометеус” в Медицинском радиологическом научном центре им. А.Ф. Цыба – филиале Национального медицинского исследовательского центра радиологии Минздрава России [13] (рис. 4).

Рис. 4.

Терапевтический протонный комплекс “Прометеус”

Необходимо отметить, что существует также большой потенциал развития отечественной ускорительной техники для создания комплексов дистанционной нейтронной и нейтрон-захватной терапии. Наряду с линейными и циклическими ускорителями, ускорителями для наработки радиоизотопов в целях диагностики и терапии сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний они также включаются в программу отечественного производства медицинских ускорителей. Кроме того поддерживаются и развиваются действующие в стране ускорительные комплексы для указанных выше целей (в ИЯИ РАН, НИЦ “Курчатовский институт”, ОИЯИ и др.).

Кадровое обеспечение. Строительство в России и последующая эксплуатация научных и прикладных установок требуют подготовки значительного количества высококвалифицированных научных, инженерных и технических кадров. В стране сохранились две мощных научных школы в этой области – новосибирская и московская. Тем не менее кадровый вопрос требует пристального внимания. Необходимо увеличить количество выпускников, повысить уровень их подготовки, для чего усовершенствовать действующие образовательные программы, модернизировать учебную лабораторную базу ключевых университетов. В этой связи предлагается сформировать государственный заказ на выпускников по соответствующим специальностям, разработать профессиональный стандарт.

Кроме ресурсной и организационной поддержки научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по новым ускорительным установкам класса “mega-science”, создаваемым во исполнение национального проекта “Наука” и Федеральной научно-технической программы развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры на 2019–2027 годы, необходима существенная и постоянная ресурсная поддержка эксплуатации и модернизации уже имеющихся и действующих ускорительных установок класса “mega-science” в стране. В их число входят ускорительный комплекс У-70 в г. Протвине, сильноточный линейный ускоритель протонов в г. Троицке (Новая Москва), электрон-позитронные установки со встречными сталкивающимися пучками в Новосибирске, фабрика сверхтяжёлых элементов в Дубне и ряд других.

٭٭٭

Предлагаемая программа призвана восстановить в Российской Федерации и поднять на современный уровень экспериментальную базу исследований по ядерной физике и физике частиц на основе ускорителей, создать условия для её непрерывного технологического развития, позволяющего оперативно и адекватно отвечать на вызовы современного мира, а также продолжить активное международное сотрудничество. Масштабные проекты требуют интеграции научного потенциала РАН, Минобрнауки России, Государственной корпорации “Росатом”, НИЦ “Курчатовский институт”, ОИЯИ, промышленных предприятий и бизнеса, а их успешная реализация обеспечит научное и технологическое лидерство в ряде областей ядерной физики и физики элементарных частиц. Ожидаемый потенциал научных открытий привлечёт к активному участию международное научное сообщество учёных и специалистов, станет драйвером развития фундаментальной науки, высоких технологий и человеческого капитала России.

Предлагаемая программа развития физики, техники и технологии ускорителей в РФ соответствует положениям Программы фундаментальных научных исследований в Российской Федерации на долгосрочный период (2021−2030 годы).

Список литературы

  1. Jowett J. LHC Surpasses design luminosity with heavy ions // CERN Courier, January-February 2016. P. 23−24.

  2. Фортов В.Е., Шарков Б.Ю., Штокер Х. Научная программа в новом международном центре фундаментальной физики – Европейском центре антипротонных и ионных исследований FAIR // УФН. 2012. № 6. С. 621–644.

  3. Проект XFEL: чем будет заниматься самый большой рентгеновский лазер мира. https://nauka.tass.ru/4519339

  4. Benedikt M. Future Circular Colliders – Conceptual Design Study. CERN, 6th TLEP Workshop, October 2013.

  5. Скринский А.Н. Академик Г.И. Будкер и его Институт ядерной физики Сибирского отделения Академии наук СССР. Омскбланкиздат, 2019.

  6. Kekelidze V., Matveev V., Meshkov I., Trubnikov G. NICA in Dubna // Il Nuovo Saggiatore. 2018. V. 34. P. 68−76.

  7. Bogomyagkov A. Status of the Novosibirsk Fourth-Generation Light Source SKIF // Proc. XXVIIth Russian Particle Accelerators Conference, JACoW, 2021, MOY04.

  8. Kulevoy T. USSR4 − project status. 28th ESLS Workshop. https://esrf.fr/home/events/conferences/2020/ 28th-esls-workshop/presentations.html

  9. Levichev E. The Project of Tau-Charm Factory with Crab Waist in Novosibirsk // Письма в ЭЧАЯ. 2008. № 7. С. 20−29; Eidelman S. Project of the Super-tau-charm Factory in Novosibirsk // Nuclear and Particle Physics Proceedings. 2015. № 3. Р. 238−241; Yu. A. Barnyakov and Super Charm-Tau Factory collaboration 2020. The project of the Super Charm-Tau Factory in Novosibirsk // J. Phys.: Conf. Ser. 1561, 012004.

  10. Grigorenko L.V., Sharkov B.Yu., Fomichev A.S. et al. Scientific program of DERICA − prospective accelerator and storage ring facility for radioactive ion beam research // Physics Uspekhi. 2019. № 7. P. 675−690.

  11. Feschenko A., Kravchuk L.V., Serov V.L. TUZMH02 Proceedings of RuPAC2016, St. Petersburg, Russia. INR High Intensity Proton Linac. Status and Prospects; Kravchuк L.V. INR proton Linac operation and applications // Nucl. Instr. and Meth. 2006. A 562. P. 932−934.

  12. Kalinin V. et al. Status of U-70. MOB01 Proceedings of RuPAC2016. St. Petersburg, Russia.

  13. Pryanichnikov A. et al. Updated Status of Proton Synchrotrons for Proton Therapy. FRB05 Proceedings of RuPAC2021. St. Petersburg, Russia.

Дополнительные материалы отсутствуют.