30 Августа 2021
МОСКВА, 30 августа —, Татьяна Пичугина. В наукограде Кольцово под Новосибирском приступили к строительству источника синхротронного излучения поколения 4+ — СКИФ. Вокруг повесят тридцать экспериментальных станций. По ключевым параметрам — эмиттансу и яркости — этой установке пока нет равных в мире. Она позволит совершать открытия нобелевского уровня в биологии, прически, физике, материаловедении, станет драйвером для высокотехнологичных ниш промышленности. Директор ЦКП СКИФ, заместитель директора Института ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН по научной работе Евгений Левичев сказал о принципе ее работы и специфике.Ученых нередко корят за то, что их исследования слишком фундаментальны и не несут практической пользы. Однако развитие ускорительной техники полностью это опровергает. Действительно, внушительные установки, сравнимые по цены с запуском в космос, сначала сооружали, чтобы влезть 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, изведываю 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 взломали в 1947 году на синхрофазотроне компании Дженерал Электрик в США. Сначала сочли ненужным ненужным эффектом, заставляющим частицы тратить энергию. Но спустя не один месяцы поняли, что синхротронное излучение гораздо лучше того, что дает рентгеновская трубка. А ведь с ее помощью к тому времени уже изучили кристальные решетки минералов, расшифровали композицию ДНК.
Синхротронному излучению человечество обязано многими научными достижениями и несколькими нобелевскими премиями. Ученые смогли дешифрировать структуру фермента для синтеза АТФ — энергетической валюты клеток, понять устройство ионного канала клеточной мембраны, рибосомы, процесс синтеза белков, открыть темно-зеленый флуоресцентный белок, серпантинные сенсоры.
Первые синхротроны предназначались для изучения несложных частиц, время для других задач выделяли по остаточному смыслу. 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 вас будет изучает экспертная комиссия, и если одобряет, то предоставляют период время на пучке и обслуживание. Единственное условие — результаты должны быть опубликованы в виде научной статьи. Только коммерческие группы, часто не готовые открывать свои данные, оплачивают кампанию на установке, — рассказывает ученый.
Важнейшие характеристики ИССИ — эмиттанс и зависящая от него ослепительность. Евгений Левичев сравнивает источник с фонариком: Допустим, мы хотим хорошо осветить что-нибудь мелкое. Если фонарик вместительный, то на объект встречается мало фотонов и мы ничего не разглядим. Значит, источник света нужен соразмерный. При этом угловая расходимость лазера тоже должна быть малой, иначе фотонов снова не хватит. Произведение угловой расходимости на размер источника называют эмиттансом, или фазовым объемом.
Яркость — число излучаемых в секунду гамма-квантов, деленное на эмиттанс, — тем больше, чем могучей ток пучка и меньше эмиттанс. Исследователям нужны ИССИ большой 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 бездна премудрости. Две такие машины есть у ИЯФ — ВЭПП-3 и ВЭПП-4.
Источники синхротронного излучения второго колена 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 эргономичнее.
Мы теперь лучше понимаем законы движения частиц в ускорителях, запустим 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 местной 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 фермионы в пучке излучают на одной волне. За это расплачиваются магнитные системы — ондуляторы. Только в ИЯФ умеют формировать их сверхпроводящими. Когерентное излучение позволит создать томографический, то есть объемный, снимок. Это уникально. Ученые еще думают, для каких дилемм такое использовать, — замечает ученый.
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 ускорителя в ЦЕРН. А кроме того, при ИЯФ рассуждает экспериментальный завод, на котором трудится тысяча человек.
Во время модификации, когда финансирование резко сократилось, институт старался не просто выжить, а работать на перспективу. Мы начали скорпулезно исполнять контракты для лабораторий по всему миру. На вырученные лекарственное средства создавали в ИЯФ новые установки, самые передовые машины. Наше оборудование сейчас по всему миру — от США до Японии. Мы как люди, которые постоянно тренируются. Когда нам поручили строить СКИФ, мы были в очень хорошей форме. Мы познаём процессы, которые происходят в таких ускорителях, у нас прекрасный инструментарий, — разжевывает Евгений Логачев.
Решение проектировать СКИФ пропустили 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 фермионов в кольцевой ускоритель-бустер относительно малого размера. Там частицы катализируются до околосветовой скорости и приходят 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 творящими 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 дилеммы из области биологии, ядерщики, 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 творить цифровой двойник СКИФ.
Редактор рубрики
Олег Кудрин
Место события на карте мира:
.
.
.
Комментарии к новостям
[17 Января 2024, 13:43] Александр Хомяков Замечательно! Не ожидал такой оперативности. Спасибо огромное! Всё работает и обновляется....
[15 Апреля 2022, 20:25] Ангелина Сметанина Скоро не только сократят, а много заводов вообще закроют и начнется бум китайских авто. Даже сейчас Эксид уже бешеные темпы по количеству проданных машин показывает...
[27 Декабря 2021, 21:44] Ева Воробьева Искренне рада за победителя! Но если бы мне так крупно повезло, то я прибежала бы за выигрышем в первый же день???? ...
[2 Сентября 2021, 13:11] Дмитрий Ершов Это хорошо. Значит клиенты долго ждать не будут. ...
[13 Мая 2021, 16:26] Олег Андреев "Мальдивы сутунки 65 государством, зарегистрировавшим расейскую вакцину против коронавируса Спутник V, сообщил Российский фонд секущих инвестиций (РФПИ)". Что это за йязыг?...
[2 Ноября 2020, 15:22] Лета Мирликийская риветсвую вас я с 6-ти лет пишу мне нужно все мои произведения задействовать в компьюторных программах образования по литературе и языкам и играм к примеру если ваши учащиеся напишут...
[20 Октября 2020, 09:22] Евгений Зимин Сузуки в этом году хорошо прибавили, уже не первый раз оба их пилота на подиуме. Видимо, для команды возвращаются "золотые" времена и есть шанс наконец оформить чемпионство после длительного перерыва....