Сибирский кольцевой источник фотонов в наукограде Кольцово готовится к запуску, и его «сердце» бьётся в ритме мировых рекордов. Пока строители завершают финальные работы, учёные уже подготовили уникальный сверхпроводящий вигглер, магнитное поле которого превзошло расчёты на 15 процентов. Эта установка, способная «снимать кино» о взрыве в наномире, станет ключом к первому эксперименту, который намечен на август нынешнего года.
Первый эксперимент и новые горизонты
На сегодняшний день общая строительная готовность объекта достигла 99,8 процента. Из 18 основных зданий комплекса 17 имеют готовность более 99 процентов, в них ведутся финальные пусконаладочные процедуры.
Руководитель Института катализа СО РАН, который выступает заказчиком установки, Валерий Бухтияров уточнил, что первый эксперимент на синхротроне «Сибирский кольцевой источник фотонов» будет связан с созданием новых химических катализаторов. «С научной точки зрения весь комплекс Сибирский кольцевой источник фотонов можно разделить на две ключевые части. Первая — это ускорительно-накопительный комплекс, состоящий из трёх ускорителей: линейного инжектора и основного накопительного кольца. Именно в основном кольце формируется синхротронное излучение (по своей природе рентгеновское), которое затем распределяется по станциям научной инфраструктуры. Это и есть центральная задача всей стройки — создать доступную для отечественных учёных передовую научную базу», — рассказал Валерий Иванович.
По планам ученых, первый эксперимент с использованием синхротронного излучения может состояться уже в августе нынешнего года. Его планируют начать на станции 1-7 «Базовые методы синхротронной диагностики для образовательной, исследовательской и инновационной деятельности студентов». Она реализована на поворотном магните и будет готова к работе сразу после первого оборота пучка. Как только удастся поднять ток хотя бы до 10 мА, можно будет сразу приступать к рентгеновским методам исследования.
Ещё год назад сибирские ученые разослали приглашения во множество научных и образовательных центров по всей России — от академических институтов до ведущих университетов. Ответ превзошёл все ожидания. «На условный объём рабочего времени, доступный на первые полгода эксплуатации, поступило заявок в четыре раза больше, чем мы физически можем предоставить. Именно поэтому доступ к установке будет распределяться на конкурсной основе. Приоритет, конечно, будет отдаваться заявкам с высокой практической значимостью. Промышленный сектор ждёт этого момента не меньше академической науки, особенно медицина. Многие отечественные специалисты уже имеют богатый опыт работы на зарубежных источниках, но СКИФ открывает совершенно новые горизонты. Таких возможностей нет больше нигде. Мощность и точность оборудования позволят нам заглянуть в самую суть процессов», — отметил Валерий Бухтияров.
Директор ЦКП «СКИФ», заместитель директора ИЯФ СО РАН Евгений Левичев подчеркнул необходимость активного привлечения промышленных компаний к исследованиям на базе центра. По его словам, потенциал установки огромен. «СКИФ» — это, по сути, уникальный рентгеновский микроскоп, способный фиксировать сверхбыстрые процессы в реальном времени, — говорит Евгений Борисович. — Установка позволяет буквально «снимать кино» о событиях, которые невозможно увидеть невооруженным глазом: от динамики взрыва и распространения фронта детонационной волны до зарождения и взаимодействия химических веществ. Мы сможем видеть всё это в мельчайших деталях».
По словам исполняющего обязанности директора Института ядерной физики Павла Логачева, «СКИФ» сможет в 10–50 раз сократить время на разработку и создание новых материалов в промышленности, технике, медицине, биологии и многих других сферах.
От «змейки» до рентгена: как будет работать «сердце» синхротрона
Первую очередь СКИФа составят семь экспериментальных станций, оборудование для которых уже готово. На большинстве устройств гордо красуется надпись: «Институт ядерной физики СО РАН. Сделано в России, Новосибирск».
Однако одно из ключевых устройств пока хранится в отдельном корпусе. Это сверхпроводящий вигглер, который недавно прошёл многоэтапное тестирование. Он станет настоящим рекордсменом по генерации фотонов. Он способен выдавать максимально возможное количество рентгеновских квантов на каждый электронный сгусток в широком энергетическом диапазоне — от 20 до 70 кэВ. При этом устройство превзошло все ожидания: при длине магнитного периода всего 27 мм и требуемых 2,7 Тл инженеры добились колоссального запаса прочности, разогнав магнитное поле до 3,15 Тл. «Данные параметры на сегодняшний день являются рекордными с точки зрения достижения максимального уровня поля при минимальной длине периода. Они приближаются к физическому и техническому пределу и никем в мире пока не были продемонстрированы», — рассказал заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН Виталий Шкаруба и уточнил, что устройство планируется установить осенью 2026 года на станции 1-3 «Быстропротекающие процессы».
Как объясняют ученые, вигглер и его «брат» ондулятор — это сложнейшие многополюсные магниты. Их задача — заставить электронный пучок двигаться не по прямой, а по змееобразной траектории. Электрон, пролетая через чередующиеся магнитные поля, вынужден постоянно «вилять». Именно в моменты этих резких поворотов пучок теряет часть своей колоссальной энергии, которая тут же превращается в сверхмощное синхротронное излучение. Благодаря такой «магнитной хореографии» рождается свет с уникальными свойствами: невероятной яркостью, высокой интенсивностью и регулируемой энергией фотонов.
В ускорительно-накопительном комплексе ЦКП «СКИФ» пучок электронов рождается и приобретает первоначальную энергию в линейном ускорителе, после чего достигает проектной энергии в бустерном синхротроне и со скоростью, близкой к скорости света, попадает в накопитель. При пролёте через вигглеры и ондуляторы электронный пучок, при воздействии магнитных полей специальной конфигурации, излучает синхротронное излучение. На каналах вывода СИ расположены экспериментальные станции, где исследователи используют это излучение для проведения экспериментов.
Для достижения высокого уровня магнитного поля в вигглере используются обмотки из сверхпроводника, который необходимо охладить до низких температур. Для охлаждения вигглеров и ондуляторов ЦКП «СКИФ» реализована разработанная в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) уникальная технология «сухого» криостата. Обычно сверхпроводящие устройства погружаются в ванну с дорогим жидким гелием, что требует постоянной «дозаправки». В «сухом» же криостате сверхпроводящий магнит подвешен в вакууме и охлаждается гелием, циркулирующим по внутренним каналам магнита. Запас гелия находится в небольшом сосуде, расположенном рядом с магнитом, который охлаждается тепловодами от холодильных машин. Все элементы криостата также охлаждаются холодильными машинами и остаточный приток тепла к магниту не превышает долей ватта. После выхода на режим вигглер может работать автономно без заправки гелием в течении нескольких лет.
Научный конвейер СКИФ
Все первых шесть экспериментальных станций СКИФ будут работать с помощью вигглеров и ондуляторов и использовать синхротронное излучение. Седьмая же будет работать на поворотном магните. Как отметил младший научный сотрудник отдела вычислительных систем ЦКП «СКИФ» Вадим Кашкин эксперименты на станциях будут полностью определятся потребностями пользователей. Продолжительность сеанса будет варьироваться от 20 минут до нескольких часов, а параметры пучка — интенсивность, количество сгустков — задаваться индивидуально. «Система будет автоматически загружать соответствующий режим, настраивать оборудование и запускать эксперимент. В зависимости от задачи работа на станциях будет выстроена в двух основных режимах: длительные эксперименты, требующие непрерывного воздействия пучка в течение нескольких часов, и быстрые эксперименты, где критически важно набрать заданное количество кадров или импульсов», — рассказал Вадим Кашкин.
Так, к примеру, на экспериментальной станции 1-1 «Микрофокус» ученые с помощью синхротронного излучения будут решать задачи геологии, геофизики, микроэлектроники и материаловедения. Специальная система фокусировки пучка синхротронного излучения позволит исследовать сверхмалые объекты — размером до 200 нанометров (в пять тысяч раз меньше миллиметра). А на станции 1-2 «Структурная диагностика» ученые с помощью синхротронного излучения будут исследовать структуры органических и неорганических веществ на атомно-молекулярном уровне для решения задач биомедицины и фармацевтики, материаловедения, химии твердого тела, энергетики, металлургии, атомной промышленности.
А вот оборудование экспериментальной станции 1-3 «Быстропротекающие процессы» находится в отдельном здании. Как раз для нее ученые и подготовили то самый сверхпроводящий вигглер. На этой станции исследователи с помощью синхротронного излучения будут изучать свойства материалов в условиях мощного взрыва, импульсных ударных нагрузок и высоких температур для решения задач авиационной, космической, автомобильной промышленности, атомной и термоядерной энергетики. «У нас нет возможности копить статистику и повторять эксперимент, нам нужно получить кадр за одну вспышку фотонов, и эта вспышка должна быть максимально яркой — с одного сгустка электронов нам нужно получить максимально возможное количество фотонов. Именно поэтому для нашей станции, специально для наших задач был создан вигглер с рекордными параметрами. Мы ждем, что осенью он будет установлен на кольцо, и мы начнем настройку оптического оборудования станции. Сейчас активно прорабатываются варианты первого эксперимента с Всероссийским научно-исследовательским институтом экспериментальной физики в Сарове, посвященного исследованию ударно-волнового воздействия на материалы», — рассказал координатор разработки и создания экспериментальной станции 1-3 «Быстропротекающие процессы» Иван Рубцов и добавил, что взрывные эксперименты будут проводиться в условиях стальной камеры, рассчитанной на взрыв мощностью до 2 килограммов в тротиловом эквиваленте.
Сейчас ученые и инженеры приступают к финальным испытаниям следующего устройства генерации синхротронного излучения — вигглера для станции 1-5 «Диагностика в высокоэнергетическом рентгеновском диапазоне». Эту процедуру до конца года пройдут все устройства генерации синхротронного излучения ЦКП «СКИФ». На этой экспериментальной станции ученые с помощью синхротронного излучения будут решать задачи материаловедения, наук о жизни, археологии, палеонтологии. Высокоэнергетическое рентгеновское излучение позволит получать высококонтрастные изображения как конструкционных материалов, так и живых лабораторных животных (мышей, крыс, минипигов), для которых в составе станции предусмотрен даже мини-виварий.
Фотографии Константина Кутузова