Хроника юбилейного года

Материалы НИИЯФ

1. Радиационные пояса Земли.

До полета первых искусственных спутников Земли (ИСЗ) сведения об окружающем Землю пространстве были столь неопределенными и мало изученными, что вопрос о возможности существования вблизи Земли захваченной ее магнитным полем радиации не принимался во внимание. Третий советский ИСЗ (запущен 15 мая 1958 г.) был укомплектован обширным набором аппаратуры, созданной в НИИЯФ МГУ под руководством директора института академика С.Н.Вернова и позволявшей судить о составе регистрируемых заряженных частиц. В экваториальных областях спутник регистрировал преобладание тяжелых частиц, протонов с энергией ˜100 МэВ, а в полярных районах - электронов с энергией ˜40 кэВ. В результате этого полета было выяснено, что в экваториальных областях расположен внутренний радиационный пояс Земли (РПЗ) (ранее обнаруженный на американских ИСЗ), а в полярных - внешний РПЗ. За эти работы акад. С.Н.Вернов и А.Е.Чудаков в 1960 г. были удостоены Ленинской премии.

Открытие внешнего РПЗ было зарегистрировано в Государственном комитете по делам изобретений и открытий СССР за N 23 в 1963 г. с приоритетом от июля 1958г. Авторами этого открытия была группа ученых из НИИЯФ в составе С.Н.Вернова, А.С.Чудакова, П.В.Вакулова, Е.В.Горчакова и Ю.И.Логачева. В последующие годы на советских ИСЗ серий "Электрон", "Молния", "Космос" и др. с помощью аппаратуры НИИЯФ детально исследована структура, состав и динамика РПЗ.

Рис. 1 Академик С.Н. Вернов у карты радиационных поясов Земли.

Сотрудником НИИЯФ проф. Б.А.Тверским в 1961-1965 гг. разработана ныне общепринятая теория РПЗ. Многие новые явления, обнаруженные в радиационных поясах в последние десятилетия, были либо предсказаны, либо объяснены в рамках этой теории. Работы Б.А.Тверского по теории РПЗ отмечены Ломоносовской премией МГУ (1972 г.) и Государственной премией (1978 г.).

На 2-м и 3-м кораблях-спутниках (1960 г.) радиационные приборы зарегистрировали на высотах 200 - 300 км в южном полушарии в определенном интервале географических долгот большие потоки радиации. Оказалось, что это - частицы РПЗ, опускающиеся на малые высоты в районах аномалий магнитного поля Земли. Явление стока частиц РПЗ над отрицательными магнитными аномалиями было зарегистрировано в Государственном реестре открытий за N 237 в 1982 г. с приоритетом от декабря 1960 г. Это открытие сделано коллективом авторов, состоящим из ученых НИИЯФ МГУ и Физического института АН СССР.

Рис. 2. Профессор Б.А. Тверской - создатель теории радиационных поясов Земли.

Благодаря работам, выполненным в НИИЯФ, возникло новое направление исследований - космическая дозиметрия, задача которой - обеспечить безопасность полетов космонавтов на околоземных орбитах. Инициатором проведения систематических измерений доз радиации в поясах был С.Н.Вернов. Радиометры-дозиметры НИИЯФ устанавливались на всех пилотируемых кораблях-спутниках с длительностью полета от нескольких суток и на всех орбитальных станциях, в том числе на находящейся в полете в настоящее время Международной Космической Станции (МКС).

Интенсивные потоки энергичных частиц, в том числе и РПЗ, в околоземном космическом пространстве являются главным фактором, нарушающим нормальное функционирование космических аппаратов. Повышение радиационной стойкости материалов и элементов бортового оборудования, прогнозы воздействия космической радиации являются задачами сегодняшнего дня. Особое внимание в настоящее время уделяется изучению вариаций потоков энергичных электронов внешнего РПЗ (называемых "космическими киллерами").

2. Динамическая модель магнитосферы Земли.

Ученые НИИЯФ внесли большой вклад в разработку фундаментальных представлений о плазме в Космосе - в околосолнечном и околоземном пространстве, - и о происходящих там процессах. Эти исследования были начаты в 60-е годы, в пионерских работах доктора физико-математических наук В.П.Шабанского. В дальнейшем, в исследованиях, выполненных доктором физико-математических наук И.И.Алексеевым, профессором И.С.Веселовским и доктором физико-математических наук А.П.Кропоткиным и их сотрудниками, было показано, что в ближнем Космосе, в гелиосфере и в магнитосфере Земли, возникают нелинейные структуры, эффективно осуществляющие трансформацию энергии электромагнитного поля в энергию частиц. Среди таких структур - гелиосферный токовый слой и токовый слой в хвосте магнитосферы. Проведенные исследования, опирающиеся на самый современный теоретический базис: нелинейную динамику и теорию самоорганизации в динамических системах, в сочетании с кинетической теорией плазмы, открыли путь к пониманию того, почему происходят внезапные быстрые перестройки токовых слоев в солнечной короне и в геомагнитном хвосте, порождающие всплески самой разнообразной активности и в гелиосфере, и в магнитосфере. Такие всплески активности имеют важнейшее значение и с прикладной точки зрения - они определяют "космическую погоду", т.е. те условия в Космосе, от которых зависит работа всех спутниковых систем: телекоммуникации, навигация и многое другое. Международная Организация Стандартизации (ISO) приняла разработанную в НИИЯФ динамическую модель магнитосферы в качестве основы для Международного стандарта.

Рис.3

3. Открытие излома в энергетическом спектре космических лучей

Одним из научных направлений НИИЯФ МГУ является исследование космических лучей сверхвысоких энергий (выше 1015 эВ) методом широких атмосферных ливней. Решающую роль в развитии этого направления сыграл заведующий отделом частиц сверхвысоких энергий Георгий Борисович Христиансен.

Рис.4. Академик Г.Б. Христиансен.

Еще в середине 50-х годов на территории нового здания МГУ на Ленинских горах по инициативе Сергея Николаевича Вернова и непосредственном участии Г.Б.Христиансена была создана уникальная для того времени наземная установки широких атмосферных ливней (ШАЛ МГУ), которая в модернизированном виде продолжает работать до настоящего времени.

Рис. 5. 20-й корпус НИИЯФ МГУ - центральная часть установки ШАЛ МГУ.

Важнейшим научным результатом, полученным на установке ШАЛ МГУ, явилось открытие "излома" в энергетическом спектре первичного космического излучения при энергии порядка 3.10¹⁵ эВ.

Рис.6. Авторы открытия (слева направо) Б.А.Хренов, В.И.Соловьева, Г.В.Куликов, А.Т.Абросимов, С.Н.Вернов, Г.Б.Христиансен.

Это открытие существенно для решения проблемы происхождения и распространения космических лучей в Галактике. Излом спектра был открыт в конце 50-х годов на основе изучения на установке ШАЛ МГУ спектра широких атмосферных ливней по числу заряженных частиц. В 1970 году обнаруженное изменения формы энергетического спектра первичных космических лучей было зарегистрировано Комитетом по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР как научное открытие.

Рис.7. Диплом об открытии

А в 1982 году руководитель отдела частиц сверхвысоких энергий НИИЯФ МГУ Г.Б. Христиансен за цикл работ по изучению космических лучей сверхвысоких энергий, в которых исследование излома спектра было одним из ведущих направлений, был удостоен Ленинской премии. В 1997 году Г.Б. Христиансен был избран действительным членом Российской академии наук.

Как показал дальнейший ход развития исследований в области физики космических лучей при сверхвысоких энергиях, значение результата о наличии излома в энергетическом спектре трудно переоценить. Открытие излома привело к стимулированию исследований в этом направлении во многих ведущих лабораториях мира. В настоящее время существование излома подтверждено работами нескольких десятков научных групп в различных лабораториях.

Рис. 8. Первичный энергетический спектр космических лучей.

Обнаружение излома поставило перед астрофизикой вопрос об его интерпретации, которая до сих пор вызывает пристальное внимание астрофизиков.

Совокупность экспериментальных результатов об энергетическом спектре и массовом составе первичного излучения хорошо объясняется в рамках предположения, что излом в спектрах отдельных групп ядер наблюдается при энергии, пропорциональной заряду ядра. Такое предположение естественным образом возникает как в современных моделях распространения космических лучей с учетом дрейфа частиц в регулярных магнитных полях Галактики (холловская диффузия), так и в моделях ускорения космических лучей ударными волнами в расширяющихся оболочках взорвавшихся сверхновых.

Свидетельством повышенного интереса к изучению излома в спектрах различных компонент широких атмосферных ливней является, в частности то, что на каждой Международной конференции по космическим лучам количество докладов по данной тематике исчисляется десятками.

4. Открытие "эффекта теней".

Рис. 9. Формирование протонограммы.

В 1964 году при исследовании ядерных реакций на ускоритеях профессором А.Ф.Тулиновым было открыто новое физическое явление - "эффект теней", схематично проиллюстрированное на рисунке 9. В угловом рспределении заряженных частиц рассеяных на атоме, расположенном в узле решетки, или испущенных ядром узлового атома, наблюдаются минимумы интенсивности, или "тени", вдоль основных направлений кристаллографических осей или плоскостей. Эти "тени" прекрасно наблюдаются на люминесцирующем экране и регистрируются фотопастинкой или полупроводниковым детектором. Это открытие, наряду с открытием эффекта каналирования заряженных частиц в кристаллах, послужило толчком для целого направления в физике взаимодействия излучений с веществом, базой для многочисленных применений в диагностике структуры и состава кристаллов, в значительной мере дополняющих рентгено-дифракционные методы. Одно из уникальных применений - метод определения с высокой точностью местоположения примесных атомов в ячейке кристалла. На основе эффекта теней был развит и успешно используется метод определения времени протекания ядерных реакций. С помощью этого метода можно измерять времена протекания ядерных реакций от 10^-18-10^-15с. За работы, связанные с открытием и исследованием эффекта теней, коллектив НИИЯФ МГУ в 1972 г. Был удостоен Государственной премии СССР. Различные аспекты физики так называемых ориентационных эффектов и постоянно расширяющийся круг их практических применений обсуждаются на многочисленных отечественных и международных конференциях и симпозиумах, в том числе на ежегодной конференции по Физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами и Российско-Японском симпозиуме "Interaction of fast charged particles with solids", проводимых под председательством профессора А.Ф.Тулинова.

5. Разработка и создание ускорителей электронов для фундаментальных и прикладных исследований в области ядерной физики и в других областях науки и техники.

В отделе электромагнитных процессов и взаимодействия атомных ядер НИИЯФ МГУ ведется разработка и создание ускорителей электронов для фундаментальных и прикладных исследований в области ядерной физики и в других областях науки и техники. Работы ведутся, главным образом, по следующим направлениям: (1) линейные ускорители электронов непрерывного действия, позволяющие получать как прецизионные пучки для современных ядерно-физических исследований, так и пучки с рекордно большой средней мощностью; (2) импульсные линейные ускорители с оптимальным сочетание размеров, эффективности, мощности и энергии пучка; (3) рециркуляционные ускорители, создаваемые по схеме разрезного микротрона, отличающиеся высокой компактностью и эффективностью; (4) ускорители со сверхвысоким темпом набора энергии, до 1 ГэВ/м и более, основанные на лазерном принципе ускорения.

В течение последних 15 лет в НИИЯФ МГУ в содружестве с различными организациями был создан ряд ускорителей электронов, превосходящих по совокупности характеристик аналоги, созданные в других научных центрах, в частности, прецизионный линейный ускоритель непрерывного действия на энергию 6.7 МэВ, мощный линейный ускоритель со средним током 50 мА, компактный импульсный разрезной микротрон на энергию 70 МэВ и экономичный ускоритель электронов с большой яркостью пучка на энергию 35 МэВ для университетских исследовательских центров. В создаваемых ускорителях широко используются магнитные системы на основе редкоземельных магнитных материалов, оригинальные схемы СВЧ питания, современные цифровые системы управления.

В настоящее время в НИИЯФ МГУ ведется разработка импульсного линейного ускорителя на энергию 10 МэВ со средней мощностью пучка 50 кВт, компактного рециркуляционного ускорителя для интраоперационной лучевой терапии, лазерного ускорителя на основе дифракционной ускоряющей структуры. Создаваемые ускорители могут найти применение в медицине, в различных технологических процессах в промышленности, в экологии и в системах безопасности.

На фотографии показан общий вид импульсного разрезного микротрона на энергию 70 МэВ.

Рис. 10.