синхротрон что это такое
Зачем нужен синхротрон?
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?
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.
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.
Новости
Наша редакция
630090 Новосибирск, пр. Лаврентьева 17, каб. 215, редакция издания «Наука в Сибири»
Телефон: (383)2383437
E-mail: presse@sb-ras.ru, media@sb-ras.ru
VSEON.com
Лента новостей
Онлайн-версии
Синхротроны мира
В современном мире действуют около 50 источников синхротронного излучения. В некоторых странах их насчитывается несколько. Например, в США в разное время работало 8 синхротронов, в Германии – 7, а в Японии – 5.
Что такое синхротрон? Это прибор, который заставляет заряженные элементарные частицы двигаться, обычно по круговым траекториям, ускоряя и удерживая их электрическим и магнитным полями. При движении с ускорением заряженные частицы начинают испускать электромагнитное излучение. Чем быстрее они движутся, тем больше энергия фотонов этого излучения, а значит, тем меньше длина волны. Чаще всего говоря об искусственном синхротронном излучении, имеют в виду рентгеновское излучение.
Длина рентгеновской волны в тысячи раз меньше, чем длина волны видимого света. Благодаря этому кристаллическая решетка атомов в материале действует на нее как обычная дифракционная решетка – рассеиваясь на ней, рентген создает на фотопластинке узоры из ярких пятен. По положению этих пятен можно в точности восстановить положение атомов в ячейке кристалла. Это и определяет круг применений синхротронного излучения: исследование атомарной структуры самых разных объектов, от белков и нуклеиновых кислот до сложных керамик и различных монослоев.
Выделяют синхротроны разных поколений:
— I поколение источников синхротронного излучения – это ускорители, в которых синхротронное излучение возникает как побочный паразитный процесс. В миллион раз ярче рентгеновской трубки;
— II поколение источников синхротронного излучения: первые источники, предназначенные для создания синхротронного излучения. В миллиард раз ярче рентгеновской трубки;
— III поколение – это современные синхротроны, в триллион раз ярче рентгеновской трубки;
— IV поколение – это уже импульсные источники, такие как лазеры на свободных электронах. На порядки ярче предыдущего поколения.
Синхротронное излучение ярче обычной рентгеновской трубки на много порядков. Это позволяет очень быстро получать структурную информацию, к тому же с высоким разрешением.
Синхротрон – идеальный инструмент для исследований. Вспышка его излучения длится меньше миллиардной доли секунды и повторяется каждый период обращения пучка электронов. То есть с перерывом в несколько микросекунд. В «свете» этой вспышки удобно изучать интенсивные процессы, протекающие очень быстро. Например, «фотографировать» происходящее во взрывчатке в момент детонации. Сегодня синхротронное излучение применяется при исследовании материалов, в медицине и биотехнологиях.
Мало кто знает, что новосибирские ученые из Института ядерной физики СО РАН участвовали в создании крупнейшего в Великобритании синхротронного центра Diamond Light Source (DLS). Наш институт поставил британскому синхротрону 168 шестиполюсных магнитов и два сверхпроводящих вставочных устройства для рабочих линий I-12 и I-15. Первый кирпич в здание DLS в Южном Оксфордшире заложили в марте 2003 года, а 4 года спустя начали работать первые рабочие станции комплекса. Строительство обошлось в 260 млн фунтов. Сегодня годовой бюджет комплекса, включая затраты на исследования и эксплуатационные расходы, составляет 50 млн фунтов.
Более 40 % исследований, проводимых сегодня на британском ускорительном комплексе DLS, относятся к наукам о жизни. Здесь изучается атомная и молекулярная структура вирусов и бактерий, вызывающих заболевания человека и животных, исследуются клеточные процессы, приводящие к возникновению патологий, а фармакологические компании тестируют потенциальные лекарственные средства.
Diamond Light Source производит синхротронное излучение в диапазоне от рентгеновского до инфракрасного. Здесь работает 25 пользовательских станций разной специализации, еще 8 находятся в стадии разработки.
Огромные возможности синхротронного излучения сегодня широко используются в материаловедении и инженерии для создания новых материалов и эффективных и экологически чистых промышленных технологий.
Какие еще известные синхротроны есть в мире?
Синхротрон SESAME стал первым синхротронным источником на Ближнем и Среднем Востоке. Это совместный проект Бахрейна, Египта, Ирана, Израиля, Иордании, Кипра, Пакистана, Палестины и Турции. Он располагается в городе Аллан мухафазы Эль-Балка, Иордания. Энергия электронов в ускорителе достигает 2,5 гигаэлектронвольт, что сопоставимо с энергиями электронов в синхротроне Курчатовского института
Один из крупнейших китайских научных центров – Шанхайский центр синхротронного излучения – находится в парке высоких технологий Чжанцзян. Центр занимает площадь 200 тыс. м 2 и выглядит как огромный стадион. Внутри – 3 ускорителя.
Недалеко от Барселоны находится источник синхротронного излучения третьего поколения ALBA. Ускорительный комплекс построен и эксплуатируется консорциумом CELLS и профинансирован правительством. Спектр его излучения захватывает диапазон от ультрафиолета до жесткого рентгена.
Advanced Light Source (ALS) – источник синхротронного излучения третьего поколения в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли, США. Проект ALS был предложен еще в начале 1980-х. В марте 1993 года закончен запуск и наладка, в октябре того же года центр официально открыли. ALS представляет собой синхротрон периметром 196,8 м, рабочий диапазон энергий 1–1,9 ГэВ.
APS (Advanced Photon Source) – источник синхротронного излучения третьего поколения в Аргоннской национальной лаборатории, в 40 км от Чикаго, США. Этот ускорительный комплекс построен по традиционной схеме. Спектр его излучения закрывает диапазон от ультрафиолета до жесткого рентгена.
Австралийский синхротрон ASP, Australian Synchrotron Project расположен в пригороде Мельбурна, Клейтоне, на месте кинотеатра на колесах, рядом с научно-исследовательскими лабораториями компании Telstra и через дорогу от клейтонского кампуса университета Монаша. Открыт 31 июля 2007 года
Берлинское сообщество электронного накопительного кольца для синхротронного излучения BESSY. Исследовательское учреждение расположено в районе Берлина Адлерсхоф. Было основано 5 марта 1979 года, в настоящий момент BESSY II – единственный синхротрон третьго поколения в Германии. Получаемое синхротронное излучение используется как в науке, так и в промышленности.
CESR (англ. Cornell Electron Storage Ring) – электрон-позитронный коллайдер, работавший в 1979–2008 годах в Корнеллском университете, Итака, штат Нью-Йорк, США. В настоящее время используется как тестовый электронный синхротрон для задач ускорительной физики и как источник синхротронного излучения.
Canadian Light Source (CLS) – источник синхротронного излучения в Канаде на территории Университета Саскачевана. Всего здесь функционируют более 20 пользовательских экспериментальных станций с излучением от дальнего инфракрасного до рентгеновского.
DELTA (англ. Dortmund ELectron Test Accelerator) – ускорительный комплекс, источник синхротронного излучения третьего поколения, расположенный в Дортмунде, Германия. Создан и эксплуатируется с 1994 года силами Технического университета Дортмунда.
European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) – источник синхротронного излучения третьего поколения, расположенный в Гренобле, Франция. Комплекс построен в 1994 году совместными усилиями 19 стран (Австрии, Бельгии, Венгрии, Великобритании, Германии, Дании, Испании, Италии, Нидерландов, Норвегии, Польши, Португалии, Словакии, Финляндии, Франции, Чехии, Швейцарии, Швеции, Израиля). ESRF – самый высокоэнергетичный в Европе синхротрон среди источников синхротронного излучения. Годовой бюджет ESRF составляет около 80 млн евро, на нем постоянно работают более 600 человек, и еще более 3 500 ученых ежегодно посещают центр для проведения экспериментов на каналах вывода СИ.
Это не все, а самые известные источники синхротронного излучения, не считая российских. На самом деле прямо сейчас синхротронные эксперименты проводят в Европе, США, Японии, Китае, России, Армении, Австралии, Канаде, Бразилии, Тайвани, Таиланде, Сингапуре и даже в Индии. Современный синхротрон появится и Новосибирске.
Синхротрон что это такое
Особо важную службу рентгеновское излучение сослужило для биологии. Белковая кристаллография стала новой областью знаний, на которой базируется современное понимание болезней и создание лекарств для их лечения. Любое лекарство — это синтезированное руками человека вещество, которого по каким-то причинам не хватает организму. Как получить его формулу? Нужно взять образец этого вещества, превратить его в кристалл и с помощью рентгеновского излучения расшифровать его структуру. Так учёные понимают, как работают живые клетки и их рецепторы, и получают возможность для создания лекарственного препарата.
Синхротронное излучение — это электромагнитное излучение заряженных частиц, которые движутся в магнитном поле со скоростью, близкой к скорости света. Магнитное поле буквально «срывает» с электронов потоки фотонов — так получается синхротронное излучение. В синхротроне электроны вращаются в сверхвысоком вакууме, они не соприкасаются со стенками вакуумной камеры.
А так как длина волны синхротронного излучения, используемая в экспериментах — доли нанометра, это позволяет разглядеть внутренние детали нанообъекта, в частности, определить атомную структуру молекул, в том числе белков, различных тканей, структуру искусственно созданных нанослоев, наномембран и так далее.
До начала 1960-х годов в качестве источников рентгеновского излучения для исследования вещества использовали рентгеновские трубки. С их помощью можно «увидеть» больше, чем через микроскоп, но возможности рентгена тоже ограничены. В рентгеновской трубке нельзя бесконечно увеличивать ток или напряжение, чтобы повысить яркость, иначе она просто расплавится. Яркость же синхротронного излучения выше рентгеновского в миллионы раз. Она и позволяет просветить глубинные слои вещества — органического и неорганического.
Если синхротрон — это суперфонарик, который излучает суперсвет, то экспериментальная станция — суперглаз, который помогает его увидеть. Из каждого поворотного магнита на кольце синхротрона можно вывести синхротронное излучение в отдельный канал и установить экспериментальную станцию, предназначенную для определённого направления исследований.
Всего на Курчатовском синхротроне сегодня работает 15 экспериментальных станций, ещё восемь в процессе создания. На каждой станции работает система фильтров, которая помогает настроить все параметры (например, длину волны), выбрать подходящий диапазон и сфокусировать пучок света под нужным для эксперимента углом. Сам процесс «просвечивания» проходит в отдельном помещении: интенсивность потока настолько сильна, что находиться рядом с ним небезопасно.
В первую очередь синхротронное излучение применяют в материаловедении, физике твердого тела, химии и нанобиотехнологиях, микромеханике, биологии и медицине. Синхротронное излучение помогает даже при изучении мозга живых существ. Оно позволяет избирательно визуализировать в его тканях ионы тяжелых металлов. Учёные могут пометить активно работающие клетки мозга испытуемого животного так, чтобы они накапливали ионы, и визуализировать эти работающие сети в мозге во время введения исследуемого когнитивного препарата. Эксперимент может дать ответы на целый ряд вопросов — как действует препарат, где, на какие системы памяти.
На синхротронах также изучают геологические породы, археологические артефакты, органические останки, подходящие для анализа ДНК, произведения искусства. Например, с помощью синхротрона удалось прочитать надписи на свитках, которые сгорели при извержении Везувия и дошли до нас в виде застывшего пепла.
В Курчатовском институте больше всего промышленных заказов получает станция катализаторов — это показатель высокого уровня развития химической промышленности в России. При этом учёные уверены, что для полной загрузки мегаустановки недостаточно интереса отдельных частных заказчиков — нужны вложения целых отраслей промышленности, которым важно развивать технологии будущего.
«Исследовательские возможности российских ученых не ограничиваются только Курчатовским синхротроном», — объясняет Александр Благов. — Сегодня российские ученые могут активно пользоваться возможностями Европейского синхротронного центра ESRF в Гренобле. Здесь работает источник синхротронного излучения третьего поколения, одна из самых активных научных площадок в мире, объединяющая 18 европейских стран. С вступлением России в ESRF в 2014 году российская сторона получила прямой доступ ко всему комплексу экспериментального оборудования, образовательным программам ESRF и интеллектуальной собственности, создаваемой при проведении наших исследований».
В планах у российской науки — строительство нового специализированного источника рентгеновского излучения с рекордной яркостью и длительностью импульса. Характеристики ИССИ-4 — так будет называться новый синхротрон, позволят создавать материалы для сверхбыстрых компьютеров на основе искусственного интеллекта, углублённо изучать функции мозга и генетического аппарата, создавать эффективные лекарства и методы диагностики болезней, которые раньше считались неизлечимыми. Идею этого проекта уже поддержали японские коллеги из синхротронного центра 8-SPRING, европейского синхротронного центра ESRF в Гренобле и германского синхротронного центра DESY (Гамбург). Минуя третье поколение синхротронов, российские учёные сделают скачок сразу в четвёртое.
В результате XFEL откроет принципиально новые возможности для изучения химических и физических процессов, происходящих в веществе, позволит выйти на новый уровень в исследованиях в области физики, химии, материаловедения, наук о жизни, биомедицине. При работе на полную мощность (частота повторения импульсов рентгеновского пучка до 27 000 импульсов в секунду), он будет значительно превосходить по своим техническим параметрам существующие сегодня подобные лазеры в США и Японии.
Использование пучкового времени будет осуществляться с учетом вклада каждой страны в создание установки. Доля участия России — вторая по значимости после страны-хозяйки — Германии, она составляет более четверти от общей стоимости проекта. Российские сотрудники — вторые после германских коллег по числу научных сотрудников в штате XFEL. Также россияне входят в тройку лидеров по числу заявок на первые эксперименты на пучке.
Курчатовский институт — один из немногих в мире, где на одной площадке можно исследовать археологические экспонаты, предметы искусства с применением и синхротронного излучения, и нейтронов, не говоря уже о микроскопии, химических методах. Мы выясняем химический состав наших объектов, их структуру, данные о внутреннем строении — всё это может пролить свет на время, технологии его создания и применение.
Например, недавно мы исследовали серебряные бисерины, которым почти 5000 лет. Представьте себе: бронзовый век и серебряные бисерины диаметром 2 миллиметра. Как наши предки их делали — литьём, нарезкой трубочек, был ли металл прокован или он литой? Традиционный способ это выяснить — металлографические исследования, требующие распиливания бисерин. Но это уничтожение исторического образца. Есть более гуманный метод — синхротронная томография: по набору проекций образца восстанавливается его внутренняя 3D-структура. В случае с бисеринами мы обнаружили внутри поры и наросты, а кроме того, в бисеринах оказались монолитные отверстия. Эти результаты подтвердили предположения коллег-археологов из Исторического музея, что бисер был изготовлен методом литья. В этом случае мы проверили уже имеющуюся гипотезу, но обычно интересные идеи возникают в процессе работы.
Ещё мы изучали средневековые русские кресты-энколпионы XI-XIII веков — находки Института археологии (энколпион — крест, в котором хранили реликвии: кусочки ткани, дерева, волос — прим. ред.). Определили технологию чернения этих крестов, которая доказала высокое мастерство русских умельцев, живших тысячу лет назад.
Один из поступивших энколпионов был закрыт, крепёжные отверстия сломаны, то есть вскрытие креста его бы разрушило. Коллеги-археологи попросили исследовать предмет, не открывая его, и выяснить, что внутри. На нейтронной томографии стали чётко видны и особенности крепежа, и то, что он был нарушен, и содержимое креста. К общему разочарованию выяснилось, что внутри креста в основном глина, которая забилась в него, пока крест находился в земле. Но мы уже отработали методику, впереди работа с еще несколькими подобными крестами, найденными археологами под Суздалем.
Мы работаем в «чистой комнате» — помещении со специальной вентиляцией, где количество частиц грязи в воздухе сокращено до минимума. Это нужно для того, чтобы защитить объекты. Например, если пылинка попадёт на микропроцессор, он будет безвозвратно испорчен.
Наши диапазоны для работы — это вакуумный ультрафиолет и мягкий рентген. Такое излучение подходит для космических датчиков. Получается, что мы на Земле обеспечиваем спектр, доступный только на орбите.
Метод спектроскопии позволяет изучать электронную структуру поверхности материала на глубине до трёх нанометров. Мы получаем большой объем информации о химическом составе, степени окисления, валентности и свойствах материала, таких как проводимость.
Также рентгеновское излучение использовалось для расшифровки структуры гемоглобина (Дж.К. Кендрю, М.Ф. Перутц, Нобелевская премия по химии за 1962 г.).
В 1964 году премию по химии «за определение с помощью рентгеновских лучей структур биологически активных веществ» получила Дороти Ходжкин.
Непосредственное отношение рентгеновское излучение имело и к расшифровке двойной спирали ДНК (Дж.Д. Уотсон, Ф.Х.К. Крик, 1962 г., Нобелевская премия в области физиологии и медицины).
В 1979 году Нобелевскую премию также в области физиологии и медицины за разработку метода осевой рентгеновской томографии получили А. Кормак и Г. Хаунсфилд.
В 2009 году Нобелевскую премию по химии получила Ада Йонат, совместно с Венкатраманом Рамакришнаном и Томасом Стейцем, «за исследования структуры и функций рибосомы кристаллографическими методами».
— Что такое твёрдые тела и как рентгеновское излучение помогает их изучать?
— У любого вещества есть четыре состояния: твёрдое, жидкое, газообразное и плазма. Твёрдое состояние вещества характеризуется постоянством формы (она не меняется без внешнего воздействия). Свойства твёрдого тела во многом зависят от его атомного состава и структуры, которая определяется взаимным расположением атомов — наличием или отсутствием кристаллической решетки и типом ее симметрии.
— Как работает дифракция?
— Дифракция — это рассеяние волны на периодической структуре в виде чередующихся ярких и темных полос или пятен. Причём это может быть любая волна — акустическая, волна на поверхности воды или электромагнитная. Изучая такую дифракционную картину, положение линий или пятен на ней, мы можем очень точно определить расстояние между атомами.
Когда рентгеновский пучок попадает на атомную решетку, каждый атом начинает колебаться с частотой рентгеновской волны и испускает вторичную сферическую волну, которая распространяется во всех направлениях по аналогии с кругами на воде от брошенного камня. Вращая кристалл вокруг рентгеновского пучка и регистрируя дифракционные отражения, мы можем собрать полную картину рассеяния кристалла — от всей кристаллической решетки.
Математический анализ положения и интенсивности дифракционных пятен (это очень сложная задача, состоящая из тысяч уравнений и тысяч неизвестных) позволяет определить сорта и пространственное положение всех атомов. Получается, что рентгеноструктурный анализ — это, по сути, «решение обратной задачи по восстановлению атомной структуры по дифракционной картине».
В развитие рентгеноструктурного анализа минералов, кристаллов и белков большой вклад внесли ученые Института кристаллографии. Сейчас этот метод — важнейший инструмент структурной кристаллографии и материаловедения, позволяющий исследовать новые материалы и изучать их свойства на атомарном уровне.
— На основе данных рентгеновской дифракции можно, действительно, создавать новые материалы?
— Определение структуры и атомного состава твердого тела — это первый, но очень важный шаг для синтеза новых материалов. Именно знание структуры и состава позволяют нам понимать свойства материала, его поведение при различных воздействиях. Зная это, мы можем управлять свойствами твердого тела, изменяя (иногда совсем незначительно) атомный состав или структуру, то есть создавать новые материалы с заданными или предсказанными свойствами. Вот, например, и графит, и алмаз состоят из атомов углерода, но обладают абсолютно разными свойствами. Всё дело в совершенно разных кристаллических решетках: кубической у алмаза и гексагональной у графита. Отсюда и колоссальная разница в твёрдости. Уже сегодня, манипулируя на атомном уровне, мы можем синтезировать совершенно новые материалы, обладающие уникальными свойствами — даже такими, которых нет в природе.
— Есть ещё какие-то рентгеновские методы?
— Их немало. Когда мы переходим к диагностике изделий из кристаллов, элементам микро- и наноэлектронной промышленности, то проникаем в очень тонкий приповерхностный слой, и нужны уже сверхчувствительные рентгеновские методы. Например, метод стоячих рентгеновских волн, позволяющий видеть положение и тип отдельных атомов. В таких исследованиях, при переходе на нанотехнологический уровень, интенсивности обычной рентгеновской трубки уже недостаточно, нужны гораздо более яркие источники — синхротронного излучения.
Эпопея строительства Курчатовского синхротрона совпала с очень трудными для российской науки годами. Она была долгой и непростой. Но в результате 1 октября 1999 года в присутствии тогда председателя правительства РФ В.В. Путина в Курчатовском институте нами был запущен источник синхротронного излучения. Он и по сей день остается единственным специализированным источником синхротронного излучения на всем пространстве бывшего СССР. Современный Курчатовский источник СИ — мощная междисциплинарная исследовательская установка. Мы проводим на ней самые разные исследования: от классических задач кристаллографии, материаловедения, структурной диагностики изделий наноиндустрии и электронной промышленности, до задач структурного анализа белковых молекул, молекулярной биологии, исследований предметов культурного наследия и принципиально новых гибридных материалов, комбинаций биоорганических и неорганических материалов.