Поиск - новости науки и техники

От виртуального к оптимальному. Компьютерная модель позволит рассчитать параметры новой экспериментальной установки.

В недалеком будущем в Дармштадте (Германия) на базе Исследовательского центра по изучению тяжелых ионов GSI будет запущен международный ускорительный комплекс по исследованию тяжелых ионов и антипротонов FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research). По масштабам и объему затрат специалисты сравнивают этот проект с Большим адронным коллайдером. В его реализации задействованы 16 стран, в том числе Россия. Среди отечественных участников выделяется Институт теоретической и экспериментальной физики, входящий в Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт” (ФГБУ “ГНЦ РФ ИТЭФ” НИЦ “Курчатовский институт”), сотрудники которого активно вовлечены в создание будущих экспериментальных установок на новом ускорительном комплексе. В рамках ФЦП “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы” по гранту Минобрнауки в ИТЭФ выполнен проект “Исследования и разработки физических и математических основ будущего программного обеспечения для интерпретации экспериментов на ускорительной установке FAIR”. О деталях этой работы, а также об участии российских специалистов в создании FAIR корреспонденту “Поиска” Светлане Беляевой рассказал заместитель директора ИТЭФ по научной работе доктор физико-математических наук Александр Голубев.
– Александр Александрович, как развиваются научные связи ИТЭФ – FAIR, в каких работах задействованы специалисты института, какие направления вам наиболее интересны?
– Проект FAIR зарождался в GSI около 15 лет назад, а нашим связям с немецкими партнерами уже более четверти века! В ИТЭФ и GSI две ускорительные лаборатории работают в близких научных направлениях – это физика ускорителей, физика взаимодействия ионных пучков, ядерная физика, физика плазмы, материаловедение и другие. Первые совместные эксперименты мы проводили в начале 1990-х годов при поддержке РФФИ, немецких и международных фондов.
FAIR представляет собой международный проект исследовательского центра на базе многоцелевого ускорителя. Сооружаемый комплекс предоставит высокоэнергичные, прецизионно настроенные пучки антипротонов и различных ионов с уникальными параметрами и высокой интенсивностью, превышающей интенсивность существующих в мире пучков в 100-10 000 раз. Этот проект входит в число базовых проектов Европейского форума исследовательской инфраструктуры (ESFRI). В нем принимают участие Австрия, Великобритания, Германия, Греция, Индия, Испания, Италия, Китай, Польша, Россия, Румыния, Словакия, Словения, Финляндия, Франция и Швеция, которые вносят свой вклад как в виде поставок высокотехнологичного оборудования и компонентов установок, так и в виде денежных взносов.
С запуском ускорительного комплекса более 3000 исследователей со всего мира начнут выполнять эксперименты на новом ускорительном комплексе, целью которых является изучение фундаментальных свойств и структуры материи и эволюции Вселенной с момента ее зарождения. Уже сегодня созданы 14 крупных международных коллабораций, которые сгруппированы в четыре тематических направления исследований: Структура ядра и ядерная астрофизика (NuSTAR), Антипротонная программа (PANDA), Физика плотной барионной материи (CBM), атомная физика, физика сверхплотной плазмы, а также прикладные исследования по материаловедению и биологии (APPA).
Эксперименты по соударению тяжелых ионов являются важнейшим направлением современных физических исследований. Их основная цель – поиск и изучение свойств новых состояний вещества. В частности, эксперимент RHIC изучает вещество в области больших температур. Одним из результатов этого эксперимента является обнаружение нового состояния вещества – кварк-глюонной плазмы. Эксперимент CBM ускорителя FAIR направлен на изучение свойств вещества с другими параметрами: малыми температурами и большими барионными плотностями. Ожидается, что в этой области будут обнаружены критическая точка и новое состояние вещества – цветовой сверхпроводник.
– Почему FAIR важен для нашей страны?
– Он представляет большой научный и практический интерес для России, поскольку может придать новый импульс развитию высоких технологий в различных отраслях экономики, подготовке молодых научных и инженерных кадров, развитию ИT-технологий и дальнейшей активной интеграции нашей страны в мировое и европейское научное и технологическое пространство. Также Россия приобретет возможность в течение как минимум двух десятилетий получать уникальные знания о структуре и свойствах материи, необходимые для создания научно-технологической базы атомной энергетики нового поколения, расширения сферы применения ядерных технологий и поиска перспективных способов использования энергии атомного ядра.
В ходе участия нашей страны в проекте FAIR основные средства будут вложены в развитие высоких технологий в России, развитие институтов и предприятий, выпускающих наукоемкую продукцию. В процессе сооружения ускорительного комплекса, как это уже было при сооружении Большого адронного коллайдера в ЦЕРН, российские научные организации и промышленные предприятия получат заказы на разработку и изготовление высокотехнологичной продукции, а также доступ к зарубежным высоким технологиям.
Уже понятно, что активное участие России в проекте FAIR будет способствовать обеспечению инновационного развития российского ядерного энергетического комплекса и решению задачи создания научно-технологической базы атомной энергетики нового поколения, а также расширению сферы применения ядерных технологий и поиску перспективных способов использования энергии атомного ядра.
– В каком из научных направлений исследований на будущем ускорителе ученые ИТЭФ уже сегодня занимают серьезные позиции?
– Их несколько, но я бы выделил физику сверхплотной плазмы. Здесь нами был разработан прототип системы формирования полого (кольцевого) интенсивного пучка тяжелых ионов для экспериментов по лабораторной астрофизике, а в международном сотрудничестве ученых России, США и Германии разработан и создан прототип протонно-радиографической установки PRIOR, которая является уникальным диагностическим инструментом для изучения физики высокой плотности энергии в веществе. В дальнейшем подобная установка будет создана для экспериментов по физике плазмы в проекте FAIR.
– Для чего нужна компьютерная модель протонно-радиографической установки? В чем суть проекта, выполняемого по гранту Минобрнауки?
– Важнейший класс фундаментальных задач науки о материалах в экстремальных условиях непосредственно связан с физикой высоких плотностей энергии как в случае ударно-волнового сжатия, так и в режиме горячей плотной плазмы. Международное научное сообщество выделило целый ряд ключевых научных вызовов, решению которых могут способствовать эксперименты по физике высокой плотности энергии в веществе с использованием уникального диагностического метода протонной радиографии (проект PRIOR). Так, изучение материалов в экстремальных условиях является одним из ключевых вопросов в исследованиях, касающихся астрофизики, физики ударно-волновых процессов, нахождения коэффициентов переноса, определения уравнения состояния вещества, и в исследованиях неидеальной плазмы. Для создания вещества в экстремальном состоянии традиционно используются мишени, получаемые за счет импульсных драйверов, таких как взрывные генераторы, генераторы на основе сильноточных разрядов, короткие лазерные импульсы. В проекте FAIR для воссоздания экстремального состояния вещества будут использоваться интенсивные ионные пучки. Интенсивный пучок тяжелых ионов с энергией E~100 МэВ/А позволяет при взаимодействии с веществом обеспечивать быстрое выделение энергии в объеме, ограниченном пятном фокусировки и длиной пробега ионов в исследуемом веществе. Современные и строящиеся мощные ускорители тяжелых ионов обеспечивают интенсивность пучка 1011-1012 частиц за импульс при длительности импульса 50-250 наносекунд. При фокусировке подобного пучка ионов на мишень возникает вещество с плотностью, близкой к плотности твердого тела, и с температурой свыше 1000 К. Короткое время выделения энергии (меньшее, чем время гидродинамического разлета) обеспечивает режим изохорического нагрева. Таким образом, интенсивный ионный пучок является уникальным инструментом для генерации вещества с экстремальными параметрами. Для таких экспериментов необходимо измерять распределение плотности с высоким пространственным и временным разрешением. Протонная радиография обладает значительными преимуществами по сравнению с рентгеновской. Высокоэнергетические протоны имеют лучшую проникающую способность, что позволяет использовать их для исследования крупных или высокоплотных объектов. Высокое пространственное разрешение и высокий контраст протонно-радиографических изображений достигаются с помощью использования магнитной оптики в схеме установки.
Для достижения наилучшего пространственного разрешения и контрастной чувствительности необходимы проведение численного моделирования и оптимизация параметров установки с постановкой модельных численных экспериментов. Созданная нами компьютерная модель протонно-радиографической установки в совокупности с моделированием изучаемых физических процессов позволит достичь наилучшей точности по диагностике распределения плотности в будущих экспериментах в проекте FAIR.
– Что “умеет” разработанная в рамках гранта модель? Как она будет использоваться физиками?
– Она позволяет проводить виртуальные эксперименты со статическими моделями динамических процессов. С помощью разработанной нами компьютерной модели протонного микроскопа в будущем можно будет более точно интерпретировать экспериментальные результаты на установке PRIOR.
– В чем заключалось участие зарубежных партнеров?
– Совместно с нашими коллегами разработана методика для расчета и оптимизации ионно-оптической схемы протонного микроскопа, обладающая высокой степенью универсальности и позволяющая оперативно настраивать ионно-оптические схемы протонных микроскопов для различных типов исследуемых объектов, при различных энергиях пучка протонов и параметров экспериментальной установки.
– Получил ли проект развитие? Будут ли продолжены подобные работы? В чем их ценность для института и для FAIR?
– Предложенные методики и модели, использованные при подготовке и проведении первых экспериментов на прототипе установки PRIOR в GSI, будут применяться при разработке установки для проекта FAIR и будущих установок по протонной микроскопии в России. Кроме того, наши методики позволяют продлить срок эксплуатации квадрупольных линз на постоянных магнитах, используемых в секции формирования изображения протонных микроскопов. Надеюсь, что опыт, полученный коллективом ИТЭФ при выполнении проекта, поможет нам эффективно участвовать в будущих экспериментальных исследованиях FAIR.

Фото Николая Степаненкова

Спецвыпуск подготовили
Юрий Дризе
и Светлана Беляева

ПОЛНОСТЬЮ МАТЕРИАЛ СПЕЦВЫПУСКА ДОСТУПЕН В ФОРМАТЕ PDF

Нет комментариев