В наукограде Кольцово в Новосибирской области завершается строительство Центра коллективного пользования "Сибирский кольцевой источник фотонов" (ЦКП "СКИФ"), начатое 25 августа 2021 года. Технологический запуск ЦКП "СКИФ" состоялся в декабре прошлого года, пучок электронов с энергией 3 гигаэлектронвольта (3 ГэВ) был перепущен из бустерного синхротрона через 220-метровый транспортный канал в накопительное кольцо, его положение и размер зафиксировали люминофорные датчики. Ведущие отечественные ученые подтвердили соответствие установки заданным параметрам.
Оборудование накопительного кольца СКИФа полностью изготовлено и расставлено в тоннеле - специальным образом спроектированном помещении, оснащенном термостабилизацией с точностью 0,1 градуса по Цельсию, системой пожарной и радиационной безопасности. Оборудование всех семи экспериментальных станций первой очереди ЦКП "СКИФ" изготовлено на 100% и доставлено на площадку, ведется его монтаж.
СКИФ станет первым в мире источником синхротронного излучения поколения 4+ с энергией 3 ГэВ.
Об основных направлениях исследований на установке класса mega science и перспективах ее развития "Интерфаксу" рассказал главный научный сотрудник ЦКП "СКИФ" Ян Зубавичус.
- Ян Витаутасович, новые источники синхротронного излучения (СИ), строящиеся в мире, насколько можно судить, в основном рассчитаны на энергию 6 ГэВ, вдвое больше, чем у СКИФа. Почему СКИФ проектировался на энергию 3 ГэВ?
- Помимо того, что есть энергия, есть еще размер. У нас 476 метров – длина орбиты, по которой вращаются электроны, а у китайского HEPS (High Energy Photon Source) на 6 ГэВ – больше километра, 1 км 100 метров. Для него нужна площадка большего размера, больше ресурсов, в том числе электроэнергии, и строить его нужно существенно дольше, примерно пропорционально длине орбиты. И, соответственно, дороже.
Выше энергия – не всегда лучше. На начальных этапах проекта мы очень обстоятельно обосновывали, что 3 ГэВ – это оптимальный баланс сроков создания, стоимости создания и исследовательских возможностей.
- Сразу несколько источников СИ в мире прошли либо проходят глубокую модернизацию. Заложена ли возможность модернизации в проект СКИФа как на уровне ускорительного комплекса, так и на уровне экспериментальных станций?
- Время покажет. Понятно, что станции – это постоянный процесс модернизации, они будут дополнительно оснащаться какими-то узлами. Что-то будут привозить с собой пользователи, в том числе детекторные системы, оптические элементы. Станции во многом построены по модульному принципу, там заложена достаточная гибкость, чтобы такое развитие обеспечить. Станция – это живой организм, который будет постоянно меняться.
Какие-то глобальные изменения в ускорительный комплекс вносить сложнее. Но это не означает, что их не будет вовсе. Я думаю, что наши специалисты по ускорительному комплексу будут работать, думать, пробовать какие-то технические решения, чтобы оптимизировать, например, обеспечивающие инженерные системы.
Через какое-то время, через 5-7 лет, наверное, будет проводиться ремонт, профилактические работы, и, наряду с этим, какая-то модернизация. Безусловно, мы будем разрабатывать соответствующие проекты и искать финансирование.
Мировая практика с источниками СИ такова, что бывает очень глубокая модернизация: магнитную систему накопителя полностью вынимают и ставят новую, как, собственно, и произойдет с источником в Курчатовском институте. Станции там практически не меняются, здание остается то же самое.
Обновился ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) в Гренобле, к нему добавилось три буковки EBS (Extremely Brilliant Source), в Швейцарии Swiss Light Source тоже обновился с третьего поколения до четвертого, итальянский ELETTRA проходит глубокую модернизацию. Модернизирован APS (Advanced Photon Source) в Аргоннской национальной лаборатории в США, он превзошел СКИФ по эмиттансу (параметру, который определяет яркость синхротронного излучения, а значит, и качество исследований пользователем) – сейчас он показал порядка 45 пикометров- радиан против 70-75 пикометров-радиан у СКИФа.
Но по удельной характеристике - эмиттансу на единицу длины орбиты - СКИФ для своего класса остается рекордным. Опять-таки, APS, получив литеру "U" (Upgraded), имеет энергию 6 ГэВ и периметр больше 1 км.
- Каковы исследовательские возможности станций первой очереди?
- На станциях первой очереди, а у нас их семь, первоначально их было шесть, но добавилась седьмая, которая формально уже введена в эксплуатацию, реализованы все основные, самые распространенные, самые востребованные рентгеновские методы.
То есть мы станциями первой очереди закроем базовые потребности российского пользовательского сообщества. При этом мы не перестаем работать над концепциями станций второй очереди, работаем с министерством науки и высшего образования РФ для согласования финансирования дальнейшего строительства ЦКП "СКИФ". Очень рассчитываем, что создание станций второй очереди развернется полным ходом с 2027 года, 2026 год уйдет на комплексную пусконаладку, на оптимизацию работы всех систем, на получение первых результатов, а с 2027 года мы начнем развиваться дальше.
- Что представляют собой базовые методы исследования?
- Это, прежде всего, дифракция, методы исследования кристаллической структуры на атомарном уровне. Кроме того, это спектроскопия, прежде всего, спектроскопия поглощения. Далее, визуализация, микроскопия, томография. Плюс есть еще фотоэлектронная спектроскопия в мягкой рентгеновской области. Дифракция, наверное, наиболее популярный метод, есть очень много лабораторного оборудования, много научных групп, имеющих опыт его использования в повседневных исследованиях.
Источник СИ позволяет проводить такие исследования быстрее, использовать образцы меньшего размера, можно задавать особые условия – температуру, давление, можно проводить высокопроизводительный скрининг, большие серии очень быстро исследовать. Это важно в таких областях как комбинаторная химия, разработка новых фармацевтических препаратов.
- Нет ли в научной программе будущих исследований некоторого крена в материаловедение?
- Мы будем гармонично развиваться по всем направлениям, и если говорить о материаловедении – то это, прежде всего, материаловедение химическое. Институт катализа СО РАН – наша базовая организация, мы – обособленное подразделение Института катализа СО РАН, поэтому катализ, катализаторы, химические источники тока, включая литий-ионные батареи, топливные элементы – это будет в фокусе, я так думаю.
У нас три, даже, пожалуй, четыре из семи станций имеют функционал, направленный на решение задач химического материаловедения и катализа, но мы помним и про биомедицину, и про фармацевтику. Во всем мире это, наверное, наиболее яркое и результативное направление – Нобелевские премии, новые лекарства.
Мы готовимся изо всех сил, чтобы с первого фотона начать активную работу.
- Кстати, а как появилась седьмая станция?
- Есть много нюансов в этой истории. Когда мы заключали контракты на изготовление станций, два контракта были заключены последними – тяжелее всего было найти интегратора создания станции в условиях санкций, заместить импортное оборудование. Когда у нас был период неопределенности по двум станциям, мы стали прорабатывать концепции станций упрощенного дизайна.
В чем упрощение? У нас шесть станций первой очереди используют излучение с прямолинейных промежутков накопителя, которое генерируют специальные устройства, ондуляторы и вигглеры. Это излучение с улучшенными характеристиками, более яркое. Более простые устройства генерации – это поворотные магниты. Они всегда есть в накопителе, их не нужно дополнительно ставить, и на поворотных магнитах, как правило, располагаются станции для рутинных исследований, своего рода "рабочие лошадки". Они не претендуют на самые передовые режимы, методики и параметры, но за счет стабильности, относительной простоты и отработанных методик позволяют поставить исследования буквально на поток.
Зарубежный опыт говорит о том, что именно такие станции оказываются наиболее загруженными, результативными с точки зрения пользовательских групп, которые приезжают проводить исследования, и дают "выхлоп" в виде публикаций, патентов.
Мы начали разрабатывать два проекта станций на поворотных магнитах. Со станцией 1-7 нам повезло – нам удалось выиграть грант Министерства науки и высшего образования РФ на модернизацию действующих уникальных научных установок, и мы, получив финансирование, провели глубокую модернизацию уникальной научной установки – станции XAFS-спектроскопии, которая работала на ускорителе ВЭПП в Институте ядерной физики СО РАН здесь, в Новосибирске.
Мы писали проект модернизации с прицелом на то, что эта станция переедет на СКИФ. Некоторое время мы думали, что она станет первой из станций второй очереди, но в итоге обстоятельства сложились так, что мы смогли все оборудование перенести. Эту станцию уже можно посмотреть, станция подключена и полностью готова к работе. Она вошла в тот комплекс сдаваемого оборудования, параметры которого было необходимо подтвердить.
- Когда все-таки циркуляция пучка в накопителе будет?
- Это 2026 год, скорее всего, лето.
- Получается, что на поворотных магнитах можно еще некоторое количество станций сверх проекта поставить?
- У нас есть вторая станция упрощенного дизайна, теперь у нас она стоит приоритетной стацией второй очереди, 1-8. А дальше у нас станции пойдут с шифрами, начинающимися с двойки (вторая очередь).
В целом согласно проекту, у нас 14 станций на ондуляторах и вигглерахи 16 - на поворотных магнитах.
Можно думать о том, чтобы из дополнительных поворотных магнитов генерировать излучение, поэтому иногда возникала цифра 46, но проект здания, подведенные инженерные коммуникации, электрика, они исходят из того, что станций 30. Дальше будем смотреть, можно ли будет там что-то поставить, может, какие-то небольшие измерительные модули на поворотных магнитах.
- Насколько проработаны проекты станций второй очереди?
- Чтобы начать профессиональную полноценную работу над станциями второй очереди с привлечением конструкторов разных направлений, необходимо целевое финансирование, которое пока не выделено. Поэтому мы сейчас занимаемся научной проработкой, создаются консорциумы вокруг каждой станции, пишем научные программы, обосновываем тот набор методов, который будет на них использоваться.
Пока у нас официально представлены и утверждены проекты трех станций второй очереди, это произошло на заседании Научного комитета СКИФ в августе на форуме "Технопром". Представлены эскизные проекты – это первая стадия проработки, затем идет комплект конструкторской документации, изготовление и ввод в эксплуатацию.
В рамках разработки этих эскизных проектов прорабатывались вопросы, какие организации могут участвовать в создании различных элементов, оценка стоимости.
Это, в частности, станция 1-8, про которую я говорил, "Спектроскопия и метрология мягкого рентгеновского диапазона", которая, как и станция 1-7, комплектуется из уже имеющегося оборудования, станция НГТУ НЭТИ – "Инженерное материаловедение" и станция "Белок" для исследований в области структурной биологии, вокруг которой сформирован целый консорциум, головной организацией выступает МФТИ.
Среди перспективных направлений можно отметить и когерентный имиджинг – благодаря тому, что СКИФ будет источником с высокой степенью когерентности излучения, при неразрушающем изучении микросхем можно восстанавливать их топологию, выявлять скрытые уязвимости и т.д.
Речь идет о неразрушающей визуализации современных микросхем на современных техпроцессах, чтобы сделать картинку всей структуры, выявить какие-то незадокументированные особенности.
- В целом каково соотношение прикладных и фундаментальных исследований?
- Источник СИ – это инструмент, прежде всего, прикладных исследований. Но где провести грань между прикладными исследованиями и чисто фундаментальными? Возьмем, например, Большой адронный коллайдер – бозоны Хиггса, фундаментальные взаимодействия, Стандартная модель – самая что ни на есть фундаментальная наука. Такой науки на источнике СИ практически не будет. Это всегда исследования, которые ставят перед собой задачи практической реализации – в близкой или более далекой перспективе. Это могут быть какие-то фундаментальные аспекты прикладной науки.
Например, катализ – это полностью прикладная наука. Даже если мы закладываем научные основы синтеза высокоэффективных катализаторов нового поколения, не ставя перед собой задачу внедрить это в ближайший месяц на предприятиях. Химическое материаловедение, как я уже сказал, фармацевтика, медицина (онкология, трансплантология), конструкционные материалы для машиностроения – таков круг задач.
Основной поток пользователей – это представители исследовательских организаций и вузов. Как я уже говорил, всегда есть исследования более или менее стандартные, которые, в принципе, можно делать на лабораторных приборах, но хочется сделать побыстрее, поглубже, поинтереснее. Доля исследований, которые, скажем так, штурмуют пределы возможностей синхротронных станций, относительно невелика.
Но есть другое: группа исследователей получила новые перспективные материалы, их нужно быстро охарактеризовать стандартным набором методов, убедиться, что это то, что необходимо, наметить пути продвижения. И вот очень важно, чтобы эти исследования велись как швейцарские часы – строго по графику. Иначе мы будем нарушать режим работы тех групп, которые готовят эти образцы, то есть мы должны предоставлять эту диагностику очень быстро, в экспресс-режиме.
- Время работы установки уже расписано?
- Мы в 2023 году проводили опрос среди потенциально заинтересованных организаций. Просили оценить объем, который этим организациям нужен по использованию инфраструктуры СКИФ в часах в год. Этот список в несколько раз больше того объема пучкового времени, который мы можем предоставить.
Это была своего рода репетиция, потому что полноценная система сбора заявок еще не запущена. Сейчас мы ее очень активно разрабатываем с министерством науки и высшего образования РФ, с Центром информационных технологий и систем органов исполнительной власти (ЦИТиС), который ведет разработку Единой государственной информационной системы учета научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ гражданского назначения (ЕГИСУ НИОКТР), на базе которой создан домен "Наука и инновации".
Сейчас это основная платформа, на которой аккумулируется вся научная информация – госзадания, публикации, отчеты. На этой платформе в свое время ЦИТиС разработал сервис "Маркетплейс центров коллективного пользования (ЦКП), уникальных научных установок (УНУ), расходных материалов" – любая научная группа может подать заявку на любой инфраструктурный объект коллективного пользования в науке, чтобы провести исследование.
Мы себя позиционируем как объект, существенно отличающийся и от традиционных ЦКП, и от УНУ. Установки megascience требуют своей нормативно-правовой базы, своих форматов взаимодействия с пользователями. Сейчас ЦИТиС разрабатывает портал подачи и экспертизы заявок, в ближайшее время должен заработать в тестовом режиме соответствующий веб-сайт, на котором можно будет пробные заявки формировать. Полноценно система должна заработать в первом квартале текущего года. Есть поручение вице-премьера Дмитрия Чернышенко, что этот доступ должен быть удобным, доступным с любого телефона, компьютера, понятным, прозрачным.
- Курчатовский институт, который планирует поставить на модернизацию свою установку летом этого года, рассчитывает, что его пользователи перейдут на СКИФ. Технически это возможно? Без длительных перерывов и так далее?
- В принципе, пользователи источников СИ – это очень подвижные научные группы. У них есть свои задачи, есть рентгеновские методы, и на каком приборе реализован этот метод – не настолько принципиально. Многие российские группы ездили активно в международные синхротронные центры, очень много синхротронных работ в досанкционную эпоху делалось в Германии на DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron), очень много во Франции на общеевропейском ESRF, куда, кстати, Россия по-прежнему платит свой членский взнос. Есть хорошие синхротронные центры в Японии, в Южной Корее.
Сейчас нам доступен Китай (Шанхайский синхротронный центр и Пекинский высокоэнергетический фотонный источник), Бразилия – но это достаточно далеко, довольно длинные заявочные циклы.
Мы рассчитываем, что сможем предоставить научные сервисы на высоком уровне. Собственно, для этого мы и проводим такие мероприятия, как Конгресс-пользователей, чтобы познакомиться, выяснить, чего от нас ждут, наладить диалог, понять, что нам нужно поменять в своей политике.
Это общепринятая мировая практика – после того, как источник СИ заработал, ежегодно проводятся такие отчетные встречи, конгрессы, конференции пользователей, где обсуждаются самые яркие результаты, намечаются планы по развитию.
У нас уже есть решение, что осенью 2026 года мы проведем крупное мероприятие с международным статусом и большим количеством участников, больше, чем в I Конгрессе пользователей в ноябре прошлого года, уже началась подготовка к нему.
interfax-russia.ru">Понравилась статья? Обязательно напишите ваше мнение в комментариях. Больше интересных материалов — на канале Интерфакс-Россия в Дзене. Подписывайтесь!
Читайте также на Interfax-Russia.Ru:
Самое важное и интересное — "Интерфакс-Россия" в МАХ