"Это мировой рекорд". В Сибири строят экстремально яркий источник излучения

МОСКВА, 30 авг — РИА Новости, Татьяна Пичугина. В наукограде Кольцово под Новосибирском приступили к строительству источника синхротронного излучения поколения 4+ — "СКИФ". Вокруг разместят тридцать экспериментальных станций. По ключевым параметрам — эмиттансу и яркости — этой установке пока нет равных в мире. Она позволит совершать открытия нобелевского уровня в биологии, химии, физике, материаловедении, станет драйвером для высокотехнологичных отраслей промышленности. Директор ЦКП "СКИФ" Института катализа СО РАН, заместитель директора Института ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН по научной работе Евгений Левичев рассказал РИА Новости о принципе ее работы и специфике.

Побочный эффект ускорения

Ученых нередко упрекают за то, что их исследования слишком фундаментальны и не несут практической пользы. Однако развитие ускорительной техники полностью это опровергает. Действительно, огромные установки, сравнимые по стоимости с запуском в космос, сначала сооружали, чтобы проникнуть в тайны мироздания. Со временем, однако, их все чаще использовали и для других задач. Сейчас в мире действуют сотни ускорителей, в том числе около шестидесяти синхротронов.

Синхротрон — это кольцо из вакуумной трубы, в которой разгоняются легкие заряженные частицы, такие как электроны.

"По законам электродинамики любое заряженное тело, испытывая ускорение, излучает. Чем быстрее движется частица, тем интереснее свойства излучения. Во-первых, на околосветовой скорости оно резко смещается в коротковолновую область — рентгеновский спектр. Во-вторых, появляется узкая направленность, электроны излучают не во все стороны, как в антенне, а в очень остром конусе по направлению движения, почти как лазер", — объясняет Евгений Левичев.

Этот феномен открыли в 1947 году на синхротроне компании "Дженерал Электрик" в США. Сначала сочли ненужным побочным эффектом, заставляющим частицы терять энергию. Но спустя годы поняли, что синхротронное излучение гораздо лучше того, что дает рентгеновская трубка. А ведь с ее помощью к тому времени уже изучили кристаллические решетки минералов, расшифровали структуру ДНК.

© Иллюстрация РИА Новости

На релятивистских скоростях любое заряженное тело, например, частица — электрон, теряет энергию в виде рентгеновского излучения. Оно исходит по касательной к траектории полета в виде узкого конуса. Его называют синхротронным в честь ускорителей, где впервые наблюдали и теперь добывают

Синхротронному излучению человечество обязано многими научными достижениями и несколькими нобелевскими премиями. Ученые смогли расшифровать структуру фермента для синтеза АТФ — энергетической валюты клеток, понять устройство ионного канала клеточной мембраны, рибосомы, процесс синтеза белков, открыть зеленый флуоресцентный белок, серпантинные рецепторы.

Первые синхротроны предназначались для изучения элементарных частиц, время для других задач выделяли по остаточному принципу. Сейчас источники синхротронного излучения (ИССИ) строят как огромные центры коллективного пользования, где ученые разных стран одновременно проводят десятки экспериментов. Причем бесплатно.

"Установился такой порядок. Исследователи подают заявки, их рассматривает экспертная комиссия, и если одобряет, то предоставляют время на пучке и обслуживание. Единственное условие — результаты должны быть опубликованы в виде научной статьи. Только коммерческие компании, часто не готовые раскрывать свои данные, оплачивают работу на установке", — рассказывает ученый.

© Иллюстрация РИА Новости . CC BY-SA 4.0/Hellerick

"СКИФ" расположен в наукограде Кольцово в Новосибирской области, в непосредственной близости от кластера институтов СО РАН и ГНЦ "Вектор"

Самый яркий источник СИ

Важнейшие характеристики ИССИ — эмиттанс и зависящая от него яркость. Евгений Левичев сравнивает источник с фонариком: "Допустим, мы хотим хорошо осветить нечто мелкое. Если фонарик большой, то на объект попадает мало фотонов и мы ничего не разглядим. Значит, источник света нужен соразмерный. При этом угловая расходимость луча тоже должна быть малой, иначе фотонов снова не хватит. Произведение угловой расходимости на размер источника называют эмиттансом, или фазовым объемом".

© Иллюстрация РИА Новости

Важнейший параметр источника синхротронного излучения — эмиттанс. Для современных задач он должен быть предельно низким

Яркость — число излучаемых в секунду гамма-квантов, деленное на эмиттанс, — тем больше, чем сильнее ток пучка и меньше эмиттанс. Исследователям нужны ИССИ высокой яркости.

У синхротронов первого поколения был большой эмиттанс, порядка 300 нанометров на радиан. Отработавшие срок ускорители физике частиц уже не требуются, но способны еще послужить на благо науки. Две такие машины есть у ИЯФ — ВЭПП-3 и ВЭПП-4.

Источники синхротронного излучения второго поколения с эмиттансом 50-100 нанометров на радиан появились в 1980-е. Один из них — "КИСИ-Курчатов" в Москве — построили новосибирские физики. Третье поколение — один нанометр на радиан, четвертое — и того меньше.

© Иллюстрация РИА Новости

"Мы теперь лучше понимаем законы движения частиц в ускорителях, создаем элементы на компьютеризированных станках, разрабатываем алгоритмы управления. Спроектировали машину с эмиттансом 75 пикометров на радиан. Пока это мировой рекорд", — говорит физик.

Новую установку назвали "СКИФ" — Сибирский кольцевой источник фотонов. Это ИССИ поколения 4+ с яркостью на пределе физической возможности, позволяющей наблюдать в реальном времени быстропротекающие процессы и значительно ускорить эксперименты.

"Если съемка дифракционной картины на ИССИ-3 занимает, условно, минуту, то на "СКИФ" — доли секунды. Можно будет снимать рентгеновские фильмы о взаимодействии лекарства и вируса, химических реакциях в катализе", — перечисляет Левичев.

"СКИФ" обходит предшественников и по степени когерентности, когда все электроны в пучке излучают на одной волне. За это отвечают магнитные системы — ондуляторы. Только в ИЯФ умеют делать их сверхпроводящими. Когерентное излучение позволит создать томографический, то есть объемный, снимок. "Это уникально. Ученые еще думают, для каких задач такое использовать", — замечает ученый.

© Иллюстрация РИА Новости

Ондулятор — система магнитов, создающая когерентное синхротронное излучение

Олимпийцы от науки

Физики ИЯФ считаются одними из лучших разработчиков ускорителей заряженных частиц в мире. Основатель института академик Будкер еще в 1960-е ставил перед научным коллективом самые амбициозные задачи. Так, Новосибирск вошел в тройку лабораторий мира, где построили первые коллайдеры. ВЭП-1 из ИЯФ — прапрадед Большого адронного коллайдера в ЦЕРН. А кроме того, при ИЯФ действует экспериментальный завод, на котором трудится тысяча человек.

"Во время перестройки, когда финансирование резко снизилось, институт старался не просто выжить, а работать на перспективу. Мы начали выполнять контракты для лабораторий по всему миру. На вырученные средства создавали в ИЯФ новые установки, самые передовые машины. Наше оборудование сейчас по всему миру — от США до Японии. Мы как спортсмены, которые постоянно тренируются. Когда нам поручили строить "СКИФ", мы были в очень хорошей форме. Мы понимаем процессы, которые происходят в таких ускорителях, у нас прекрасный инструментарий", — объясняет Евгений Левичев.

© ЦКП "СКИФ"

Проект ЦКП "СКИФ" в Кольцово

Решение проектировать "СКИФ" приняли в 2018-м. Заказчик и застройщик — ФИЦ Институт катализа СО РАН. И вот на международном научно-технологическом форуме "Технопром-2021" в Новосибирске дали старт строительству.

Машина состоит из нескольких частей. Линейный ускоритель стреляет пучком электронов в кольцевой ускоритель-бустер относительно небольшого размера. Там частицы ускоряются до околосветовой скорости и поступают в накопитель-синхротрон размером почти полкилометра, от которого по периметру отходят десятки каналов вывода на пользовательские станции. Все сооружения наземные.

В накопителе пучок летит по металлической трубе, покрытой изнутри нераспыляемыми геттерами — материалами, поглощающими остаточные газы и создающими полный вакуум. На трубе установлены вигглеры и ондуляторы — системы магнитов, фокусирующие пучок и придающие ему нужные свойства. В каналах вывода — средства электронно-оптической фокусировки. Нужно сказать, что рентгеновскими фотонами совсем не просто управлять, поскольку они проникают сквозь материалы. Но в России умеют делать уникальные линзы и многослойные зеркала, которые отклоняют рентгеновские лучи и формируют пучок правильного размера на образце.

В планах — построить еще два ИССИ под руководством НИЦ "Курчатовский институт": на Дальнем Востоке и в подмосковном Протвино (на шесть гигаэлектронвольт). У "СКИФ" своя специфика, вытекающая из его параметров. Он будет обслуживать порядка пятидесяти институтов в Новосибирской области, решающих задачи из области биологии, физики, химии, геологии, археологии. Безусловно, столь масштабная установка привлечет ученых со всего мира. Да и жизнь вносит свои коррективы. Во время пандемии COVID-19 вырос интерес к использованию ИССИ для изучения вирусов и других микробиологических объектов. Разработчикам пришлось срочно планировать отдельную станцию для ГНЦ "Вектор", а также создавать цифровой двойник "СКИФ".