Eroarea accelerației

Eroarea accelerației

Andrey Sery
"Science first hand" №2 (62), 2015

Profesor la Universitatea Oxford, director al Institutului de Fizică Accelerator. John Adams (Oxford, Marea Britanie) Andrei Anatolyevich Gray la o întâlnire cu editorii revistei "Science First Hand." Novosibirsk, 2015

Înainte de a deveni director al unui institut britanic de cercetare, un fost absolvent al Departamentului de Fizică al Universității de Stat din Novosibirsk, Andrei Sery a mers mult. În primul rând, lucrează la Novosibirsk Academgorodok, la Institutul de Fizică Nucleară al SB RAS, apoi la sucursala INP din Protvino. Înainte de a fi invitat să lucreze la Stanford Linear Accelerator Center (California, SUA), în 1999 a reușit să lucreze în Centrul pentru Energie Atomică lângă Paris și Laboratorul Național de Accelerator. Enrico Fermi lângă Chicago. În 2008, pentru contribuția sa la dezvoltarea unui colizator liniar, a fost ales membru al Societății Fizice Americane și doi ani mai târziu a condus Institutul de Fizică Accelerator, numit după faimosul fizician britanic John Adams, unul dintre directorii generali ai CERN. Andrei Seryy nu uită de "rădăcinile" sale istorice și științifice,arătând uneori umor în îngrijirea lor: în special împreună cu soția sa, absolventă a Facultății de Științe Naturale a NSU, au stabilit o bursă pentru studenții de succes, dar numai pentru cuplurile căsătorite de la două facultăți – Facultatea de Fizică și Facultatea de Științe ale Naturii.

Unul dintre fenomenele cele mai spectaculoase observate cu ochiul liber este dușul de meteoriți – o potecă largă, strălucitoare, lăsată de granițele mici de materie. Chiar mai surprinzător este aurora provocată de o coliziune cu atmosfera de particule elementare subatomice accelerată de soare. Razele rasiale – particulele elementare ale masei mici care pătrund în atmosfera pământului cu energia unei mingi de cricket – sunt mult mai greu de observat și mecanismul accelerației lor este încă un mister. Cu toate acestea, în condițiile terestre, oamenii au învățat să disperseze particulele elementare în acceleratoarele artificiale, ceea ce a făcut posibilă nu numai studierea fundamentelor fundamentale ale universului, dar și deschiderea de perspective pentru crearea de noi tehnologii.

În prezent, energia particulelor elementare obținute în acceleratoare nu atinge nici măcar o parte din milionul dintre cele mai "energice" particule cosmice,Cu toate acestea, fizicienii și inginerii nu sunt departe de natura: au creat metode pentru accelerarea simultană a multor miliarde de particule, în timp ce au învățat cum să-și concentreze fluxul și să-l comprime la dimensiuni mici. Deci, una dintre cele mai ambițioase facilități moderne de accelerator – Large Hadron Collider de la CERN – accelerează grinzile de protoni la o energie echivalentă energiei Boeing 747 în momentul decolării, în ciuda faptului că această energie este concentrată la un punct mai subțire decât un fir de păr uman.

Dispozitivul ATF2 a fost construit la Centrul de Cercetare în domeniul Energiei de înaltă Energie KEK (Japonia) pentru a testa ideile fizicianului italian P. Raimondi și A. Sery, care permit scurtarea sistemului de focalizare pentru colizoarele liniare de la câțiva kilometri la câteva sute de metri. Sistemul optic pentru ATF2 a fost proiectat de Gray, care a supervizat apoi crearea sa. Acum, instalarea funcționează cu succes și a atins parametrii planificați: fasciculul de electroni de energie 1 GeV a fost capabil să se concentreze asupra unei dimensiuni foarte mici – la 40 nm vertical. Foto N. Toge (KEK, Japonia)

Faptul că noi, urmând exemplul marii Renaștere,sunt gata să depună atât de mult efort pentru studiul celor mai fundamentale fundamentale ale naturii și să investească fonduri uriașe în acceleratoare și alte mașini care fac posibilă o astfel de cercetare, este un semn al unei societăți civilizate. Desigur, există și multe sarcini practice care necesită atenția oamenilor de știință "accelerator". În acest caz, știința și practica sunt destul de compatibile: sprijinul pentru cercetarea de bază asigură crearea de facilități și tehnologii potrivite pentru utilizarea pe scară largă, stimulând în același timp formarea specialiștilor capabili să desfășoare activități de cercetare orientate spre viitor.


În fiecare an, zeci de milioane de oameni folosesc diagnosticarea și tratamentul cu ajutorul acceleratoarelor de particule încărcate, iar valoarea de piață a tuturor produselor fabricate cu ajutorul lor pe an este mai mare de 500 miliarde de dolari (Accelerators for America's Future, DOE, 2009). Tehnologia de accelerare a fost utilizată în o treime din toate studiile acordate Premiile Nobel pentru Fizică (Chao et al., 2010).


Pentru centrele de cercetare din Marea Britanie, care se ocupă de o activitate similară, includeți Institutul de Fizică a Acceleratorului.John Adams (JAI) și omologul său din nord-vestul Angliei – Institutul de Fizică și Tehnologie de Accelerator. Cockroft (CI), creată în 2004. Ambele instituții sunt organizații destul de diferite, deoarece sunt create pe baza mai multor universități. Deci, Institutul. John Adams a fost inițial organizat de Universitatea Oxford și de Universitatea din Londra Royal Holloway, iar din 2011, datorită eforturilor directorului actual al JAI, London Imperial College a devenit și partener al centrului.

Institutul. John Adams colaborează strâns cu organizații de cercetare britanice și internaționale, printre care CERN, Laboratorul Rutherford și Centrul Synchrotron Diamond, precum și cu întreprinderile industriale. Noi acceleratoare pentru științele de bază sunt dezvoltate aici simultan cu sisteme care au aplicații biomedicale și industriale. JAI a câștigat reputația internațională ca centru de instruire a următoarei generații de fizicieni de accelerator pentru laboratoarele naționale de cercetare și pentru producția industrială.

"În instituția noastră funcționează 25 de profesori, restul sunt post-doctori și studenți absolvenți.Toți împreună (aproximativ 80 de persoane) facem o mare echipă de "acceleratoare"; administratorii, proiectanții și alți lucrători tehnici sunt furnizați de Universitatea Oxford, Colegiul Imperial și Royal Holloway. Universitățile își asumă toate preocupările legate de brevetare, publicații, granturi etc., prin urmare, oamenii de știință înșiși sunt scutiți de munca obișnuită de susținere a cercetării lor. Cu toate acestea, o astfel de atmosferă liberă din punct de vedere academic nu înseamnă că facem ceea ce dorim – ascultăm, de asemenea, sfatul experților independenți.

Periodic, la fiecare câțiva ani, se creează o comisie de experți invitați, cu care se dă un raport despre ceea ce sa făcut și despre ce se intenționează a fi făcut. Există diferite criterii pentru evaluarea muncii oamenilor de știință, iar acesta nu este doar numărul de publicații. Apropo, în fizica acceleratorului nu există prea multe publicații. Există chiar și o astfel de glumă: "suntem publicați în fier și beton". Instalațiile noastre sunt publicațiile noastre. Și comisiile care ne evaluează înțeleg acest lucru.

În ceea ce privește finanțarea institutului, aproximativ o treime din acesta este salariul profesorilor – aceasta este o parte stabilă permanentă.O altă treime este finanțarea de bază a omologului britanic al Ministerului Educației și Științei din Rusia, iar pentru extinderea sa este necesară prezentarea unui raport și a planurilor pentru viitor la fiecare câțiva ani. Ultima treime din finanțare constă în subvenții, proiecte, contracte, cooperare cu companii etc. – și pentru acești bani trebuie să luptăm aproape în fiecare zi, depășind o mare competiție, naturală pentru știința modernă "

"Polenizare încrucișată"

Nu este întotdeauna posibil să se prevadă care dintre rezultatele inovatoare obținute în dezvoltarea unor noi acceleratoare de particule pentru fizica fundamentală a particulelor elementare pot avea aplicații practice în alte domenii ale științei, medicinei sau tehnologiei. Cine ar fi putut prevedea, de exemplu, că încercările de a stabili o comunicare a informațiilor în cadrul unui proiect de cercetare la nivel mondial, cum ar fi CERN, ar putea conduce la crearea "paginii web mondiale" – Internetul, care a capturat literalmente întreaga lume? Și pe baza celor mai avansați detectoare de particule elementare, a fost posibil să se creeze cele mai bune spectrometre de masă pentru cercetarea chimică și biologică.

Un exemplu de problemă științifică și tehnică modernă este crearea, acumularea și focalizarea grinzilor unor astfel de particule elementare de scurtă durată, cum ar fi muonii. Aceste particule sunt instabile în natură, dar pe viitor ele pot fi folosite pentru a crea un accelerator relativ compact de generație următoare. Și metodele de focalizare a grinzilor de muon, care sunt în prezent studiate activ la Institut. John Adams, după cum sa dovedit, poate avea aplicații interesante în medicină.

Astfel, ideile care au apărut în cursul dezvoltării mielului de acceleratori au inspirat cercetătorii să dezvolte un nou dispozitiv pentru terapia împotriva cancerului. În prezent, în acest scop, cel mai adesea se utilizează acceleratoare electronice, care generează raze X, destinate distrugerii celulelor tumorale. În metoda mai modernă de terapie, în loc de electroni, se folosesc protoni sau chiar ioni de lumină, ceea ce permite focul mai bine orientat asupra tumorii și iradiază cât mai puțin posibil țesuturile sănătoase din jur, reducând la minimum deteriorarea organelor sensibile. Folosind tehnicile dezvoltate astăzi la JAI, aceste fascicule ionice pot fi direcționate mai precis și pot acționa mai eficient.

Gradul de "polenizare încrucișată" între cercetarea științifică în JAI și în industrie poate fi ilustrat de o serie de exemple. În special, studiile privind radiația coerentă a fasciculelor de electroni au stimulat crearea unor surse terahertz compacte cu aplicații potențiale în domeniul tehnologiei informației, în științele biologice și medicale. Și tehnica de măsurare a distanței absolute dezvoltată în timpul proiectării colizoarelor liniare este acum integrată într-un instrument metrologic, care va fi folosit nu numai pentru calibrarea mașinilor CNC și a instrumentelor geodezice, ci și pentru controlul deformării avioanelor.

X-ray "arata"

Laserele încep să joace un rol tot mai important în fizica acceleratorului. Metodele de diagnosticare laser ale fasciculului de electroni dezvoltate la JAI vor face posibilă măsurarea proprietăților sale fără a distruge fie fasciculul, fie detectorul însuși. Dar chiar și rezultate mai interesante sunt așteptate atunci când se utilizează lasere care vor controla procesul de accelerare în sine.

Astăzi, laserele convenționale de lumină vizibilă, cu o lungime de undă de aproximativ jumătate de micron, se găsesc aproape oriunde – de la un CD player la scanere bazate pe stoc.Fizica și tehnologia acceleratorului fac posibilă crearea de lasere cu raze X cu lungimea de undă a domeniului subnanometric: radiația datorată lungimii mici de undă este indispensabilă pentru analizarea structurii macromoleculelor biologice, a materialelor noi și analizarea proceselor rapide. Sursa acestor fotoni cu energie înaltă sunt electronii relativiști produși în acceleratoare. Principalele obstacole care împiedică utilizarea la scară largă a unor astfel de lasere cu raze X sunt dimensiunea lor și costul ridicat (de exemplu, LCLS, lansat în laboratorul California de accelerare SLAC, are o lungime de aproximativ un kilometru și un cost de aproximativ 500 de milioane de dolari).

Acceleratoarele convenționale, după cum se știe, se bazează pe mecanismul de accelerare a particulelor în rezonatoare – vase metalice de o anumită formă, care contribuie la crearea condițiilor pentru crearea câmpurilor de accelerare. Dar capacitatea metalelor de a rezista câmpurilor electromagnetice puternice este limitată datorită posibilelor defecțiuni electrice și distrugerii zidurilor rezonatorului. Cu toate acestea, într-o plasmă produsă într-un curent de gaz sub influența unui fascicul intens de particule sau a unui puls laser,Puteți crea un val adecvat pentru accelerare, amplitudinea căruia nu va fi limitată de defecțiuni, deoarece plasmă este un material care este deja "distrus" de unul singur. Un câmp electric puternic într-o trezire cu plasmă (cum ar fi cea care lasă o navă pe suprafața mării) va permite accelerarea particulelor la energii ridicate la distanțe mult mai scurte decât într-un accelerator convențional. Coliziunea directă a fasciculului de particule și a luminii laser deschide o altă posibilitate în ceea ce privește crearea surselor de lumină cu raze X prin utilizarea efectului Compton (atunci când fotonii luminii vizibile sunt reflectați de la electronii relativi, reducându-le lungimea de undă la un nivel de subnanometru).

Creatorii fizicii cuantice numiți "jocurile de biliard fotoni și electroni", efect Compton, esența căruia constă în dispersia elastică a radiațiilor electromagnetice pe un electron liber. Bazându-se pe acest efect, se creează surse de raze X compacte: coliziunea fotonilor laser cu un fascicul de electroni duce la reflectarea lor cu o creștere semnificativă a energiei lor. Pe diagramă – dispozitivul principal al sursei Compton. Fig. E.gri

Cel mai evident rezultat al interacțiunii fizicii acceleratorului cu fizica laserului și a plasmei este crearea de noi lasere cu raze X compacte și surse de lumină. Primul și mai simpluul tip de surse de raze X de Compton sunt în prezent activ dezvoltate, iar pentru un tip mai complex, va fi necesar un accelerator supraconductor cu recuperare de energie, ceea ce va asigura un flux de electroni mult mai puternic și, în consecință, o luminozitate mai mare a razei X. În cele din urmă, sarcina cea mai dificilă, dar și cea mai promițătoare este crearea unui laser cu electroni liber, bazat pe accelerația cu plasmă laser. Complexitatea acestei sarcini este foarte mare, dar câștigul posibil din soluția sa este enorm, care inspiră atât JAI, cât și alte grupuri de cercetare din întreaga lume să lucreze pe această direcție promițătoare.

O altă abordare a creării de surse compacte de radiații este utilizarea accelerației cu laser-plasmă. În acest caz, un puls laser scurt și intens repulsoreste electronii din plasmă, care sunt apoi atrase de ioni, creând un val de plasmă cu un gradient foarte înalt al câmpului (și).Un impuls laser foarte intens poate împinge toți electronii din plasmă dintr-o anumită regiune, creând un "balon cu plasmă", gradientul câmpului de accelerare în care poate fi de o mie de ori mai mare decât cel din acceleratoarele convenționaleb). Un fascicul de electroni accelerat într-o plasmă din el emite, creând o sursă luminoasă și punctuală de fotoni cu raze X (în). Fig. E. Seroy

Interacțiunea dintre lumina laser, plasmă și un fascicul de particule accelerate este abordată în prezent în diverse organizații științifice din întreaga lume. Inclusiv cu participarea angajaților Institutului. John Adams a reușit deja să atingă de o mie de ori o rată de accelerare a plasmei laser care depășește rata de accelerare a acceleratoarelor standard și să înceapă utilizarea fasciculelor accelerate pentru a genera radiații pentru aplicații medicale.

Deja primele rezultate obținute arată că acceleratoarele de plasmă sunt surse de raze X foarte strălucitoare, care se caracterizează prin proprietăți unice, cum ar fi durata scurtă a pulsului (mai multe femtosecunde) și dimensiunea extrem de mică a regiunii radiante (fracțiunea micronă).Toate acestea fac posibilă obținerea unei acuratețe mult mai mare a rezoluției temporale și spațiale în comparație cu sursele existente.

Apariția unei noi familii de acceleratoare de plasmă compacte va oferi o oportunitate pentru universități și laboratoare industriale de a desfășura în mod independent cercetarea în domeniul biologiei, medicinei și științei materialelor, care sunt disponibile în prezent numai în centrele de tehnologie mare.

Să fie lumină!

Una dintre funcțiile importante ale Institutului John Adams este educațională. A spori admirația pentru știință și înțelegerea ei, deși la un nivel simplu, la o audiență largă nu este doar una din multele sarcini ale institutului, ci unul dintre principalele obiective oficiale ale muncii sale.

Angajații institutului se străduiesc în mod constant să facă fizica acceleratorului accesibilă și atractivă pentru publicul larg, în special pentru copii, profesori de școală, reprezentanți ai altor științe și industrie. La urma urmei, puțini oameni știu că acceleratoarele de particule se găsesc în viața noastră de zi cu zi mai des decât ar putea crede. Ele sunt utilizate pe scară largă în zone foarte departe de fizică: de la distrugerea tumorilor canceroase, dezinfectarea dispozitivelor medicale și alimentelor la identificarea falsurilor de opere de artă!


În lumea științei și a inovațiilor, "valea morții" este numită dificil de depășit bariera dintre știință și industrie în sine. Esența problemei și a contradicțiilor este că, pe de o parte, este necesar un eșantion gata pentru producție, deoarece este dificil să se pună în practică ideea "brut", iar riscul comercial poate fi în acest caz prea mare. Dar, pe de altă parte, crearea unei mostre gata pentru producție, de regulă, nu face parte din sarcina oamenilor de știință. Prin urmare, calea de la ideea și demonstrațiile experimentale la aplicațiile comerciale este foarte spinoasă. Dificultatea este construirea unei "poduri", adică promovarea ideilor științifice tehnologice pregătite de la institutele de cercetare la întreprinderile industriale. Pentru a rezolva această problemă globală, diferite abordări sunt utilizate pentru a atrage investitorii și a aduce o soluție interesantă pentru utilizarea industrială. În special, la institutul nostru încercăm să depășim această problemă, lucrând simultan pe mai multe variante de surse de radiații compacte.


Printre activitățile de promovare ale JAI este de remarcat un spectacol unic interesant pentru elevii "Accelerate!" folosind bile de plajă, azot lichid și mingi de foc mari,cu ajutorul căruia conduc o demonstrație a activității acceleratorilor; Festivalul anual de muzică, unde concertele sunt combinate cu prelegeri științifice și de asemenea "Apelul" – o școală anuală de vară pentru profesorii de fizică de liceu, unde se dau o idee despre activitatea Adaosului de Large Hadron Collider și a altor acceleratoare similare sau chiar au posibilitatea de a produce un simplu model de accelerator camera cu bule de mijloace improvizate.

Știință și producție. Fig. Sasha Grey

Angajații Institutului oferă periodic cursuri în școli, pregătesc publicații non-fictive și toate acestea cu un personal relativ mic, dintre care majoritatea sunt studenți absolvenți. În acest sens, trebuie adăugat că, în fiecare an, institutul eliberează aproximativ 5-8 titluri de doctorat (doctorat) în viața științifică – la fel ca și centrul recunoscut al lumii în domeniul acceleratoarelor – Institutul de Fizică Nucleară de la Novosibirsk. GI Budker, unde lucrează aproximativ 3 mii de oameni. "Producția" de specialiști cu înaltă calificare, cu cunoștințe teoretice profunde, abilități practice și o minte flexibilă este cea mai importantă sarcină a JAI.

"Cum se poate transforma un rezultat științific într-un lucru substanțial și util? Am devenit serios interesat de această întrebare destul de recent, înainte de a mă angaja în știința pură de bază, m-am îngrijorat mai puțin de această problemă. în legătură cu poziția curentă.

A merge de la o idee științifică la o implementare este o provocare. Vreau să înțeleg cum să aleg proiectele potrivite care merită să ajungă la concluzia sa logică și cum să realizăm acest lucru.

Încercăm să-i concentrăm pe angajații noștri pe astfel de sarcini practice, să le motiveze. De exemplu, există o idee pentru a crea o nouă sursă de raze X, dar parametrii săi pot varia într-o gamă largă – poate lucra pentru știința materialelor, pentru medicină … Ce parametrii trebuie să aleagă și cum să o faceți mai compactă? Sau, de exemplu, cum să facem mai bine pentru alții să diagnosticheze un tip de cancer? Și după ce ideea însăși sa maturizat, începe mult drumul, care necesită atât timp, cât și forțe și resurse. Mai întâi trebuie să găsești una, cea mai câștigătoare opțiune. Și dacă funcționează, vor fi posibile diferite versiuni ale acestui instrument. Dar, totuși, mai întâi trebuie să călcați prima cale …

În general, avem o motivație puternică atât din partea guvernului, cât și a universităților: să încercăm mai întâi să privim lucrurile care pot fi puse în practică, să căutăm aplicații și oportunități reale pentru a le realiza "

Lumea fizicii acceleratorului ar trebui să funcționeze ca un singur organism în care componentele fundamentale și cele aplicate sunt în echilibru. Un fizician care gândește la cuarci și raze cosmice poate, în următoarea clipă, să devină inovator, care are în vedere crearea unei mașini cu raze X pentru spitale sau industrie.

În urma acestui principiu, Institutul de Fizică Accelerator John Adams este determinat să aducă cercetările de bază pentru aplicațiile industriale în viitorul apropiat. Sperăm că cercetarea noastră va contribui la crearea unor surse compacte de radiații sincrotronice, bazate pe principiul sinergiei laserelor și a noilor acceleratoare, care vor putea revoluționa întregul domeniu al fizicii acceleratoare și aplicațiile sale, la fel cum sa întâmplat și cu laserele de lumină vizibilă care stimulează știința și industria XX secol.În special, crearea de surse foarte compacte de impulsuri cu raze X – prima aplicație practică a acceleratoarelor de plasmă – poate fi un exemplu inspirat de depășirea "valei morții" care se află între știința acceleratoarelor și inovațiile tehnologice.


Like this post? Please share to your friends:
Lasă un răspuns

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: