В Санкт-Петербурге прошел XIII Международный конгресс по теоретической и прикладной механике — преемник всесоюзных, а затем всероссийских съездов механиков, которые с 1960 года проводились в нашей стране. В 2023-м важной частью этого масштабного научного мероприятия стал симпозиум «Сибирский кольцевой источник фотонов (СКИФ) — механика и новые технологии». Главной целью сибирских ученых, выступивших на симпозиуме, было донести мысль о том, что синхротронное излучение — это универсальный инструмент, который дает исследователям самых разных научных направлений множество новых возможностей и новых идей.

Василий Фомин

«То, что государство выделило деньги на строительство СКИФ — крайне положительный знак, свидетельствующий о том, что оно наконец-то повернулось лицом к науке, — считает член программного комитета конгресса, сопредседатель симпозиума “СКИФ” заместитель председателя СО РАН, научный руководитель Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН академик Василий Михайлович Фомин. — Финансирование есть, и ускоритель обязательно будет построен, а наша дальнейшая задача — обеспечить бесперебойную работу всех его станций».

«Сейчас создается сам ускоритель и первые шесть научных станций, стоимость каждой — миллиард рублей, а всего проекта — 47 миллиардов, — дополняет старший научный сотрудник ЦКП СКИФ кандидат физико-математических наук Константин Эдуардович Купер. — Есть потенциал построить 30 станций сверх запланированного, для этого необходимо еще 30 миллиардов рублей. Но задача не в том, чтобы потратить эти деньги, а найти исследователей, коллективы, институты и научные проблемы, которые будут решаться при помощи СКИФ».

По словам ученых, СКИФ — это инструмент, нужный всем: и механикам, и биологам, и химикам, и геологам, и археологам. Уже сейчас необходимо готовить программы исследований и методики работы с синхротронным излучением для самых разных научных направлений.

«Нашей задачей было привлечь на мероприятие представителей Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, которые в доступной форме рассказали бы механикам, неспециалистам в этой области, что собой представляет синхротронное излучение, что с его помощью можно сделать и как оно уже сейчас используется в их работе, — поясняет В. М. Фомин. — Эта цель, по моему мнению, была достигнута».

«Для меня самым главным было узнать, какие потребности есть у коллег, на основе этого мы начинаем корректировать оборудование под нужды специалистов конкретных областей под конкретные задачи», — отмечает Константин Купер.

СИ: история вопроса

«Эксперименты с синхротронным излучением начались в 1970-х годах, — рассказывает старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, заместитель директора ЦКП СКИФ кандидат физико-математических наук Павел Алексеевич Пиминов. — Институт ядерной физики в то время был одним из первых, где ученые начали работать в этом направлении. Тогда в мире существовало всего четыре установки СИ: в новосибирском Академгородке, в Германии, Великобритании и США. Синхротронное излучение было названо так, потому что впервые оно наблюдалось на синхротроне. Вообще же ускорители, на которых проводятся эксперименты с СИ, называются источниками синхротронного излучения».

Сейчас в мире существует более 50 специализированных источников СИ, они представляют собой крупные центры коллективного пользования, где располагаются десятки станций, работающих в круглосуточном режиме. «Источники СИ принято делить на поколения: к первому относятся неспециализированные источники СИ, например ВЭПП-3 и ВЭПП-4, которые до сих пор эксплуатируются в ИЯФе. Второе поколение — это уже такие специализированные источники, как “Сибирь-2”, а установки третьего поколения стали строить в 1990-е, когда ученые осознали, что для экспериментов нужно получать высокую яркость: второе поколение такой яркостью не обладало, — объясняет Павел Пиминов. — Для этого нужно было уменьшать фазовый объем пучка и использовать специализированные генераторы излучения, в основном ондуляторы: они дают когерентное излучение, которое подходит для разных методик исследования. Из более чем 50 источников СИ, работающих в настоящее время, большинство относится именно к третьему поколению».

В следующем поколении удалось уменьшить фазовый объем пучка еще на один-два порядка, что позволило в очередной раз повысить яркость. Такие источники уже есть: Sirius в Бразилии, MAX-IV в Швеции и ESRF-ESB во Франции. Последний модернизировали с третьего поколения при значительном материальном участии Российской Федерации. Сейчас, по понятным причинам, российские ученые к нему не имеют доступа.

Очередной виток эволюции источников СИ — это ЦКП СКИФ, его энергия составит 3 ГэВ, что является наиболее востребованной в институтах, и он будет обладать самым малым эмиттансом пучка и, соответственно, самым ярким излучением. «Для проведения экспериментов на этом оборудовании создается новая организация. Фактически формируется новый институт, пока как филиал ФИЦ “Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН”, центр коллективного пользования, — отмечает Павел Пиминов. — В России, наверное, впервые с 1990-х годов создается подобная масштабная научная организация, с таким капиталовложением и таким числом людей».

На 30 гектарах территории ЦКП строится 34 здания и сооружения, 450 человек будут обеспечивать круглосуточный режим его работы, параллельно на СКИФе смогут работать 300 приезжих пользователей.

«В первой очереди, которая должна быть сдана в 2024 году, — шесть станций, лабораторный комплекс, оборудованный большим количеством научно-исследовательской аппаратуры, а также вычислительный центр (скромных параметров, но с возможностью их дальнейшего расширения) для онлайн-обработки результатов экспериментов, проведенных на станциях, — перечисляет Павел Пиминов. — В резерве много помещений, просторный экспериментальный зал».

Две станции планируются выносными: в одной из них среди прочего расположится виварий, а станция «Быстропротекающие процессы» будет оборудована дорогостоящей мощной взрывной камерой для проведения экспериментов по изучению быстропротекающих процессов. Ее специально спроектировали в Институте гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН для нужд механиков.

Во второй очереди сейчас обсуждается создание еще одной выносной станции для Государственного научного центра вирусологии и биотехнологии «Вектор» с максимальным уровнем биологической защиты. «Место строительства СКИФ, наукоград Кольцово, выбрано неслучайно, — отмечает П. Пименов. — Рядом располагается “Вектор”, научно-исследовательские институты новосибирского Академгородка — основные потребители синхротронного излучения, а также два университета: Новосибирский государственный и технологический, которые будут поставлять кадры, как инженерные, так и научно-исследовательские».

Зачем механикам СИ?

В первую очередь СКИФ поможет посмотреть, как ведут себя материалы под нагрузкой, что с ними происходит. Другая большая задача — выяснить, как разрушаются материалы, как в них зарождаются трещины. И это тоже можно наблюдать с помощью инструментов, которые предоставляет источник фотонов. «Двадцать лет назад группа академика Владимира Михайловича Титова из Института гидродинамики обратилась в ИЯФ, и с помощью синхротронного излучения им удалось впервые в мире установить, как зарождаются ультрадисперсные алмазы, — говорит В. М. Фомин. — Никаким другим способом увидеть этот процесс было невозможно, то есть заделы для работы в этой области определенно есть. СИ поможет пронаблюдать и многие другие динамические процессы, например детонационные».

«Еще одна задача — развитие сварки различных материалов, и здесь СИ также позволяет посмотреть, как происходит этот процесс, отслеживать, что происходит в сам момент сварки с материалами и стараться получить прочные сварные соединения, — дополняет Константин Купер. — Также это относится к различным металлургическим процессам, выплавке различных сплавов: СИ позволит непосредственно следить за кристаллизацией, созданием новых сплавов и материалов».

«Результаты будущих экспериментов будут накапливаться, — отмечает В. М. Фомин. — В идеале их надо аккумулировать в банке данных, в котором с помощью искусственного интеллекта специалисты смогут выбирать, например, нужные свойства для нового материала. На основе уже сделанных опытов можно будет быстро проанализировать, что и с чем нужно сварить, чтобы получить материал с заданным процентом прочности к разрыву. Для создания подобной “картотеки” необходимы и математики, и IT-специалисты, ну и, разумеется, сами экспериментальные данные».

«В своем докладе на симпозиуме я постарался показать, как нам, механикам, уже сейчас помогает синхротронное излучение. Наш институт занимается в том числе лазерными технологиями, мы создаем с помощью лазерной наплавки новые гетерогенные металлокерамические материалы, также, как известно, занимаемся вопросами сварки авиационных материалов, — рассказывает заведующий лабораторией лазерных технологий ИТПМ СО РАН доктор технических наук Александр Геннадьевич Маликов. — Когда лет пятнадцать назад эта работа начиналась под руководством доктора физико-математических наук Анатолия Митрофановича Оришича и Василия Михайловича Фомина, мы сваривали различные материалы либо напыляли один на другой. В результате зачастую материал выходил непрочным, но мы не могли объяснить, почему так произошло. Не понимали, почему не наплавляется много керамики, почему получается плохая прочность сварных соединений. С помощью электронной микроскопии мы начали изучать структуру материалов, но этот метод не дает понимания фазового состава частиц, интерметаллидов (соединений двух и более металлов. — Прим. ред.), от которых, как оказалось, зависят свойства новых материалов. Когда только начал зарождаться проект СКИФ, В. М. Фомин на заседании ученого совета задал вопрос, почему механики не участвуют в этом проекте, и обратился конкретно ко мне: “Маликов, тебе нужно синхротронное излучение?”, а я, признаться, в то время даже не знал, что это такое. Так получилось, что благодаря этому импульсу мы вышли на специалистов ИЯФ, в том числе на Константина Анатольевича Купера, которые рассказали нам, что такое СИ и как оно может нам быть полезно».

«Мы долго искали точки соприкосновения, но в итоге нашли их. Для этого иногда приходилось сидеть в бункере СИ в два часа ночи с Купером и Анчаровым, они меня не воспринимали — механик пришел к нам, физикам! Потом был эксперимент, в котором я им кое-что подсказал, после чего они посмотрели на меня с другой стороны — вроде бы наш человек, — смеется Александр Маликов. — Так началось наше сотрудничество».

В итоге на действующем оборудовании СИ в ИЯФ удалось получить фазовый состав этих материалов, а зная его, им можно управлять. Это позволило специалистам ИТПМ СО РАН создать прочные сварные соединения, функциональные гетерогенные материалы с концентрацией керамики до 50—60 %, которые обладают высокими физико-механическими свойствами.

«В рамках проекта-стомиллионника под руководством В. М. Фомина отрабатывалась методика работы с синхротронным излучением для различных материалов, в частности рассматривалось нагружение материалов, — уточняет Александр Маликов. — Мы приобрели разрывную машину, которую установили на синхротроне, чтобы провести эксперимент: тянуть образец и понимать, откуда зарождается трещина. Эта методика сейчас отрабатывается. Проводились и опыты по воздействию лазерного излучения на материал, чтобы понимать, что происходит в динамике, так называемые эксперименты in situ. Можно сказать, для механиков это эксперименты мечты — в режиме реального времени следить за тем, как ведет себя материал под воздействием различных нагрузок».

«Все флаги в гости будут к нам»

Когда в числе первых появился синхротрон в новосибирском Академгородке, сюда приезжали исследователи не только со всей страны, но и со всего мира. «У нас работали ученые как из социалистического блока, так и из капиталистических государств, — подчеркивает Константин Купер. — Мы надеемся, что постройка источника СИ четвертого поколения вернет Новосибирскому научному центру мировую известность, и к нам вновь станут приезжать изо всех уголков планеты. СКИФ — это место притяжения умных людей с умными идеями. Найти человека, который сможет на нашем оборудовании решить свою интересную задачу, — главная цель подобных центров».

«Строительство, запуск и получение нужных параметров позволит в дальнейшем строить в России установки подобного класса или третьего поколения на основе технологий, которые сейчас отрабатываются, — комментирует Павел Пиминов. — И это касается не только компетенций Института ядерной физики, но и Конструкторско-технологического института научного приборостроения СО РАН, и Института гидродинамики, Томских политехнического и государственного университетов. Сейчас все эти организации обладают необходимыми технологиями для создания установок — источников синхротронного излучения».

«Задача Сибирского отделения РАН в настоящее время — объединить исследовательские коллективы различных научных направлений для работы на Сибирском кольцевом источнике фотонов», — резюмирует академик В. М. Фомин.

В работе симпозиума «Сибирский кольцевой источник фотонов (СКИФ) — механика и новые технологии» приняли участие ученые Уральского и Сибирского отделений РАН, а также секретарь симпозиума помощник председателя СО РАН Андрей Владимирович Князев.