История инноваций в ИТЭФ

Инновационная деятельность на базе «Института теоретической и экспериментальной физики имени А.И. Алиханова Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» тесно связана с проводимыми работами в следующих областях науки и техники: исследования фундаментальных взаимодействий в международных экспериментально- физических коллаборациях, фундаментальные исследования в области ядерной физики и адронных взаимодействий, теоретические исследования фундаментальных проблем физики и процессов работы ядерных реакторов, исследования в области астрофизики, космологии и математической физики, исследования по физике высокой плотности энергии в веществе и тяжелоионному термоядерному синтезу, разработка и реализация методов протонной онкотерапии и позитрон-эмиссионной диагностики, разработка методов ускорения ионных пучков, прикладное использование пучков ионов, развитие методов ультрамикроскопии и их применение в радиационном материаловедении, фундаментальные исследования в области физики и химии конденсированных сред, научное курирование отечественных тяжеловодных атомных реакторов, исследование возможностей электроядерных технологий в ядерной энергетике.

Разработаны оригинальные методы получения дефицитной в то время тяжёлой воды. Изучены свойства мюония и проведены исследования с использованием позитронной спектроскопии. По технологии гомогенных реакторов и свойствам мюония было сделано несколько открытий. Главным преимуществом тяжеловодного замедлителя по сравнению с графитовым является существенно меньшее поглощение нейтронов. Тяжеловодный реактор стал основной экспериментальной базой для исследований по физике тяжеловодных реакторов, ядерной спектроскопии, физике твёрдого тела. В те годы он был одним из главных поставщиков радиоактивных изотопов для нужд медицины и народного хозяйства.

На тяжеловодном реакторе ТВР впервые в стране:

1. получены поляризованные пучки нейтронов,
2. разработан метод ядерно-магнитного резонанса на поляризованных бета-активных ядрах; этот метод был впервые в мире использован для изучения свойств короткоживущих дефектов в кристаллах.

На реакторе впервые выполнены следующие работы:

1. исследована электрон-нейтринная корреляция при распаде свободных нейтронов,
2. открыто слабое нуклон-нуклонное взаимодействие в атомных ядрах,
3. открыто несохранение чётности при делении атомных ядер,
4. обнаружена асимметрия вылета нейтронов, сопровождающих акт деления.

В ИТЭФ в 1961 году был сооружён первый в стране протонный синхротрон У-7 с жесткой фокусировкой. Он ускорял пучок до энергии 7 ГэВ.

Кроме того, в ИТЭФ был подготовлен физический проект более мощных ускорителей У-70 и И-100, которые были построены и запущены в ИФВЭ с участием сотрудников ИТЭФ. За эти работы сотрудники ИТЭФ были удостоены Ленинской премии и двумя Государственными премиями.

Физики ИТЭФ развернули широкий фронт исследований «элементарных» частиц. Для этих целей впервые в стране создавались водородные, пропановые и ксеноновые пузырьковые камеры. В частности, на самой большой в мире (в то время) 700-литровой ксеноновой пузырьковой камере «Диана» были проведены эксперименты по поиску странных частиц.

Н.Н. Блохин, Л.Л. Гольдин, И.Я. Померанчук, А.И. Рудерман инициируют работы по развитию в СССР протонной лучевой терапии (ПЛТ) и созданию в ИТЭФ экспериментального Центра ПЛТ. Первый в стране линейный протонный ускоритель с жесткой фокусировкой И-2 на энергию 25 МэВ стал новым интенсивным инжектором для протонного синхротрона У-7. В институте были начаты исследования радиационных дефектов в твердых телах методом автоионной микроскопии. Современные методы ультрамикроскопии ― сканирующая туннельная и атомно-силовая ― успешно используются в ИТЭФ для изучения радиационных эффектов в конструкционных материалах атомных реакторов. Сотрудниками ИТЭФ и ИФВЭ была предложена пространственно-однородная квадрупольная фокусировка (ПОКФ, англоязычная аббревиатура RFQ), позволившая сделать прорыв в ускорении сильных токов ионов при малых скоростях.

В последующие годы с использованием структуры с ПОКФ в институте разрабатывались импульсные прототипы сильноточных ускорителей протонов ― НЧУ-1, НЧУ-2, а также тяжёлых ионов ― ТИПр и И-4. Последние ускорители работают и в настоящее время.

Основу спектрометра составлял 150 тонный магнит с величиной магнитного поля 1,67 Т, разработанный и изготовленный в ИТЭФ. Он был оснащен многозазорными оптическими искровыми камерами, системой фотографирования с быстрым циклом, жидководородной/дейтериевой мишенью с гелиевым охлаждением, различными системами детекторов, в том числе крупнейшим в мире черенковским счетчиком высокого давлении до 7 атм объемом 5м³ и диаметром 1,8 м. Завершено сооружение корпуса Центра протонной лучевой терапии (ПЛТ) с одной процедурной кабиной, создано и смонтировано первое поколение оборудования для ПЛТ. В Центре ПЛТ ИТЭФ пролечен первый пациент – введен в эксплуатацию третий в мире экспериментальный Центр ПЛТ. После введения в эксплуатацию нового инжектора И-2 на энергию 25 МэВ и коренной реконструкции протонного синхротрона его выходная энергия увеличена до 10 ГэВ (синхротрон стал называться У-10), а его интенсивность достигала 1,5×10¹² с^-1. Сооружается корпус с двумя дополнительными процедурными кабинами - вводится в строй первый в мире многокабинный (3 процедурные кабины) Центр протонной лучевой терапии (ПЛТ). Резко увеличился годовой поток пациентов и шесть крупнейших клиник г. Москвы ведут регулярную ПЛТ (в рамках клинических испытаний) онкологических больных; в последующие годы работы Центра ПЛТ последовательно создается и вводится в эксплуатацию второе и третье поколение оборудования для ПЛТ онкологических больных. В 1977 г. ИТЭФ был создан критический стенд нулевой мощности «Макет», на котором получены уникальные сведения о нейтроно-физических и эксплуатационных параметрах, а также о степени безопасности различных тяжеловодных решеток. На стенде продолжаются работы по сопровождению действующего промышленного тяжеловодного реактора. В ИТЭФ был запущен первый полномасштабный ускоритель протонов с ПОКФ и 4-камерным резонатором НЧУ-1. На нем при ускорении протонов до номинальной энергии 3 МэВ получен рекордный импульсный ток 237 мА. В ИТЭФ впервые было предложено использовать для измерения двойного бета-распада германиевый детектор, обогащенный до 90% изотопом ⁷⁶Ge. За три года был изготовлен детектор и низкофоновая установка. Измерения проводились в подземной лаборатории на Аванском солее-руднике, в Армении, с 1986 по 1989 гг. В результате, нам удалось впервые наблюдать 2-х нейтринный распад на ⁷⁶Ge и сразу на два порядка улучшить результат по ограничению безнейтринной моды двойного бета-распада. Начиная с 1984 г., в институте успешно развивается метод бета-ЯМР-спектроскопии, с помощью которого решён ряд задач ядерной физики и физики конденсированных сред. Разработан и изготовлен прототип сильноточного протонного ускорителя «Истра-36» на энергию 36 МэВ и средний ток 0,5 мА, в котором использованы передовые решения: структура с ПОКФ в начальной части, низкоэнергетичный инжектор, магнитотвердые квадруполи в фокусирующем канале основной части, открытые в вакуум трубки дрейфа. Физический пуск головная часть ускорителя на энергию 10 МэВ подтвердил эффективность принятых решений. При создании крупнейшей в мире дрейфовой камеры диаметром 4 и длиной 3,2 метра детектора КЛОЕ в Национальной лаборатории Фраскати (Италия) был разработан новый метод измерения натяжения проволочек не использующий магнитного поля. В нем была применена электростатическая раскачка проволочки и уникальный цифровой метод определения амплитуды ее колебаний. Созданная в ИТЭФ установка для измерения натяжения с успехом использовалась как в трех летний период создания камеры, так и для контроля натяжения всех 52 000 сигнальных и потенциальных проволочек (диаметром 25 мкм и длиной 3,2 м) камеры в многолетний период набора данных. Созданные на этом принципе устройства использовались при создании пропорциональных и дрейфовых детекторов для экспериментов на БАК. Уникальный тераваттный накопитель ускоренных ионов ― ТВН-ИТЭФ - включал в себя ускоритель-накопитель У-10, линейный ускоритель протонов И-2, бустер УК и ускоритель И-3 с инжектором тяжёлых ионов, в котором использовался ионный источник на основе мощного СО₂-лазера. Комплекс ТВН-ИТЭФ ускорял как протоны, так и ионы от углерода до серебра. В кольце У-10 могли накапливаться ядра тяжёлых элементов вплоть до железа. Создан твердотельный сцинтилляционный детектор антинейтрино (ТСДА). Детектор размещен на 4-м блоке Калининской АЭС для дистанционного мониторирования параметров ядерного реактора в режиме реального времени. Совместными усилиями сотрудников НИЦ «Курчатовский институт» и ИТЭФ создаётся первый в мире эмиссионный двухфазный детектор на жидком ксеноне, способный с рекордной чувствительностью регистрировать процесс упругого когерентного рассеяния нейтрино на атомном ядре. Заложенные в детектор решения актуальны для исследования тёмной материи. За время работы Центра протонной лучевой терапии (ПЛТ) ИТЭФ разработаны и применены в клинической практике целый ряд инновационных технологий ПЛТ больных с опухолями разных локализаций. В Центре ИТЭФ проведена ПЛТ у 4320 больных. Пятнадцать российских предприятий под руководством ИТЭФ выполнили проект первого в стране клинического Центра ПЛТ отечественного производства для ГКБ им. С.П. Боткина. Начинается новый проект – Комплекс протонной лучевой терапии (ПЛТ) для лечения онкоофтальмологических больных на циклотроне Ц80 НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ.