В России продолжается создание уникальной установки класса мегасайенс — Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ). Томский политехнический университет совместно с партнерами занимается созданием одной из станций СКИФ, специализация которой — рентгеновская микроскопия и микротомография

Уже завершен этап эскизного проектирования, включая создание 3D-модели установки со всем научным оборудованием, ограничительными конструкциями и инженерными сетями. Следующий этап — разработка конструкторской документации и конструирование каждого из элементов станции, а также разработка управляющего программного обеспечения.

«Микрофокус» — первая во внутренней нумерации проекта и третья по очередности запуска в производство станция СКИФ. Ее специализация — рентгеновская микроскопия и микротомография. Общий вес будущей установки — более 120 тонн, ее стоимость оценивается более чем в миллиард рублей.

На станции «Микрофокус» мощный рентгеновский пучок синхротронного источника будет собран в крошечное фокусное пятно размером до 200 нанометров (вдвое толще человеческого волоса), в будущем его можно будет уменьшить еще в четыре раза. В мировой практике таких установок единицы.

«Благодаря станции появится возможность создавать высокопрочные материалы авиационного назначения с помощью лазерных и аддитивных технологий, новые защитные покрытия методами плазменного и холодного газодинамического напыления, исследовать новые полигидридные материалы, управлять структурообразованием кристаллических фаз, в том числе с использованием переменных температур и давлений, проводить фотокристаллографические исследования и исследования дефектных и напряженных кристаллов», — рассказал «Стимулу» директор Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Томского политехнического университета (ТПУ) Алексей Гоголев.

«Микрофокус» также поможет изучать трудноизвлекаемые формы полезных ископаемых, проводить анализ вариаций состава геоматериалов для задач экологии и климатологии, изучать геоматериалы под воздействием экстремальных условий, проводить исследования для задач биомедицины и археологии и многое другое.

Директор Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Алексей Гоголев

ОТ НЕДР ЗЕМЛИ ДО КОСМОСА

Созданием станции помимо группы научно-образовательного центра перспективных исследований Томского политеха занимаются исследователи Новосибирского государственного технического университета (НГТУ НЭТИ), Института физики микроструктур РАН (Нижний Новгород) и Института геологии и минералогии им. В. С. Соболева Сибирского отделения РАН (Новосибирск). ТПУ выступает в роли интегратора. Все конструкторские работы распределены. Так, зеркальный монохроматор будет изготавливаться в Нижнем Новгороде, часть системы окружения образца и кристальный монохроматор — в Новосибирске.

«На “Микрофокусе” в полной мере будет задействован тот параметр Сибирского кольцевого источника фотонов, который позволяет причислять его к поколению 4+ — рекордно малый эмиттанс 75 пикометров-радиан, — рассказал “Стимулу” заместитель директора Центра коллективного пользования (ЦКП) СКИФ по научной работе, доктор физико-математических наук Ян Зубавичус. — Он позволит фокусировать максимальный поток рентгеновских фотонов даже на очень маленький исследуемый образец и определить его характеристики с предельной точностью».

По словам ученого, такие исследования востребованы в науках о Земле: на станции специалисты будут изучать процессы глубинного минералообразования и рудообразования, механические и термодинамические свойства материалов, составляющих мантию Земли, в их связи с сейсмичностью и вулканизмом. Станция позволит проводить исследования глубинных процессов, приводящих к формированию и изменению магнитного поля Земли и других планет, а также моделировать состояния вещества в недрах планет-гигантов и экзопланет. Кроме того, здесь могут быть решены задачи материаловедения в части поиска новых сверхтвердых, высокоэнергетических и других функциональных материалов, модификации функциональных материалов в условиях высоких давлений и температур.

Еще одно преимущество синхротронных исследований на станции «Микрофокус» — неразрушающее воздействие на образцы. Следовательно, возможно изучение самых уникальных объектов (микрочастиц метеоритов, образцов лунного грунта, экзотических земных минералов).

 

Заместитель директора ЦКП «СКИФ» по научной работе, доктор физико-математических наук Ян Зубавичус

САМЫЙ ТОНКИЙ ЛУЧ

ЦКП СКИФ представляет собой комплекс из 34 зданий и сооружений, а также инженерного и технологического оборудования, обеспечивающий выполнение научных исследований на пучках синхротронного излучения (СИ). Наиболее технологически сложные и функционально значимые из них — здание инжектора, здание основного накопителя (в нем размещены и экспериментальные станции), а также отдельные здания экспериментальных станций, вынесенные за пределы основного накопителя из соображений удобства проведения специализированных исследований, а также безопасности. Кроме того, в состав комплекса входят здания инженерной инфраструктуры, административный и лабораторный корпуса, вспомогательные сооружения. Если говорить о параметрах, то длина орбиты пучка электронов — 476 метров.

Синхротрон — это один из типов циклических ускорителей с кольцевой вакуумной камерой, где частицы ускоряются почти до скорости света (300 000 км/с), а мощные электромагниты, которые стоят на их пути, задают траекторию движения. В итоге появляется синхротронное излучение — крайне мощный рентген, дающий возможность изучать структуру любого вещества до атомного уровня.

«Источник синхротронного излучения можно сравнить с фонариком, — поясняет Ян Зубавичус. — Чтобы рассмотреть удаленный маленький предмет, большой фонарик с широким углом освещения подходит плохо, ведь до предмета доберется слишком мало света. Луч фонарика должен быть узконаправленным. Произведение линейного размера источника на угловую расходимость светового луча называется эмиттансом. Чем меньше эмиттанс, тем меньшую область освещает пучок, но количество фотонов остается тем же, что и в пучке с большим эмиттансом. Таким образом, большее количество фотонов попадает на меньшую площадь образца, соответственно качество освещения будет значительно лучше».

Еще раз укажем, что именно рекордно низкий эмиттанс — 75 пм⋅рад — позволяет классифицировать ЦКП СКИФ как источник синхротронного излучения поколения 4+. Разделение источников СИ на поколения осуществляется по эмиттансу пучка. В каждом поколении эмиттанс на порядок-два меньше. Первое — сотни нанометров-радиан, второе — десятки, третье — единицы, четвертое — десятые доли нанометров-радиан (сотни пикометров-радиан).

Первое поколение источников СИ — это ускорители, использовавшиеся для задач физики высоких энергий. Синхротронное излучение было их побочным продуктом, генерируемым в «паразитном» режиме. После того как была осознана полезность СИ для разного рода исследований, появилось второе поколение — специализированные источники СИ. Далее возникли еще более продвинутые машины — третье поколение. В мире работают около 30 таких установок. За прошедшие несколько десятилетий именно они принесли максимальные результаты. В частности, ряд Нобелевских премий получен за эксперименты с использованием синхротронного излучения. Источников СИ четвертого поколения в мире пока три: MAX IV в Швеции, Европейский источник синхротронного излучения (ESRF-EBS ) во Франции и «Сириус» в Бразилии. На момент запуска СКИФ будет иметь минимальный эмиттанс среди всех существующих источников синхротронного излучения в мире.

Рекордное значение эмиттанса СКИФ формируется благодаря магнитной структуре основного кольца ускорительного комплекса, которая разрабатывается и производится в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН

КАЖДАЯ СТАНЦИЯ УНИКАЛЬНА

Всего планируется создать 30 экспериментальных станций, однако потенциально их число может быть расширено до 46. В рамках первой очереди намечено шесть станций, для четырех из них уже определены организации-интеграторы: «Быстропротекающие процессы» — Институт гидродинамики им. М. А. Лаврентьева, «Диагностика в высокоэнергетическом рентгеновском диапазоне» — Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, «Микрофокус» — Томский политехнический университет, «Структурная диагностика» — Институт сильноточной электроники СО РАН.

«Станция — это исследовательский комплекс, — рассказывает Ян Зубавичус. — В этом и состоит преимущество источников синхротронного излучения, вокруг одного накопительного кольца может быть создано много таких комплексов, работающих независимо друг от друга. У них есть общие черты, но в то же время всегда есть специфика. Станции используют разный спектральный диапазон излучения, у каждого вида — разные характеристики. Причем речь идет не только о рентгене. Например, в составе станций второй очереди мы обсуждаем станцию, которая будет работать с инфракрасным излучением. В зависимости от вида излучения, от специфики исследовательских методов, реализованных на станции, набор оборудования может существенно отличаться. К примеру, на станции “Микрофокус” важно уметь перемещать образец в пучке с очень маленьким шагом и контролировать эти перемещения. Это один из вызовов для конструкторов станции — исследователей ТПУ». 

В линейном ускорителе СКИФ происходит формирование сгустков электронов и их ускорение до энергии 200 МэВ

ВОЙТИ В ДЕСЯТКУ

В России существует два неспециализированных источника СИ в Институте ядерной физики СО РАН (ВЭПП-3, ВЭПП-4), такие источники относятся к первому поколению, а также специализированный источник СИ «КИСИ-Курчатов» в НИЦ «Курчатовский институт» — это второе поколение. Источников третьего и четвертого поколений в России нет.

Согласно нацпроекту «Наука и университеты», в рамках которого создается ЦКП СКИФ, Российская Федерация должна стать одной из десяти ведущих стран мира по объему научных исследований и разработок. Справиться с этой задачей поможет передовая инфраструктура для научных исследований — уникальные научные установки класса мегасайенс. Сибирский кольцевой источник фотонов — одна из таких установок.

СКИФ станет исследовательским центром, куда будут приезжать российские и зарубежные научные группы для проведения мультидисциплинарных исследований. Уникальные характеристики нового синхротронного источника позволят проводить передовые исследования с яркими и интенсивными пучками во множестве областей — химии, физике, материаловедении, биологии, геологии, гуманитарных науках.

«Взаимодействие с высокотехнологичными предприятиями — отдельный вопрос, сверхзадача, — говорит Ян Зубавичус. — Нам предстоит выстроить свою систему трансфера научных знаний в новые технологии. Отрасли, в которых востребованы результаты синхротронных исследований, — это “зеленые” технологии в химической/нефтехимической индустрии и энергетике; авиа-, судостроение, космическая промышленность; здравоохранение: расшифровка структуры биологически важных макромолекул, таргетная доставка лекарств, исследование отдельных частиц вирусов; ядерная энергетика; создание сверхпроводников нового типа; робототехника и многие другие».