Наука на кафедре 14 МИФИ
Кафедра электрофизических установок НИЯУ МИФИ проводит исследования в области ускорителей заряженных частиц и СВЧ техники.
Наши проекты
Коллектив кафедры принимает участие в разработке установок для крупнейших международных ускорительных центров и современных проектов прикладного назначения
Проект СИЛА («синхротрон+лазер») – новый проект исследовательской установки НИЦ “Курчатовский институт”. Включает в себя накопительное кольцо и рентгеновский лазер на свободных электронах.
Комплекс NICA обеспечит широкий спектр пучков: от протонных и дейтронных, до пучков, состоящих из тяжелых ионов, как ядра золота.
Проект нацелен на воссоздание и исследование в лаборатории ядерной материи в экстремальных условиях, возникавших в природе на ранних стадиях эволюции Вселенной и в недрах нейтронных звезд.
Проект нацелен на воссоздание и исследование в лаборатории ядерной материи в экстремальных условиях, возникавших в природе на ранних стадиях эволюции Вселенной и в недрах нейтронных звезд.
В Институте Ядерной Физики СО РАН им. Г.И. Будкера разрабатывается проект «Супер чарм-тау фабрики» – симметричного электрон-позитронного коллайдера ультравысокой светимости с энергией пучков в системе центра масс от 2 до 6 ГэВ. Проект включает в себя уникальный ускорительно-накопительный комплекс со светимостью 1035 см-2с-1 и универсальный детектор элементарных частиц.
НИЯУ МИФИ принимает активное участие в проектах CERN. Коллектив кафедры ЭФУ участвовал в проекте Linac-4 (разработка инжектора), HC-LHC (конструирование ВЧ-ввода мощности), FCC (разработка инжектора электронов).
Комплекс DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron), входящий в Объединение им. Гельмгольца, основан в 1959 году. На сегодняшний день это крупнейший в
Германии научный центр исследований в области
ядерной физики и синхротронного излучения.
Германии научный центр исследований в области
ядерной физики и синхротронного излучения.
Ускорители играют важную роль в современной медицине, оказывая помощь в различных областях. Они используются в стерилизации медицинских материалов и отходов, помогая обеспечить инфекционную безопасность. Ускорители также применяются в рентгеновской диагностике, предоставляя высококачественные изображения внутренних органов. Кроме того, они используются в лучевой терапии для лечения онкологических заболеваний, а также в наработке изотопов, необходимых в медицине и промышленности.
Ускорители прикладного назначения делятся на линейные и циклические и используются в различных отраслях, включая сельское хозяйство, промышленность и энергетику. Существует около 42 000 видов ускорителей, большинство из которых ускорители электронов. Ускорители используются для ускорения заряженных частиц в различных исследованиях и приложениях.
СИЛА
В марте 2020 года в Российской Федерации начала реализовываться новая "Федеральная научно-техническая программа развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры на 2019 - 2027 годы", предполагающая строительство двух новых источников СИ четвертого поколения и реконструкцию действующих.
Проект СИЛА («синхротрон+лазер») – новый проект исследовательской установки НИЦ “Курчатовский институт”, совмещающий синхротронный источник СИ четвертого поколения и лазер на свободных электронах с предельно высокой пространственной когерентностью, соответствующей лазерному излучению, рекордной яркостью (1022 фотонов в секунду) и временной структурой.
Основное накопительное кольцо будет иметь периметр более одного километра, на нем будут установлены 40 экспериментальных станций, еще пять экспериментальных станций будут созданы в составе рентгеновского лазера на свободных электронах.
Проект позволит российским ученым проводить фундаментальные исследования атомарной структуры самых разных объектов в рекордно быстрые сроки. Например, они смогут «посмотреть» на структуру одиночных молекул или увидеть «видео» протекания химических реакций.
НИЯУ МИФИ принимает участие в разработке линейного ускорителя - инжектора, создании фотопушки и расчете динамики в накопительном кольце комплекса “СИЛА”
Включает в себя накопительное кольцо и рентгеновский лазер на свободных электронах. Комплекс создан с использованием общей инфраструктуры и базируется на едином инжекторе – линейном ускорителе с энергией электронов 6 ГэВ.
ИНИЦИАТИВА
Видео: Синхротронно-лазерный комплекс СИЛА (г. Протвино)
NICA
Комплекс NICA обеспечит широкий спектр пучков: от протонных и дейтронных, до пучков, состоящих из тяжелых ионов, как ядра золота. Тяжелые ядра будут ускоряться до энергии 4,5 ГэВ/нуклон, протоны — до энергии 12,6 ГэВ. Сердце комплекса NICA — модернизированный ускоритель Нуклотрон (действует в ОИЯИ с 1993 года, построенный на базе синхрофазотрона ОИЯИ на 10 ГэВ).
В коллайдере NICA предусмотрены две точки взаимодействия: одна для изучения столкновения тяжелых ионов на MPD детекторе, другая для поляризованных пучков для эксперимента на установке SPD.
Видео: Ускорительный комплекс NICA. Видеоурок «NICA — Вселенная в лаборатории»
Дубна
Проект нацелен на воссоздание и исследование в лаборатории ядерной материи в экстремальных условиях, возникавших в природе на ранних стадиях эволюции Вселенной и в недрах нейтронных звезд. Наиболее важными фундаментальными направлениями исследований в этой области являются:
Наиболее важными фундаментальными направлениями исследований в этой области являются:
- Природа и свойства сильных взаимодействий между элементарными составляющими Стандартной модели физики частиц — кварками и глюонами.
- Поиск признаков фазового перехода между адронной материей и КГП, поиск новых состояний барионной материи.
- Изучение основных свойств сильного взаимодействия и КГП-симметрии.
Коллективами НИЯУ МИФИ, ОИЯИ, ИТЭФ совместно разработана ускоряющая структура с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой для комплекса NICA. Резонатор изготовлен в РФЯЦ ВНИИТФ. Инжектор запущен в эксплуатацию в 2015 году.
Разработанные коллаборацией НИЯУ МИФИ, ОИЯИ, ФТИ НАНБ и ИЯП БГУ для проекта NICA сверхпроводящие ускоряющие резонаторы для инжекционного комплекса протонов и ионов.
Супер Чарм-Тау Фабрика
В Институте Ядерной Физики СО РАН им. Г.И. Будкера разрабатывается проект «Супер чарм-тау фабрики» – симметричного электрон-позитронного коллайдера ультравысокой светимости с энергией пучков в системе центра масс от 2 до 6 ГэВ. Проект включает в себя уникальный ускорительно-накопительный комплекс со светимостью 1035 см-2с-1 и универсальный детектор элементарных частиц.
Видео: Популярно о Супер Чарм-Тау фабрике
Кроме того, при энергии больше 2mτ≈ 3.6 ГэВ начинают рождаться пары τ-лептонов. Такой коллайдер при наличии высокой светимости будет самым интенсивным источником очарованных частиц и τ-лептонов. Отсюда и название — “Супер чарм-тау фабрика”.
Установка будет иметь целый ряд достоинств, обеспечивающих ее конкурентоспособность на протяжении 10-15-летнего периода. Во-первых, это светимость до 1035 см-2с-1 (светимость характеризует количество сталкивающихся частиц в единицу времени), которая в 100 раз превышает достигнутую светимость на других ускорителях в этом диапазоне энергий.
Такое свойство будет получено с помощью нового метода встречных пучков в электрон-позитронном коллайдере (Crab-Waist). Этот метод позволяет значительно повысить светимость пучка без существенного увеличения интенсивности пучков, размеров установки или уменьшения длины сгустка. Светимость, достигнутая этим методом, обеспечит на 3-4 порядка большее число нужных событий (статистику) для анализа, чем это возможно сегодня.
Такое свойство будет получено с помощью нового метода встречных пучков в электрон-позитронном коллайдере (Crab-Waist). Этот метод позволяет значительно повысить светимость пучка без существенного увеличения интенсивности пучков, размеров установки или уменьшения длины сгустка. Светимость, достигнутая этим методом, обеспечит на 3-4 порядка большее число нужных событий (статистику) для анализа, чем это возможно сегодня.
Кольцо коллайдера «Супер чарм-тау фабрики» будет небольшим, всего 800 м. В нем будет происходить сталкивание встречных пучков электронов и позитронов. Параметры ускорителя подобраны таким образом, чтобы рождалось большое число тау-лептонов и адронов, которые содержат с-кварки.
Помимо прочего, планируется создание пучков с продольной поляризацией (с направлением спина частиц параллельно их скорости). Это пока не удавалось реализовать ни на одном электрон-позитронном коллайдере. Таким образом, это позволит проводить недоступные ранее эксперименты.
Кроме того, для “Супер чарм-тау фабрики” учеными разрабатывается детектирующая система, имеющая рекордные характеристики по чувствительности. Это обеспечит очень точное исследование параметров рождающихся частиц.
Помимо прочего, планируется создание пучков с продольной поляризацией (с направлением спина частиц параллельно их скорости). Это пока не удавалось реализовать ни на одном электрон-позитронном коллайдере. Таким образом, это позволит проводить недоступные ранее эксперименты.
Кроме того, для “Супер чарм-тау фабрики” учеными разрабатывается детектирующая система, имеющая рекордные характеристики по чувствительности. Это обеспечит очень точное исследование параметров рождающихся частиц.
CERN
Коллайдер – ускоритель частиц на встречных пучках, предназначенный для изучения продуктов их столкновений. Благодаря коллайдерам ученым удается придать элементарным частицам вещества высокую кинетическую энергию и направить их навстречу друг другу, чтобы произвести их столкновение. По виду они подразделяются на кольцевые, например, Большой адронный коллайдер в европейском CERN и линейные, как проектируемый ILC (Международный линейный коллайдер).
Видео: Устройство адронного коллайдера в Церне
Крупнейшим действующим коллайдером является Большой Адронный Коллайдер LHC (Large Hadron Collider), на котором сталкиваются пучки ускоренных до энергии 7 ТэВ протонов, а также ядра свинца (до 1280 Гэв/нуклон). Этот ускоритель находится в подземном кольцевом туннеле (его периметр 26.7 км) на месте другого недавно действовавшего крупнейшего электрон-позитронного коллайдера LEP - Large Electron Positron (Collider), ускорявшего электроны и позитроны до энергии 209 ГэВ.
К 2040 году планируется окончание проектирования и создание FCC - нового коллайдера CERN с периметром 100 км и максимальными энергиями 2×375 ГэВ для электрон-позитронных пар и 2×50 ТэВ для адронного коллайдера. LHC будет использоваться в качестве инжектора.
Для инжекции протонов и ионов в LHC используется ускоритель SPS (Super Proton Synchrotron), на выходе которого протоны имеют энергию около 450 ГэВ. Его периметр составляет 6.9 км, располагается он под землей на глубине 50 м. В SPS тяжелые частицы поступают от протонного синхротрона PS, для инжекции в который используются
ещё два синхротрона на энергию 28 и 6 ГэВ, и три линейных ускорителя.
НИЯУ МИФИ принимает активное участие в проектах CERN. Коллектив кафедры ЭФУ участвовал в проекте Linac-4 (разработка инжектора), HC-LHC (конструирование ВЧ-ввода мощности), FCC (разработка инжектора электронов).
ещё два синхротрона на энергию 28 и 6 ГэВ, и три линейных ускорителя.
НИЯУ МИФИ принимает активное участие в проектах CERN. Коллектив кафедры ЭФУ участвовал в проекте Linac-4 (разработка инжектора), HC-LHC (конструирование ВЧ-ввода мощности), FCC (разработка инжектора электронов).
Огромное энергетическое преимущество ускорителей на встречных пучках сделало их совершенно необходимым атрибутом ведущих современных центров исследований физики элементарных частиц.
Крупнейшие современные центры, предназначенные для исследования физики элементарных частиц, представляют собой многоцелевые комплексы из нескольких ускорителей, функционально связанных между собой.
Крупнейшие современные центры, предназначенные для исследования физики элементарных частиц, представляют собой многоцелевые комплексы из нескольких ускорителей, функционально связанных между собой.
DESY
Комплекс DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron), входящий в Объединение им. Гельмгольца, основан в 1959 году. На сегодняшний день это крупнейший в Германии научный центр исследований в области ядерной физики и синхротронного излучения. Основной кампус находится в Гамбурге, еще один — в Цойтене, на юго-востоке от Берлина. В составе DESY четыре подразделения: «Физика частиц», «Ускорители», «Фотонные науки» (использование источников фотонов и разработка экспериментов) и «Космомикрофизика» (физика частиц в астрофизике).
Видео: DESY in a Nutshell
Наиболее значимый из строящихся объектов носит историческое имя PETRA-VI (Positron-Elektron-
Tandem-Ring-Anlage), он будет являться источником синхротронного излучения четвертого поколения. Главный объект — PETRA IV, который станет продолжением уже существующего PETRA III, синхротронного источника рентгеновского излучения.
По существу, PETRA IV будет представлять собой гигантский рентгеновский микроскоп, который позволит изучать кинетику биологических, химических и физических процессов в условиях, приближенных к естественным. Например, можно будет рассмотреть отдельные органеллы в живых клетках и проследить процессы метаболизма на молекулярном уровне, исследовать химические процессы внутри аккумулятора на атомном уровне и визуализировать отдельные гранулы («кирпичики») новых материалов в ходе их использования.
Tandem-Ring-Anlage), он будет являться источником синхротронного излучения четвертого поколения. Главный объект — PETRA IV, который станет продолжением уже существующего PETRA III, синхротронного источника рентгеновского излучения.
По существу, PETRA IV будет представлять собой гигантский рентгеновский микроскоп, который позволит изучать кинетику биологических, химических и физических процессов в условиях, приближенных к естественным. Например, можно будет рассмотреть отдельные органеллы в живых клетках и проследить процессы метаболизма на молекулярном уровне, исследовать химические процессы внутри аккумулятора на атомном уровне и визуализировать отдельные гранулы («кирпичики») новых материалов в ходе их использования.
HERA-PETRA - уникальный проект, завершенный в 2007 году - крупнейший в мире лептон-адронный коллайдер с энергией до (19×820 ГэВ). Это позволяло изучать ассиметрию строения нуклонов и рассеяние p+ на e- и e-на p+.
Для проведения экспериментов на территории гамбургского кампуса построено несколько ускорителей. Важнейшие из них — источники синхротронного излучения PETRA III (ускоритель и накопительное кольцо на энергию электронов 6 ГэВ) и European XFEL (линейный ускоритель длиной более 3 км, который генерирует интенсивные вспышки рентгеновского излучения продолжительностью не более 100 фс и длиной волны от 0,05 до 6 нм).
Для проведения экспериментов на территории гамбургского кампуса построено несколько ускорителей. Важнейшие из них — источники синхротронного излучения PETRA III (ускоритель и накопительное кольцо на энергию электронов 6 ГэВ) и European XFEL (линейный ускоритель длиной более 3 км, который генерирует интенсивные вспышки рентгеновского излучения продолжительностью не более 100 фс и длиной волны от 0,05 до 6 нм).
European XFEL
С помощью рентгеновского излучения XFEL ученые могут картировать атомарные детали вирусов, расшифровывать молекулярный состав клеток, делать трехмерные изображения наномира, снимать химические реакции и изучать процессы, подобные происходящим глубоко внутри планет. НИЯУ МИФИ был задействован в выполнении 15 проектов для XFEL.
Элементы системы СВЧ питания секций коллайдера TESLA
Узел ввода мощности коллайдера SBLC
Комплекс для изучения электродинамических параметров керамических окон коллайдера TESLA
FLASH
FLASH, первый в мире мягкий рентгеновский лазер на свободных электронах (FEL), доступен сообществу пользователей фотонной науки для экспериментов с 2005 года. Ультракороткие импульсы рентгеновского излучения короче 30 фемтосекунд производятся с использованием процесса SASE. Излучение SASE или FEL имеет такие же свойства, что и оптические лазерные лучи: оно поперечно когерентно и может быть сфокусировано в крошечные пятна с интенсивностью излучения,
превышающей 1016 Вт/см2.
Ускорители Медицинского Назначения
→Стерилизация медицинских материалов и отходов
→Рентгеновская диагностика
→Лучевая терапия
→Наработка изотопов
→Производство ядерно-трековых мембран
→Рентгеновская диагностика
→Лучевая терапия
→Наработка изотопов
→Производство ядерно-трековых мембран
С 2021 г НИЯУ МИФИ совместно с АО НИИТФА ведет разработку радиотерапевтического комплекса ТОРУС на основе линейного ускорителя электронов с энергией 6 МэВ, предназначенного для прецизионной лучевой терапии.
Опухоль «обстреливается» потоком фотонов высоких энергий. В результате их воздействия, в тканях высвобождаются свободные электроны, которые ионизируют атомы окружающей среды и разрушают ДНК раковых клеток, что приводит к прекращению их размножения и постепенной гибели.
Опухоль «обстреливается» потоком фотонов высоких энергий. В результате их воздействия, в тканях высвобождаются свободные электроны, которые ионизируют атомы окружающей среды и разрушают ДНК раковых клеток, что приводит к прекращению их размножения и постепенной гибели.
Радиотерапия – лечение ионизирующим излучением. Применяется в основном для лечения злокачественных опухолей. Лечение производится, в первую очередь, за счёт прекращения деления патогенных клеток из-за нарушения их ДНК после облучения.
Области применения ускорителей в медицине
Лучевая терапия
Установка для протонной терапии
Illinois CyberKnife
Varian Clinac600 для классической гамма-лучевой терапии
Линейные ускорители электронов совмещены с системой иммобилизации и позиционирования пациента. Электроны, взаимодействуя с твердотельными мишенями, формируют пучки фотонов с энергией несколько мегаэлектровольт (МэВ). Лечение происходит пучком фотонов. Распределение дозы по глубине для фотонов имеет максимум вблизи входа, затем экспоненциально уменьшается с увеличением глубины проникновения в ткани. Такая методика эффективна для небольших поверхностных опухолей.
Современные российские разработки
Томотерапия
Ускорители Прикладного Назначения
В настоящее время в мире действует более 40 000 ускорителей. Из них только около 2% имеют энергию около 1 ГэВ и выше, и используются для фундаментальных исследований в ядерной физике и физике элементарных частиц
Ускоритель серии ИЛУ (ИЯФ СО РАН)
Ускоряющие структуры разработки НИЯУ МИФИ
и НПП “Корад”
Классификация
Области применения
Промышленность
- Электронно-лучевая сварка и электронно-лучевая плавка
Широкое применение в отраслях, где нежелательна высокая термообработка изделия, при этом шов должен отличаться большой надежностью и эстетической привлекательностью: авиакосмическая сфера, энергетика, машиностроение и приборостроение, электровакуумное производство.
- Модификация материалов
→ Модификация полимерной изоляции кабелей и проводов.
→ Производство термоусаживаемых труб, пленок и лент.
→ Производство теплостойких полиэтиленовых труб.
→ Производство искусственной кожи
→ Гамма и нейтронный каротаж: поиск и определение элементного состава нефтяных, газовых, рудных месторождений
→ Производство термоусаживаемых труб, пленок и лент.
→ Производство теплостойких полиэтиленовых труб.
→ Производство искусственной кожи
→ Гамма и нейтронный каротаж: поиск и определение элементного состава нефтяных, газовых, рудных месторождений
- Радиационная утилизация отходов нефтепереработки, радиационная химия
- Рентгеновская и нейтронная дефектоскопия
Энергетика
- Ускорители большой мощности для ядерной энергетики:
→Подкритический реактор;
→Трансмутация ядерных отходов;
→Использование вторичных актинидов.
→Трансмутация ядерных отходов;
→Использование вторичных актинидов.
- Исследовательские ускорители большой мощности:
→Мощные генераторы нейтронов, нейтрино, пучков радиоактивных и редких изотопов;
→Изучение вопросов трансмутации ядерных отходов.
→Изучение вопросов трансмутации ядерных отходов.
- Ускорители для термоядерной энергетики:
→Системы нейтральной инжекции;
→Инерциальный термоядерный синтез.
→Инерциальный термоядерный синтез.
- Ускорители для решения задач (реакторного) материаловедения.
“Бытовые” технологии
→ Стерилизация
→ Очистка отходящих газов
→ Очистка сточных вод
→ Дезинсекция зерна, овощей, фруктов
→ Иммобилизация биологически активных веществ
→ Очистка отходящих газов
→ Очистка сточных вод
→ Дезинсекция зерна, овощей, фруктов
→ Иммобилизация биологически активных веществ
Комплекс для стерилизации медицинских расходных материалов, разработанный МИФИ и НПП "Корад"
Безопасность
- Досмотр грузов и транспорта:
- Радиационная стойкость электронной компонентной базы
