8 февраля в ходе визита Президента РФ Владимира Владимировича Путина в Новосибирск ученые обсуждали необходимость создания в России новых источников синхротронного излучения (СИ). Кому, кроме физиков, нужны такие установки и чем они отличаются от коллайдеров? Что можно изучать с их помощью? В каких ещё странах есть источники СИ, и зачем они нужны в России?
Об этом «Науке в Сибири» рассказал научный сотрудник Института геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН кандидат геолого-минералогических наук Сергей Владимирович Ращенко.
Сергей Владимирович Ращенко более 8 лет сотрудничает с Сибирским центром синхротронного и терагерцового излучения, где развивает направление исследования вещества в условиях высоких давлений; имеет опыт работы на источниках синхротронного излучения SPRING-8 (Япония) и PETRA-III (Германия). Автор и соавтор более 40 научных статей в рецензируемых журналах, из которых 16 подготовлены по результатам экспериментов с использованием синхротронного излучения.
Что такое синхротрон и чем он отличается, например, от коллайдера?
В строгом смысле термином «синхротрон» обозначается распространённый тип кольцевого ускорителя заряженных частиц, к которому относятся и большинство коллайдеров (включая Большой адронный). Однако сегодня синхротронами чаще всего называют источники синхротронного излучения (источники СИ) — ускорительные комплексы, в которых электроны движутся по изогнутой траектории со скоростью, близкой к скорости света, при этом испуская особое излучение, необходимое для проведения исследований биологам, химикам, геологам, инженерам коммерческих компаний и многим другим. В этом и заключается специфика источников СИ — в отличие от ускорителей-коллайдеров, предназначенных для решения узкоспециализированных задач физики элементарных частиц, они являются большими центрами мультидисциплинарных исследований, без которых сегодня невозможно развитие многих фундаментальных и прикладных направлений.
Коллайдерами называют ускорители встречных пучков заряженных частиц, в которых они разгоняются до экстремальных скоростей и сталкиваются, разрушаясь и порождая новые частицы. Регистрируя «новорождённые» частицы, физики изучают природу материи.
Какая особенность синхротронного излучения делает его необходимым инструментом для научных исследований?
Синхротронное излучение испускается движущимися с высокой скоростью заряженными частицами в точках, где их траектория искривляется с помощью магнитных полей. Источниками этих полей выступают либо так называемые поворотные магниты, имеющиеся в любом кольцевом ускорителе, либо специальные сборки из магнитов с чередующейся полярностью (ондуляторы и вигглеры).
СИ представляет собой совокупность электромагнитных колебаний с различной длиной волны, в том числе инфракрасного излучения, видимого света и ультрафиолета. Однако наиболее важной составляющей является излучение рентгеновского диапазона, по яркости которого СИ в триллионы раз превосходит традиционные источники — рентгеновские трубки. В этом отношении для технологий, использующих рентгеновское излучение, появление источников СИ сыграло роль, аналогичную появлению лазеров в оптических технологиях. Другими важными характеристиками СИ является его узкая направленность, позволяющая эффективно управлять пучками излучения с помощью рентгеновской оптики, и непрерывный спектр, который дает возможность легко перестроиться на длину волны, необходимую для эксперимента.
Для каких исследований нужно такое рентгеновское излучение?
Спектр применения СИ необычайно широк. Так, например, его проникающая способность активно используется в мониторинге процессов, недоступных для наблюдения другими методами. Ярким примером является недавно поставленный на источнике СИ DIAMOND (Великобритания) эксперимент по наблюдению за тем, что происходит внутри закрытого бетонного контейнера с отработавшим ядерным топливом. СИ широко применяется учёными и инженерами коммерческих компаний и для отслеживания деградации катодных материалов аккумуляторов непосредственно в режиме их зарядки/разрядки. Понимание этого процесса нужно, чтобы в перспективе создавать более энергоемкие и долговечные устройства.
Построение трёхмерных изображений методами рентгеновской томографии и микроскопии на базе СИ применяется в археологии и палеонтологии, позволяя визуализировать мельчайшие детали объектов, даже если они скрыты в массе вмещающей породы.
Наиболее важную роль, однако, источники СИ играют в биологии и медицине, где с их помощью расшифровываются сложные структуры белков, не поддающиеся анализу другими методами. Это позволяет выявлять механизмы возникновения патологий и действия лекарственных препаратов на молекулярном уровне и соответствующим образом совершенствовать способы профилактики и лечения заболеваний.
В целом, современные источники СИ представляют собой крупные международные центры мультидисциплинарных исследований. Так, в 2017 г. один только Европейский источник СИ (ESRF) обеспечил проведение 1850 экспериментов по двенадцати научным направлениям от геологии до медицины.
Насколько сложно получить возможность провести исследование на зарубежном источнике СИ? Есть ли современные источники СИ в России?
Для того, чтобы провести эксперимент на зарубежном источнике СИ коллективного пользования, необходимо подать заявку с подробным описанием эксперимента и его научной значимости на конкурс, который проводится дважды в год. Поскольку количество заявок значительно превышает технические возможности источников СИ, из более чем тысячи запросов, поступающих на каждый конкурс, экспертам приходится отбирать только 40—50 %. Так, например, уже в этом году наша научная группа, занимающаяся поведением вещества в условиях высоких давлений, подала семь таких заявок, и для нас будет большой удачей, если хотя бы 2—3 из них будут одобрены. Поскольку в нашей и многих других областях исследований именно использование СИ определяет соответствие исследования мировому уровню, активное взаимодействие с источниками СИ необходимо для поддержания конкурентоспособности российской науки.
В нашей стране на сегодняшний день действуют два источника СИ — в Курчатовском институте в Москве (запущен в 1999 г. взамен работавшего с 1983 г.) и в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН в Новосибирске (работает с модификациями с 1973 г.). Хотя на этих источниках и проводится большое количество экспериментов с использованием СИ, их возможностей не хватает для удовлетворения потребностей российских учёных ни по объёму предоставляемого для экспериментов времени, ни по техническому уровню (многие современные методы исследования требуют более совершенных источников СИ, доступных только за рубежом). Именно поэтому в последнее время обсуждается необходимость создания в России современных источников СИ и связанной с ними научной инфраструктуры.
Чем определяется совершенство источников СИ?
Чаще всего при сравнении источников СИ используется физический параметр, называемый эмиттанс. Чем он меньше, тем более ярким и узконаправленным получается пучок СИ. Более яркий пучок позволяет уменьшить время, необходимое для сбора данных с образца, давая возможность изучать быстропротекающие процессы. Более узконаправленный пучок позволяет «точечно» сканировать образец, собирая информацию о структуре и составе вещества с пространственным разрешением до долей микрометра.
Сейчас эмиттанс наиболее современных источников СИ за рубежом составляет 1—3 нанометра×радиан (для сравнения: эмиттансы источников СИ в Курчатовском институте и ИЯФ СО РАН составляют 98 и 292 нм×рад соответственно). Однако недавно были разработаны подходы, позволяющие усовершенствовать характеристики ускорителей, и ещё на порядок понизить эмиттанс до значений около 0,1 нм×рад. В связи с этим ведущие зарубежные источники СИ запланировали на ближайшие годы проведение масштабных реконструкций. В сложившейся ситуации создание в России источников СИ уже на основе новой технологии позволит «одним прыжком» догнать зарубежных лидеров, от которых мы сильно отстали за последние 30 лет.
Насколько масштабны должны быть новые источники СИ?
В отличие от новых коллайдеров, зачастую требующих рекордных размеров и энергий, для источника СИ оптимальны относительно небольшие периметры (300—1500 м) и энергии (3—6 ГэВ). Гораздо более важным параметром для него является конфигурация магнитов, которые управляют циркулирующими в ускорителе электронами, поскольку именно от неё зависит эмиттанс источника СИ. В области создания таких магнитов опыт российских физиков признан во всём мире.
«Наука в Сибири»
Фото из открытых источников
