СКИФ покажет мир насквозь

В чистом поле на участке в 34 га на северной стороне наукограда Кольцово (Новосибирск) в августе 2021 года в рамках национального проекта начнётся подготовка к строительству одного из лучших в мире центров синхротронного излучения (СИ) — яркого и интенсивного электромагнитного излучения, которое производит пучок релятивистских электронов в мощных ускорителях частиц. Как обычный рентгеновский аппарат в поликлинике просвечивает пациента, синхротронное излучение, сфокусированное в пятно размером меньше одного микрометра, «просвечивает» клетки, вирусы, молекулы и другие мельчайшие структуры веществ, в том числе в динамике, позволяя снимать «рентгеновское кино».

Название Центра коллективного пользования «СКИФ» (ЦКП «СКИФ») расшифровывается как «Сибирский кольцевой источник фотонов». По кольцевой вакуумной камере длиной около 500 метров будет летать пучок электронов, разогнанных почти до скорости света, которым управляют мощные магниты. Магнитное поле заставляет частицы держаться узким фокусированным пучком и, двигаясь по заданной траектории, излучать фотоны в направлении к экспериментальным станциям, которые расположены в десятках и даже сотнях метрах от кольца. Изначально это излучение считалось побочным эффектом работы циклических ускорителей (синхротронов, коллайдеров и т. д.), и только потом оно стало использоваться как самостоятельный исследовательский инструмент.

Используя СИ, учёные могут установить состав химического соединения, например лекарства, или записать каждое мгновение трансформаций молекулярных и атомных структур — химических и физических реакций, даже взрывов. Знание состава и структуры вещества и механизмов их изменения — это прямой путь к управлению различными процессами и соединениями. Лекарство можно сделать надёжнее, материал — прочнее и дешевле, к вирусу подобрать механизмы нейтрализации, а процессы получения энергии сделать менее вредными для экологии и более доступными по цене.

Ускорительный комплекс ЦКП «СКИФ» будет включать в себя инжекционную часть и накопитель — источник излучения с окружностью 500 метров. Источник электронов формирует пучок, который поступает в линейный ускоритель, где частицы ускоряются до энергии 200 МэВ. После этого пучок попадает в бустер-синхротрон и дополнительно ускоряется до рабочей энергии 3 ГэВ, это значит, что его скорость практически равна скорости света. Затем электроны перепускаются в основной накопитель, в котором и происходит генерация излучения.

Специальные магниты формируют орбиту пучка в ускорителе и фокусируют его. От их качества зависит эффективность работы всего комплекса СКИФ, в том числе достижение рекордных параметров. В конце июня на экспериментальном производстве ИЯФ СО РАН началось серийное изготовление магнитных элементов для инжекционного комплекса ЦКП «СКИФ». Для того чтобы достичь требуемых параметров, необходима высокая точность расчётов, проектирования и изготовления магнитных элементов. Так, например, сложная поверхность полюса магнита, формирующая поле на орбите пучка, не должна отличаться от проектной более чем на 50 микрометров, что сопоставимо с толщиной человеческого волоса.

Каждая станция на СКИФ предназначена для решения задач из разных областей наук. В первой очереди таких станций планируется шесть. Научная программа каждой станции должна учитывать потребности учёных и наукоёмких производств в России и во всём мире, ведь большинство существующих центров СИ — международные, и они работают в режиме 24/7. Часть проводимых во многих подобных научных центрах работ — коммерческая, например, подобный инструмент может быть интересен фармкомпаниям, которые создают новые лекарства. При этом большинству исследователей из области академической науки и образования крупные международные центры обычно предоставляют бесплатное пользовательское время.

Команда ЦКП «СКИФ» внимательно изучает запросы учёных ведущих научных групп в России, а также в Европе, США, Японии и других странах. Для этого организованы еженедельные семинары с участием научных коллективов от Москвы до Владивостока с регулярными выступлениями зарубежных учёных, работающих в тех областях, где исследования с помощью СИ особенно актуальны. Так постепенно формируются будущие группы пользователей на каждую из станций.

Что можно увидеть при помощи лучей СИ? Биологи могут уточнить белковые структуры вирусов, медики — проверить состав и архитектуру молекулы лекарства, химики — в режиме онлайн увидеть химическую реакцию. У каждого вида исследований свои требования к параметрам и оборудованию станции. На одной станции нужен высокий вакуум, на другой — лаборатория для оперативной подготовки быстро портящихся образцов, на третьей — очень низкие температуры, на четвёртой — герметичные камеры для проведения взрывов и т. д. Сложно найти естественно-научную область, в которой синхротронное излучение не поможет ответить на многие вопросы. Гипотезы, которые выдвигают учёные, после проверки синхротроном либо могут стать великими открытиями, либо уйдут на свалку истории как ошибочные. И в том, и в другом случае произойдет огромный шаг в каждой из наук.

Застройщик и заказчик ЦКП «СКИФ» — Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН. Его директор, академик РАН Валерий Бухтияров сообщил, что все работы по изготовлению оборудования для ускорителя электронов будет выполнять Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН. Проектные работы по созданию инженерной структуры СКИФ закончены, к началу 2024 года установка должна заработать. В рекордно сжатые сроки учёным нужно будет сделать установку поколения 4+ с заявленными в проекте параметрами. Но у специалистов Института ядерной физики есть большой задел: подобное оборудование они разрабатывали и производили для многих научных центров во всем мире.

«Стенд магнитных измерений для наших новых магнитов уже готов, как и сами магниты. Думаю, их испытания пройдут успешно, поскольку наш институт уже делал подобное оборудование для Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США, — сообщил заместитель директора по научной работе ИЯФ СО РАН, заместитель директора по созданию ЦКП «СКИФ» ИК СО РАН, руководитель Проектного офиса ЦКП «СКИФ», доктор физико-математических наук Евгений Левичев. — Основные наши усилия будут направлены не на создание инжекционного комплекса, где опыт ИЯФ даёт нам хорошую фору, а на строительство ускорительного кольца с беспрецедентными параметрами».

В мире работают десятки синхротронов разной энергии и яркости. Наиболее популярный синхротрон расположен в Гренобле (Франция). Это European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), построенный совместными усилиями 18 стран ЕС и Израиля. Не менее известен и ускорительный комплекс в Швеции при университете в Лунде, где в 2016 году был запущен MAX IV с источником 4-го поколения. А в 2019 году заработал бразильский синхротрон «Сириус» поколения 4+, наиболее близкий по параметрам к новосибирскому.

СКИФ отличается от своих малочисленных собратьев не энергией, а яркостью, которая достигается за счёт малого сечения луча света или пучка фотонов. Примерно через два года в Новосибирске появится самое яркое пятно на нашей планете.