В Новосибирске специалисты Института ядерной физики завершили сборку и начали тестирование особого ондулятора — ключевого прибора для строящегося ускорительного комплекса СКИФ. Осенью его установят в тоннель накопительного кольца.

Ондулятор — это магнитная система, которая заставляет летящий с огромной скоростью пучок электронов колебаться, превращая его в источник мощного синхротронного излучения. Это излучение, подобное очень яркому рентгену, необходимо ученым для изучения структуры веществ на атомном уровне.

Новый ондулятор — нестандартная разработка. Если обычные устройства заставляют электроны колебаться только в горизонтальной плоскости, эта модель может создавать магнитное поле как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении.

«Попадая в ондулятор, электроны начинают лететь по синусоидальной траектории и на каждом таком изгибе излучать,  – прокомментировал заведующий сектором ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Константин Золотарев. – Особенность ондуляторов , в отличие от тех же вигглеров, в том, что отдельные фотоны, излученные с разных полюсов ондулятора, могут интерферировать между собой. Таким образом они усиливают друг друга, если совпадают по фазе, или гасят, в противном случае. Это позволяет получать существенное увеличение интенсивности СИ для  определенных длинах волн».  

Эта возможность пригодится на научной станции «Электронная структура», для которой и создан ондулятор. Здесь будут исследовать, например, катализаторы для химической промышленности и новые материалы для электроники.

«Стандартный ондулятор – планарный, его полюса, располагающиеся сверху и снизу вакуумной камеры, создают вертикальное магнитное поле, которое, в свою очередь, заставляет электроны отклоняться в горизонтальной плоскости от своей равновесной орбиты то вправо, то влево, – добавил научный сотрудник ИЯФ СО РАН Денис Гуров. – Но в данной конструкции ондулятора есть еще боковые полюса, которые позволяют создавать также знакопеременное магнитное поле в горизонтальной плоскости. Оно, соответственно, вызывает движение электронов в вертикальной плоскости. Чтоб получить две различные ориентации поля, можно использовать постоянные магниты на сверхпроводниках, но здесь мы использовали обычные теплые электромагнитные катушки из меди с водяным охлаждением внутри. Полюса (46 вертикальных и 92 горизонтальных) – это такие штыри прямоугольного сечения, установленные на железном магнитопроводе. Вокруг на них устанавливаются катушки, присоединенные к источнику стабилизированного тока. Собственно, от того, какой ток подается на эти катушки, такая получается величина магнитного поля. Максимальные значения вертикального магнитного поля составляет 5 килоГаусс, а горизонтального – 1 килоГаусс. А дальше вопрос комбинации: можно включить только вертикальное поле – это планарный режим, или когда горизонтальное и вертикальное поле равной величины – циркулярный режим, а можно одновременно и то, и другое в различных пропорциях. Есть еще режим работы ондулятора, способный подавить при помощи катушек коррекции третью гармонику ондуляторого излучения».

Прибор длиной почти пять метров станет самым крупным устройством такого типа на комплексе. Его необходимо установить до того, как замкнут основное кольцо ускорителя, поэтому работы идут по строгому графику. Сейчас устройство проверяют, измеряя его магнитные поля во всех режимах, чтобы убедиться, что оно не нарушит работу всего пучка электронов. После успешного завершения испытаний ондулятор отправят на монтаж, рассказали в ИЯФ.

Подписывайтесь на Телеграм «Сделано у нас» тут, а на сообщество на Пикабу можно подписаться здесь.

Специалисты Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН завершили сборку и испытания 16 дипольных магнитов для накопительного кольца строящегося синхротронного центра СКИФ. Эти устройства, созданные с применением постоянных магнитов, показали рекордное магнитное поле в 2,15 Тесла — даже выше, чем планировалось изначально.

Эти магниты — ключевой элемент для генерации особо жёсткого рентгеновского излучения, которое позволит учёным изучать плотные материалы, такие как лопатки авиадвигателей. При этом они достаточно компактны, чтобы не нарушать работу всего кольца, которое должно обеспечивать сверхмалый эмиттанс — один из ключевых параметров, делающих СКИФ установкой уровня «4+".

Сборка таких магнитов — крайне сложная и опасная задача. В отличие от электромагнитов, постоянные магниты невозможно «выключить». Сила притяжения между их частями достигает двух тонн, а энергия каждого собранного магнита такова, что его неконтролируемое размыкание может привести к серьёзным последствиям. На сборку одного такого устройства у подготовленной команды уходит два дня, сообщили в ИЯФ.

«Физика устроена так, что для получения сверхмалого эмиттанса необходимо использовать поворотные магниты с очень слабым магнитным полем, которые испускают «мягкое» излучение. Между тем, жесткое рентгеновское излучение весьма востребовано у ученых, поскольку позволяет изучать плотные объекты, например, лопатки турбин авиадвигателей. Чтобы расширить экспериментальные возможности СКИФ, мы придумали поставить на кольцо 16 коротких — чтобы не «портили» эмиттанс, — но очень сильных поворотных магнитов для генерации жесткого СИ, — прокомментировал заведующий сектором ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Александр Старостенко. — Сделать такие диполи весьма непросто, исследования показали, что для этого нужно применить постоянные магниты. Изначально по техзаданию планировалось получить поле 2.05 Тесла, но мы подобрали марку постоянных магнитов с повышенной стойкостью к размагничиванию, использовали специальный материал 49К2Ф (пермендюр), главная особенность которого заключается в максимальной индукции насыщения, и получили даже большее поле. На данный момент специалисты собрали все 16 BPC-магнитов, измерили их и получили 2.15 Тесла».«Обычно диполи проектируют с электромагнитной катушкой, но, чтобы добиться требуемого магнитного поля в нашем BPC и при этом сделать его компактным мы решили работать с постоянными магнитами, — добавила научный сотрудник ИЯФ СО РАН Татьяна Рыбицкая. — А это очень сложно. Электрический ток в катушке, который и создает магнитное поле, всегда можно выключить и спокойно заниматься сборкой, а в постоянном магните поле не выключишь — получается мы работаем с конструкцией, половинки которой притягиваются друг к другу с усилием около двух тонн. Это очень интересная инженерная задача».«Последний магнит, который буквально заталкивается внутрь диполя, обладает энергией 160 Джоулей, если он вылетит, мало не покажется, — добавил Александр Старостенко. — Для понимания, 10 Джоулей, выделившиеся в человеке, могут нанести серьезную травму. Поэтому сборка — это очень деликатная работа, которую выполняют люди подготовленные, а рабочее место оборудовано различными элементами защиты».

СКИФ — один из самых масштабных научных проектов России, который создаётся в Новосибирской области в рамках национального проекта «Наука и университеты». Эта установка позволит проводить прорывные исследования в самых разных областях — от структурной вирусологии и разработки новых лекарств до материаловедения и кристаллографии.

Подписывайтесь на Телеграм «Сделано у нас» тут, а на сообщество на Пикабу можно подписаться здесь.

Ученые Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН работают над созданием ускорительного источника нейтронов для бор-нейтронозахватной терапии — нового метода борьбы со злокачественными опухолями, в том числе и теми, которые на сегодняшний день считаются неизлечимыми. Недавно были получены результаты, говорящие о том, что технология уже практически готова для внедрения в медицину.

Бор-нейтронозахватная терапия (БНЗТ) осуществляется в два этапа: сначала пациенту вводят препарат, в котором есть стабильный изотоп бора – бор-10. Быстро растущие больные клетки накапливают это вещество гораздо больше, чем рядом расположенные здоровые. В результате оно собирается преимущественно в опухоли. Второй шаг: пациента облучают нейтронами, а те, в свою очередь, хорошо захватываются ядрами бора. Когда это случается, происходит ядерная реакция, в результате которой образованное ядро разваливается на альфа-частицу и ядро лития. Они, разлетаясь в противоположные стороны, имеют большую энергию и быстро тормозятся практически в пределах одной клетки живого организма. В результате, если она раковая, то погибает. Поскольку здоровые клетки накапливают бор в гораздо меньшей концентрации, они остаются жить.

Бор-нейтронозахватная терапия позволяет бороться с такими опухолями, которые в настоящее время не поддаются лечению никакими другими методами. Например, глиобластомы мозга. Пациенту с таким диагнозом обычно отводится один год жизни. Химиотерапия и другие применяющиеся сегодня средства могут продлить этот срок максимум на полгода.

У БНЗТ длинная история развития, со своими взлетами и падениями. Методика была предложена достаточно давно, еще в 1936 году, через четыре года после того, как открыли нейтрон. Затем ее отрабатывали на ядерных реакторах. В 70-80-е годы японский хирург Хироши Хатанака проводил терапию и получил впечатляющие результаты. Фактически, хирургическую операцию у людей с глиобластомой он делал прямо на реакторе — специально для этого там была оборудована стерильная хирургическая комната. Вскрывал череп, вырезал основную часть опухоли (всю — опасно, можно повредить некоторые функции мозга), вводил бор, облучал это место потоком тепловых нейтронов и действительно вылечивал. Его первый пациент, которому поставили диагноз глиобластома, прожил после этого 21 год.

Затем развитие методики продолжалось на ряде других реакторов во всем мире, и возникло предложение усовершенствовать ее, проводя лечение без хирургического вмешательства. Для этого требовалась несколько бОльшая энергия нейтронов — надтеплового диапазона, чтобы они смогли проникнуть глубже в организм — туда, где находится опухоль. Результаты получились вполне обнадеживающие, но тут произошла катастрофа на Чернобыльской АЭС и как следствие, многие ядерные реакторы были закрыты. Одновременно с этим возникло понимание: нейтроны можно получать также на ускорителях заряженных частиц. Там ускоренный пучок попадает на мишень, где в результате происходят ядерные реакции и возникают нейтроны. Такого рода установки, к тому же, больше подходят для применения в клиниках.

«Чтобы методика БНЗТ была пригодна для внедрения в медицину, должны выполняться два основных требования. Первое: необходимы такие препараты адресной доставки бора, которые обеспечивали бы накопление его в опухолевых клетках в достаточно высокой концентрации, в несколько раз превосходящей содержание его в рядом расположенных здоровых тканях. Второе: нужно создать пучок нейтронов с энергиями надтеплового диапазона, не быстрых, не медленных, а промежуточных. Оказалось, что сгенерировать его очень трудно», — рассказывает Сергей Юрьевич Таскаев, ведущий научный сотрудник лаборатории БНЗТ, созданной в ИЯФ СО РАН в рамках проекта Российского научного фонда (РНФ). Кроме требования к качеству, существует еще требование к количеству: поток этих нейтронов должен быть достаточно большим. Терапию нельзя растянуть на много сеансов. Это обусловлено, в том числе, спецификой действия препаратов, доставляющих бор. Один раз можно «обмануть» организм, заставив его накопить это вещество, но во второй-третий уже сработают защитные механизмы и лечения не получится. Отсюда изначальное требование, которое было сформулировано еще 30 лет назад: БНЗТ надо проводить в течение примерно одного часа. Именно поэтому поток нейтронов должен быть достаточно большим.

В начале 90-х годов имеющиеся ускорители обеспечивали ток протонов в 10-30 раз меньший, чем требовалось. Необходимо было увеличить его, как минимум, десятикратно. Задача оказалась невероятно сложной. Ее удалось решить только через четверть века. В 2015 году практически одновременно на трех разных ускорителях был получен протонный пучок с требуемым током. Это высоковольтный ускоритель Динамитрон бельгийской компании Ion Beam Application для университета Нагоя в Японии, высоковольтный ускоритель Hyperion американской Neutron Therapeutics Inc. (ранее GT Advanced Technologies) и тандемный ускоритель ИЯФ СО РАН. Еще два проекта, которые, кажется, могут достичь такого уровня, работают с радиочастотными ускорителями - линаками. Их делают компания Mitsubishi для университета Цукубы и Hitachi для национальной онкологической клиники Токио. Таким образом, в ближайшее время должно появиться сразу несколько центров, каждый со своим уникальным ускорителем, и там начнется лечение пациентов с помощью бор-нейтронозахватной терапии.

Разработка ИЯФ СО РАН называется «Ускоритель-тандем с вакуумной изоляцией». Его английская аббревиатура — VITA (читается как лат. «жизнь»).

«Для решения задачи генерации нейтронов предложили использовать ускоритель очень необычной схемы. Был огромный риск, что вообще ничего не получится, – рассказывает Сергей Таскаев. – Нам пришлось пройти очень длинный путь. В 2003 году мы начали изготавливать установку, в 2007 она наконец заработала, но только в конце в 2015 был получен пучок протонов, с током, близким к требуемому».

Приступив к проекту, ученые не имели достаточного опыта. Его пришлось набирать, проходя через долгие периоды неудач, сомнений и пересмотра технических решений. Основное, что ставилось во главу угла — это выбирать из последних наилучшие, несмотря на трудности их реализации. Так, когда исследователи начинали, в одной очень авторитетной научной статье 2003 года было написано, что, конечно, лучшей мишенью для генерации нейтронов является литиевая, но, кажется, она практически нереализуема. Тем не менее, такая мишень была создана и успешно функционирует (причем, не только в Новосибирске).

Ускоритель-тандем с вакуумной изоляцией — проект сложный, разноплановый. В его реализации участвовало много сотрудников ИЯФ СО РАН, других организаций России и всего мира. Коллектив исследователей постоянно меняется в зависимости от задач, которые встают перед учеными.

Новизна проекта привлекла к себе молодых, заинтересованных и амбициозных исследователей и, что немаловажно, достаточно большое финансирование. Установка разработана и изготовлена на средства различных грантов, сначала международных, а в последнее десятилетие — российских, прежде всего, в рамках федеральных целевых программ Минобрнауки и крупного проекта РНФ.

«В декабре прошлого года мы получили на VITA стационарный протонный пучок с током 5 мА — по-видимому, максимум, доступный в текущей конфигурации установки. Этот результат доказывает, что такой тип ускорителя заряженных частиц имеет перспективы использования для БНЗТ, — рассказывает Сергей Таскаев. — 2015 год для нас был очень удачным. Мы перешли на такой режим, когда стабильно получаем протонный пучок и генерируем нейтроны. Недавно мы решились на то, чтобы совместно с японцами из клиники Университета Цукубы провести эксперимент— нужно было в течение недели обеспечивать непрерывный поток нейтронов. Результат получили, вроде, вполне предсказуемый — чем больше концентрация бора в больных клетках, тем лучше они гибнут под нейтронным излучением — но зато гарантированно подтверждающий качество ускорителя».

Казалось бы, установка уже практически готова для того, чтобы начать вводить ее в медицину. Но тут возникает серьезная проблема. В нашей стране пока нет клиники, готовой начать внедрять новую методику. Гораздо привычнее через 10 лет купить все у японцев (которые, кстати, располагают не только государственными, но и частными деньгами).

«Если еще год назад мы не были уверены в успехе, поскольку не удавалось получать требуемый протонный пучок, то сейчас мы отчетливо понимаем, что можем сделать такой источник нейтронов для тех, кому он нужен. Но вряд ли в России кто-то сейчас готов вложиться в эту методику. Я вижу, что в ближайшие пять лет проведение терапии будет осуществлено где-нибудь за рубежом, и тогда наши клиники тоже захотят», — сетует Сергей Таскаев.

Тем не менее, ученые не теряют оптимизма. Перед самым новым годом облучили на установке мышей с привитыми опухолями — и это продлило животным жизнь. В первую неделю марта опять приезжают коллеги из Цукубы – будут пробовать новые препараты адресной доставки бора. Ученые делают новую нейтроногенерирующую мишень, создают систему формирования пучка нейтронов, идеальную для БНЗТ, совершенствуют конструкцию и режимы работы с целью создания установки, пригодной для реальной терапии.

«Мне бы хотелось, чтобы наша разработка все-таки дошла до медицинской практики. Но как это получится — не знаю. 15 лет тому назад хотелось сделать новый ускоритель. Вышло. Надеюсь, и дальше все получится», — говорит ученый.

Диана Хомякова

Фото: (2) — предоставлено Сергеем Таскаевым, остальные — Юлии Поздняковой

оригинал: http://www.sbras.info/articles/science/malenkie-yadernye-vzr...