Фундаментальные исследования в области физики   высоких   энергий  всегда были тесно связаны с работами   по  освоению   атомной   энергии.Поэтому И.В.Курчатов   (руководитель   Лаборатории №2, стоявшей у   истоков   советского   атомного  проекта)   всячески способствовал   исследованиям на   ускорителях   и   развивал их.

 Ещё   в начале работ над созданием   советской   атомной   бомбы   из   Лаборатории   № 2 выделилась   Лаборатория  №3,   которая   занималась под руководством А.И.   Алиханова   созданием тяжеловодного   реактора. Позднее лаборатория   стала   Институтом теоретической и   экспериментальной физики  -   ИТЭФ, где начало   активно развиваться  направление физики   ускорителей. Возникла необходимость   выделить это   направление на отдельную площадку. 

 И.В. Курчатов был одним из тех, кто   активно поддержал идею сооружения под Серпуховом протонного суперускорителя на энергию 70 ГэВ (Гига-электрон-Вольт), предназначенного для физических исследований. При выборе основания под ускоритель были обследованы около 40 площадок в разных концах страны. В результате выбор пал на площадку под Серпуховом, расположенную на очень ровной и твердой скальной породе. В январе 1960 г. в Протвине развернулась масштабная стройка крупнейшего на тот момент в мире ускорителя. Во время строительства применялись самые новые технологии. По воспоминаниям инженеров, точность расчетов и работ при прокладке кольца была сравнима с расчетом полета космического корабля. Благодаря этим измерениям строители замкнули тоннель синхротрона с точностью до 3 мм. Незадолго до запуска ускорителя У‑70 летом 1966 г. Протвино посетил премьер-министр Франции Жорж Помпиду (что положило начало активномо сотрудничеству физиков Франции и СССР именно на ускорителе в Протвино).  

Ускорительный комплекс У-70 был построен в 1967 г. Это огромная сверхсложная инженерная система. Она представляет собой гигантскую по окружности вакуумную камеру, свернутую в кольцо и размещенную в электромагните общим весом 20 тыс. т. При разгоне частиц до скоростей, близких к скорости света, и их взаимодействии с мишенью рождается множество разнообразных вторичных частиц, которые регистрируются сложнейшими детекторами ядерного излучения. После компьютерной обработки экспериментальных данных ученые восстанавливают картину взаимодействия ускоренной частицы с веществом, делая выводы о свойствах внутриядерных частиц, о параметрах теоретических моделей фундаментальных взаимодействий. Но кроме работ на ускорителе многие исследования, которые идут в институте сегодня, по-настоящему прорывные. Что это за работы и почему они важны - наш разговор с директором ИФВЭ НИЦ «Курчатовский институт» академиком Сергеем Владиславовичем Ивановым.

 

— С чего начинался ваш институт?

— Первым директором и основателем нашего института был А.А. Логунов — выдающийся советский физик-теоретик, ректор МГУ им. М.В. Ломоносова с 1977 по 1992 г. Именно при нём наш институт стал самостоятельным научным центром мирового уровня. До этого около года он был филиалом московского Института теоретической и экспериментальной физики. Там ещё в 1958 г. началось сооружение протонного синхротрона У-7 — по сути, прототипа Протвинского ускорителя. Более масштабный проект (ускоритель протонов на 50 ГэВ) было решено запустить на другой площадке, вне Москвы. В его проектировании и сооружении непосредственно участвовали многие выдающиеся ученые и инженеры ИТЭФ. Ещё до запуска ускорителя в Протвине был создан научно-координационный совет, в состав которого вошли известные ученые из Курчатовского института, ОИЯИ, ИТЭФ, ФИАН, МГУ, МИФИ и других институтов. Сегодня, как известно, и мы, и ИТЭФ входим в состав большого НИЦ «Курчатовский институт», и здесь налицо преемственность научных школ, направлений, можно сказать, что и своеобразная внутренняя логика развития науки.

Завершение строительства ускорителя У-70 (вначале он назывался «Серпуховский синхротрон») и соответствующей экспериментальной базы, запуск ускорителя, который пять лет был крупнейшим в мире, первые, очень востребованные исследования по физике элементарных частиц в нашем ускорителе были осуществлены под руководством А.А. Логунова. Весь город Протвино был создан именно под задачи строительства института: в связи с этим происходило становление городской ­инфраструктуры, социальных, культурных, бытовых, энергетических и прочих сфер. Недаром Протвино имеет статус наукограда РФ (с 2008 г.).

 

— Основные направления исследований были определены с самого начала?

— Да, главная сфера деятельности нашего института была определена с момента основания и осталась неизменной: проведение исследований фундаментальных свойств материи и элементарных частиц с помощью ускорителя заряженных частиц. Это очень интересная, комплексная сфера науки и техники. Например, чтобы ускоритель заработал, в одной точке должно сойтись очень много технологий: это и магнитные системы, и системы электропитания, и специальные вакуумные системы, высокочастотные ускоряющие, импульсно-ударные, системы управления и т.д. Наличие подобного класса установок, объединяемого общим названием «исследовательские мегаустановки», — это индикатор научного, технологического уровня страны, особенно если они построены на собственной промышленной и технологической базе. Это показатель того, что страна имеет ресурсы, прежде всего кадровые, интеллектуальные, которые позволяют ей заниматься фундаментальными исследованиями на самом переднем крае современной науки и которые служат основой для прикладной науки.

 

— Ваш ускоритель — своего рода сердце института. Чем он занят сейчас?

— Наш ускорительный комплекс с момента запуска прошел большой путь развития. Прежде всего, у нас был изменен так называемый инжекционный каскад, то есть вместо линейного ускорителя И-100, который шел первым по ходу пучка перед его переводом на кольцевую орбиту, был создан линейный ускоритель протонов УРАЛ-30 с высокочастотной квадрупольной фокусировкой. Кстати, ученые нашего института, которые разработали этот принцип, получили Ленинскую премию. Был создан быстроцикличный кольцевой бустер У-1,5, что позволило пройти ряд существенных ограничений в физике пучков заряженных частиц (так называемый кулоновский сдвиг бетатронной частоты) и повысить интенсивность большого кольца. Кроме того, серьезно развивались различные технологические системы, системы быстрого и медленного вывода пучка, сеть каналов транспортировки пучка и экспериментальных установок.

Большие усилия были потрачены на развитие и диверсификацию возможностей комплекса. По проекту он был создан только для ускорения протонов — частиц с отношением заряда к массе, равным единице. А за последние годы мы продвинулись в направлении ускорения ядер углерода. Это непростая задача, поскольку ядра углерода имеют отношение заряда к массе 1/2. И мы  нашли такое окно возможностей, которое в наших технологических системах при минимальной перенастройке позволило нам захватить и ускорить пучки ядер углерода и фактически перевести их в разряд инструментов фундаментальных исследований. А на промежуточных энергиях мы их как раз направили на радиобиологию и медицину, поскольку одно из перспективных и быстроразвивающихся направлений современной медицины — это адронная, или углеродная, лучевая терапия.

 

— Расскажите об этом направлении исследований подробнее.

— Оказалось, что наш кольцевой бустер У-1,5 — это ускоритель, который дает нам возможность получать пучки частиц той энергии, которые необходимы для медицинских целей. Это пока ещё не лечение, а радиобиологические и предклинические исследования. Прежде чем все это войдет в клиническую практику, нужно, чтобы работу с ускоренными углеродными пучками освоили врачи, радиобиологи, и все было сертифицировано. Поэтому мы работаем в тесной связке с Медицинским радиобиологическим научным центром им. А.Ф. Цыба в Обнинске.

 

— В чем суть воздействия углеродным пучком?

— Оказывается, терапия углеродным пучком очень эффективна при ряде онкологических за  болеваний. Дело в том, что углеродный пучок при продвижении в тканях человека почти не рассеивается и меньше облучает здоровые ткани и органы. У него резкая локализация энерговыделения в области, которая называется пиком Брэгга. Это означает, что можно производить буквально точечное облучение конкретных областей в организме, точно позиционируя энерговыделение пучка в нужном месте, не повреждая соседние ткани. Это  направление сейчас активно развивается на Западе и в Японии. Мы также уверенно движемся в этом направлении. Мы уже сконвертировали установку, созданную для фундаментальных исследований, и максимально быстро перевели в практическую плоскость исследования в этом направлении. То есть мы уже даем реальный углеродный пучок для радиобиологов МРНЦ, Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН из Пущина, а в последние два сеанса к нам присоединились коллеги из Федерального медицинского биофизического центра им. А.И. Бурназяна ФМБА и Института медико-биологических проблем РАН.

 

— Какие виды онкологических заболеваний предполагается лечить таким образом?

— Речь идет о так называемых радиорезистентных опухолях, в основном опухолях легких Лечение будет происходить в амбулаторном режиме, за 10–15 фракций облучения. Это медицина  будущего, которая уже входит в нашу жизнь. Мы считаем, что такая прикладная деятельность — в чем-то «возврат долгов», средств, которые в свое время страна инвестировала в нашу сложную, до-

рогостоящую исследовательскую инфраструктуру. То, о чем мы говорили в самом начале: фундаментальная наука дает плоды в жизненно важной прикладной области.

 

Справочно

Введенный в эксплуатацию в 1967 г. в Протвине крупнейший ускоритель своего времени — протонный синхротрон на энергию 70 ГэВ (10⁹ электронвольт) У-70 — до сих пор остается самым высокоэнергетичным ускорителем России. Ввод в эксплуатацию «Серпуховского синхротрона» ознаменовал начало нового этапа развития физики высоких энергий и ускорительной техники. Советские ученые получили в свое распоряжение экспериментальную базу коллективного пользования с уникальными возможностями для проведения исследований в области физики микромира. В 1968 г. на У-70 была достигнута проектная интенсивность 10¹² протонов в цикле, что позволило начать первые физические эксперименты при рекордных энергиях. Уже в первых экспериментах на ускорителе У‑70 были открыты антиядра гелия-3 и трития, содержащие по три антинуклона. Позже были обнаружены более 20 новых частиц с уникальными свойствами, благодаря чему ученые смогли объяснить ряд процессов, происходящих во Вселенной. Вскоре после этого советские физики разработалипроект нового ускорителя — протон-протонного коллайдера на энергию 3×3 ТэВ, который стал бы самым мощным в мире. К концу 1989 г. была выполнена значительная

часть работ, было почти закончено сооружение гигантского подземного кольца для ускорителя. Все работы, к сожалению, пришлось заморозить и свернуть в 1990-е г.г. Опыт ученых, инженеров, участвовавших в сооружении «советского коллайдера» в Протвине, оказался впоследствии очень востребованным при создании Большого адронного коллайдера (БАК, LHC) в CERN. В 2015 г. по инициативе НИЦ «Курчатовский институт», осуществляющего в соответствии с распоряжением Правительства РФ научное руководство кооперацией российских организаций в международном проекте «Большой адронный коллайдер» в CERN, была разработана Программа сотрудничества Российской Федерации с CERN на 2015–2020 г.г..

 

По материалам: Наталья Лескова, сайт НИЦ "КИ"/ "В мире науки" №11, 2017