Кольцо просвещения: зачем в России крупнейшая рентгеновская установка

В наукограде Кольцово Новосибирской области началось строительство Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ). Это источник рентгеновских лучей, претендующий на мировой рекорд по яркости. С уникальной установкой смогут работать до 2000 ученых в год.

Рентгеновское зрение

Исследователям всегда есть что увидеть насквозь. Рентгеновское просвечивание — это дешевый и универсальный способ проследить структуру любого вещества вплоть до отдельных атомов. Понятно, что это хлеб насущный для физиков, химиков, материаловедов и специалистов по минералам. Свой интерес и у биологов: их занимают детали живых клеток, вирусы, биохимические молекулы (к слову, именно благодаря «X-лучам» когда-то была открыта знаменитая двойная спираль ДНК). А еще рентген позволяет буквально заглянуть внутрь археологической или палеонтологической находки, не разрушая ее при этом.

Понятно, что для таких экспериментов требуется что-нибудь посерьезнее рентгеновской трубки из ближайшей поликлиники. Чтобы высветить по-настоящему тонкие детали облучаемого объекта, излучение должно быть сконцентрировано в мощный и в то же время тонкий луч.

К счастью, ученым известен способ создавать такие лучи. «Просветители» обращают в свою пользу эффект, доставляющий немало хлопот исследователям элементарных частиц.

Ускоритель прогресса

Физики изучают свойства частиц, разгоняя их до околосветовых скоростей и заставляя сталкиваться друг с другом или с неподвижной мишенью. Заряженная частица в ускорителе движется в магнитном поле, искривляющем ее траекторию и не дающем вырваться за пределы установки. При этом частица испускает излучение, на которое тратится часть ее энергии. Этот эффект был предсказан в 1944 году советскими физиками Дмитрием Иваненко и Исааком Померанчуком, а уже в 1946-м его экспериментально обнаружили американские ученые. Это излучение называется синхротронным в честь синхротронов — самого распространенного класса ускорителей.

Для физиков, стремящихся сталкивать частицы на максимальной скорости, синхротронное излучение — досадная помеха, расходующий энергию паразитный эффект. А вот для тех, кто нуждается в мощных источниках рентгеновских лучей, оно просто находка. В итоге появился новый класс ускорителей, созданных специально как источники синхротронного излучения. Сейчас в мире несколько десятков подобных установок.

Когда целью ставится генерация рентгеновских лучей, нет смысла гнаться за рекордной энергией частиц. Поэтому все синхротронные источники ускоряют самые легкие из заряженных частиц — электроны. Да и энергия им придается по нынешним временам скромная: единицы гигаэлектронвольт (так, СКИФ будет ускорять электроны до 3 ГэВ). Для физиков, сталкивающих элементарные частицы, подобные цифры — позавчерашний день, и никаких новых эффектов на таких ускорителях не предвидится. Однако для синхротронного источника большего не требуется.

Куда более важна плотность, компактность электронного пучка. Электроны должны нестись по вакуумной трубе ускорителя, держась как можно ближе друг к другу. Тогда и испускаемый ими рентгеновский луч будет узким и, следовательно, ярким (поскольку его энергия придется на «солнечный зайчик» небольшой площади). Компактность пучка электронов характеризует особая величина — эмиттанс. Чем она меньше, тем лучше.

Синхротроны первого поколения имели довольно большой эмиттанс в сотни нанометров на радиан (нм∙рад), а работающие сегодня ускорители третьего поколения — уже в единицы. Рекорд среди действующих установок — 0,15 нм∙рад, он принадлежит европейскому комплексу ESRF-EBS. Однако новый отечественный ускоритель проектировщики относят к поколению 4+. Он сожмет свой электронный пучок до невиданного эмиттанса 0,075 нм∙рад. Дело довершат специальные магнитные устройства для генерации излучения. Все это сделает СКИФ сверхъярким источником рентгеновских лучей.

Такая яркость позволит ему очень быстро просвечивать мишень. Ученые смогут буквально в реальном времени следить за ходом химических реакций или, скажем, воздействием лекарства на патоген.

Еще одно преимущество СКИФа — способность быстро делать объемные, томографические рентгеновские снимки.

Портрет «скифа»

Весь комплекс займет более 30 га, а основное кольцо ускорителя будет иметь диаметр 150 метров. Это будет не туннель, а наземное сооружение, но толстые защитные стены уберегут людей от облучения. К кольцу будут подведены каналы для рентгеновских лучей, отводящие излучение к экспериментальным установкам. Самый длинный из них будет иметь протяженность в 70 метров.

К концу 2023 года ускоритель и первые шесть экспериментальных станций должны быть сданы «под ключ».

Министр науки и высшего образования России Валерий Фальков на торжественной церемонии 25 августа назвал круг задач, которые будут решаться на построенных в рамках первой очереди объектах. Среди них: расшифровка структуры биополимеров, механизмы функционирования живых организмов, передача наследственной информации, поведение вирусов, механизм действия лекарственных препаратов, создание новых материалов.

После запуска ускорителя будет приниматься решение о строительстве еще 24 станций. На каждой из них сможет единовременно работать 5–15 исследователей. Таким образом, 30 экспериментальных установок смогут единовременно обслужить до 450 исследователей, а за год — до 2000. К слову, ускоритель будет работать 270 суток чистого времени в год.

Бюджет проекта на 2020–2024 гг. составляет 37,1 млрд рублей. СКИФ входит в перечень научных установок класса «мегасайенс», заявленный в национальном проекте «Наука и университеты». Компанию ему составляет еще один будущий «рентгеновский» синхротрон — ИССИ-4, который планируется построить в наукограде Протвино. Также к «меганаучным» установкам относятся исследовательский реактор ПИК в Гатчине (запущенный в феврале 2021 года) и коллайдер NICA в Дубне (его планируется достроить в 2022-м). Можно рассчитывать, что уникальные возможности подобных установок позволят им стать центром притяжения для российских и зарубежных ученых.