На протяжении ряда лет строительство «Сибирского кольцевого источника фотонов» (СКИФ) было одним из главных генераторов новостей из Академгородка, временами уступая лишь новому университетскому кампусу. Наш сайт тоже регулярно размещал новости, касающиеся производства и монтажа уникального оборудования для СКИФ.
И вот стройка вышла на по-настоящему финишную прямую, отметил директор Института катализа СО РАН (в чью структуру входит СКИФ), академик РАН Валерий Бухтияров: «Мы давно говорим о том, что мы вышли на финишную прямую. Я с этим боролся, говорил, что если брать в качестве аналогии лыжные соревнования, биатлон, то прежде чем попасть на финишную прямую, спортсмены выбегают на стадион. Там сидит куча народу, все радуются, болеют. Спортсмены ускоряются и лишь затем оказываются на финишной прямой. И наконец, можно сказать, что сейчас мы действительно находимся здесь. Строительство движется к финишу».
А значит, подходящее время, чтобы еще раз сложить всю ту разрозненную информацию, которую годами СМИ транслировали в качестве очередных новостей о строительстве СКИФ в некую единую картину. Попробовать представить, что именно построили на окраине Кольцово и каких научных прорывов мы ждем от этой установки класса «мега-сайнз».
Для начала вспомним, что это вообще такое? Источники синхротронного излучения (СИ) – это мощные ускорители, создающие сверхъяркие пучки рентгеновского и инфракрасного излучения. Они выступают в роли гигантских «супермикроскопов», позволяя ученым заглянуть внутрь материи на атомном и молекулярном уровнях, исследовать динамику быстротекущих процессов и расшифровать структуру сложнейших биологических объектов.
Чтобы лучше понимать значение СИ для современных исследований, вот вам несколько фактов. За последние 30 лет не менее 7 Нобелевских премий было вручено за исследования в области структурной биологии (расшифровку структуры биологических макромолекул) с использованием синхротронного излучения. Самые древние в мире эмбрионы травоядного динозавра и трехмерная структура коронавируса были реконструированы с помощью синхротрона. СИ позволило восстановить «рецепт» краски, которой Леонардо да Винчи писал «Мону Лизу» и невидимые письмена на древнем египетском папирусе с острова Элефантина на Ниле. А всего в мире реализуются тысячи проектов с помощью этого инструмента и его самая современная версия теперь будет доступна российским ученым.
Сибирский кольцевой источник фотонов (СКИФ) – это самый современный источник синхротронного излучения (СИ), 4+ поколения, самый яркий и обладающий минимальным эмиттансом (размером пучка) электронов, разогнанных до скорости света, что позволяет «рассмотреть» внутреннюю структуру живых и неживых объектов на атомном уровне.
При этом, хоть СКИФ и предназначен для исследований микромира, сам он довольно серьезных размеров. Во внешний диаметр здания самого накопителя (240 метров) вполне можно «вписать» основание пирамиды Хеопса. А общая площадь всего комплекса зданий и сооружений СКИФ равна 42 футбольным полям. Сам пучок электронов, который понесется внутри кольца уже этой осенью в сто раз тоньше человеческого волоса. Но он будет чрезвычайно ярким и из него будет генерироваться излучение всех спектральных диапазонов, от инфракрасного до рентгеновского.
Как это все работает
Нагретая до высокой температуры металлическая поверхность (ее еще называют электронной пушкой) испускает электроны благодаря эффекту термоэлектронной эмиссии. Они попадают в линейный ускоритель, где разгоняются до энергии 200 миллионов электронвольт (МэВ).
Затем электронные пучки поступают в кольцевой ускоритель периметром 158 м (бустер), где ускоряются еще в 15 раз, причем всего за треть секунды. И уже оттуда направляются в основное накопительное кольцо периметром 476 метров, где движутся по постоянной кольцевой орбите и, проходя через магнитное поле поворотных магнитов или специальных устройств генерации (вигглеров и ондуляторов), генерируют синхротронное излучение (СИ).
Пучки СИ по специальным системам вывода фотонных пучков — фронтендам выводятся на экспериментальные станции, где используются исследователями для решения многочисленных научных задач.
Экспериментальные станции СКИФ — это исследовательские комплексы, которые установлены на каналах вывода синхротронного излучения по периметру накопительного кольца. Они работают независимо друг от друга и решают комплекс научных задач определенного класса. Станции оснащены технологичным научным оборудованием, состав которого зависит от специфики методов, реализованных на станции и решаемых исследовательских задач.
Поскольку СКИФ является Центром коллективного пользования, состав ученых, работающих на нем будет постоянно меняться. Группы исследователей подают заявку на выполнение своих исследований, далее экспертная комиссия определяет, кто получит возможность поработать на станции.
«В настоящее время мы уже получили в четыре раза больше заявок, чем есть доступного времени на станциях, которые еще только предстоит запустить. Это только от российских исследователей. Поэтому отбор заявок будет проходить на конкурсной основе, на первых этапах приоритет получат те, в чьих исследования уже сейчас заинтересована российская промышленность», - подчеркнул Валерий Бухтияров.
Приоритет исследовательских проектов будет также определяться порядком запуска в работу научных станций, поскольку каждая ориентирована на свое направление науки. Всего их предполагается 30, но запускать их будут поэтапно, в первую вошли семь станций. Вкратце представим их.
Станция 1-1 «Микрофокус». На ней с помощью синхротронного излучения будут решать задачи геологии, геофизики, микроэлектроники и материаловедения. Такие, как исследование глубинных процессов, происходящих в недрах Земли, состояния вещества в условиях сверхвысоких давлений и температур, как в недрах планет-гигантов, что позволит получать новые высокотемпературные сверхпроводники, неразрушающие микроскопические исследования археологических находок и др.
Специальная система фокусировки пучка синхротронного излучения позволит исследовать на станции сверхмалые объекты размером до 200 нанометров (в пять тысяч раз меньше миллиметра). Интегратором создания оборудования станции выступает Томский политехнический университет.
Станция 1-2 «Структурная диагностика». Здесь ученые с помощью синхротронного излучения будут исследовать структуры органических и неорганических веществ на атомно-молекулярном уровне для решения задач биомедицины и фармацевтики, материаловедения, химии твердого тела, энергетики, металлургии, атомной промышленности.
Например, определять структуру биологических макромолекул – белков и белковых комплексов для создания современных лекарственных препаратов узконаправленного действия. Интегратор создания оборудования этой станции – Институт сильноточной электроники СО РАН.
Станция 1-3 «Быстропротекающие процессы». Ее задача – с помощью синхротронного излучения изучать свойства материалов в условиях мощного взрыва, импульсных ударных нагрузок и высоких температур для решения задач авиационной, космической, автомобильной промышленности, атомной и термоядерной энергетики.
Оборудование станции (интегратор его создания Институт гидродинамики имени М.А. Лаврентьева СО РАН) позволяет в режиме реального времени изучать процессы, характерное время протекания которых достигает миллионной доли секунды (скорость порядка 1 км/с). Взрывные эксперименты будут проводиться в условиях стальной камеры, рассчитанной на взрыв мощностью до 2 кг в тротиловом эквиваленте.
Эта станция будет запущена первой и начнет работу с проекта Всероссийского НИИ экспериментальной физики в Сарове, посвященного исследованию ударно-волнового воздействия на материалы.
Станция 1-4 «XAFS-спектроскопия и магнитный дихроизм» позволит исследовать структуру органических и неорганических материалов на атомном уровне, а также проводить исследования функциональных материалов в «работающем» состоянии.
Среди списка задач, на которые она рассчитана – изучение химического состояния, строения и концентрации загрязняющих примесей в пробах почв, сточных вод, заводских и автотранспортных выбросах для решения задач экологии: безопасного для окружающей среды извлечения полезных ископаемых, переработки отходов промышленных производств, утилизации мусорных полигонов и т.д. Интегратором создания оборудования этой станции также выступает Институт сильноточной электроники СО РАН.
Станция 1-5 «Диагностика в высокоэнергетическом рентгеновском диапазоне». Здесь с помощью высокоэнергетического рентгеновского излучения с высокой проникающей способностью будут получать высококонтрастные изображения как конструкционных материалов, так и живых лабораторных животных (мышей, крыс, минипигов), для которых в составе станции предусмотрен виварий.
Эта работа будет направлена на изучение процессов развития заболеваний и восстановления в ходе терапии у модельных животных в режиме реального времени, поиск
биосовместимых материалов для трансплантологии и методов ранней диагностики онкозаболеваний, а также – на решение ряда задач в интересах авиастроения и машиностроения.
Интегратор создания оборудования этой станции – Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН.
Станция 1-6 «Электронная структура» позволит исследовать катализаторы, элементы микроэлектроники и полупроводниковые изделия. Например, поверхности монокристаллов, металлов, полупроводников и их гетероструктур в сверхвысоком вакууме, что необходимо для развития компонентной базы и новых принципов дизайна устройств молекулярной электроники, наноэлектроники и спинтроники.
Или – закономерности, приводящие к активации или дезактивации каталитических систем, для создания новых катализаторов с оптимальными характеристиками для различных задач промышленности. Интегратором создания оборудования станции выступает Томский политехнический университет.
Станция 1-7 «Базовые методы синхротронной диагностики для образовательной, исследовательской и инновационной деятельности студентов». Это последняя из станций первой очереди и представляет собой учебно-научную лабораторию, направленную в первую очередь на подготовку кадров.
Начинающие пользователи, научные сотрудники, студенты и аспиранты смогут освоить базовые синхротронные методики, научиться работать с оптикой и экспериментальным оборудованием. Студенты и аспиранты НГУ и других вузов смогут выполнять курсовые и выпускные квалификационные работы, проводя актуальные научные исследования, реализовывать исследовательские и конструкторские проекты. С использованием оборудования станции будет возможна и «реконструкция» важнейших экспериментов из истории науки для популяризации синхротронных исследований.
Большая часть станций первой очереди должна заработать уже до конца этого года.
Сергей Исаев
Фото автора
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии