Каждый хочет немного СИ: как синхротронное излучение помогает науке
Половина Нобелевских премий в молекулярной биологии за последние 20 лет отдана синхротронному излучению (СИ). Ученый Анатолий Снигирев рассказал, как получают рентгеновские лучи необходимых параметров и в чем преимущество проектов источников СИ четвертого поколения, реализуемых в России.
Современные исследования в археологии, геологии, химии, медицине, материаловедении и даже в области искусства также выходят на новый уровень благодаря синхротронному излучению. Ученые со всего мира, представляющие самые различные области наук, буквально стоят в очередях, чтобы получить время на СИ. Большинство зарубежных и российских центров работают с источниками СИ второго и третьего поколения, тогда как задачи исследователей требуют уже четвертого.
Сегодня в России, в соответствии с Поручением президента, реализуется проект по созданию современных установок последнего поколения - ИССИ-4 (специализированный источник синхротронного излучения) в городе Протвино и Сибирского кольцевого источника фотонов (ЦКП «СКИФ») в новосибирском Академгородке. Последний является флагманом программы развития Новосибирского научного центра, известной как «Академгородок 2.0».
Научный руководитель направления «Когерентная рентгеновская оптика», заведующий лабораторией рентгеновской оптики Балтийского федерального университета имени И. Канта (БФУ), кандидат физико-математических наук Анатолий Снигирев рассказал, благодаря каким технологиям ученые получают рентгеновские лучи необходимых параметров, какие инновации, разработанные в лаборатории рентгеновской оптики БФУ, будут использованы при создании отечественной сетевой инфраструктуры синхротронных исследований и в чем преимущество проектов источников СИ четвертого поколения, реализуемых в России.
- Ускоритель частиц и пользовательские станции - две составляющие синхротрона. Благодаря каким технологиям и элементам установки излучение приобретает те параметры, которые нужны для научных исследований?
- Доводит пучок до потребителя (является его «транспортным средством») рентгеновская оптика, она же позволяет пользователям станций-лабораторий получать световой рентгеновский луч нужного размера, фокусировки и энергии. Эта отрасль очень сильно изменилась за последние двадцать лет: рентгеновская оптика на источниках СИ первого и второго поколения отличается от той, что сегодня используют на машинах третьего поколения.
Рентгеновский пучок стал острым, «лазероподобным», и требования к оптике возросли - в источниках СИ третьего поколения используется «чистая» оптика: исключающая любые неоднородности поверхности и объема, в том числе пыль, на которой может рассеяться когерентный пучок. И в этом случае мы говорим о когерентной рентгеновской оптике.
- Будет ли оптика на синхротронах четвертого поколения отличаться от той, что стоит на машинах третьего? Россия встала на путь создания современных источников СИ, но разрабатываются ли в стране технологии для усовершенствования оптики?
- В России эти технологии и методы уже есть, это большой плюс. Направление оптики, работающей как преломляющая линза - на просвет, - мы предложили и начали развивать в Европейском исследовательском ускорительном центре (ESFR, Гренобль) более двадцати лет назад.
Потребовалось некоторое время, чтобы эта оптика была востребована - около 20 центров СИ, включая рентгеновские лазеры на свободных электронах, начали активно применять преломляющие линзы. Пять лет назад в рамках мегагранта (принятое Правительством РФ постановление №220) моя новая команда - лаборатория рентгеновской оптики и физического материаловедения Балтийского федерального университета, где я являюсь приглашенным ученым, существенно продвинула эти технологии в России.
Мы предложили использовать алмазные линзы для первичного «горячего» пучка, разработали новые элементы формирования волнового фронта рентгеновского излучения - интерферометры и аксиконы. Эти разработки оказались ко времени: в стране решено построить машины, которым необходимы эти «забегающие вперед» технологии.
Мы делаем линзы из металлов: бериллия, алюминия и никеля. Но особое внимание уделено алмазу и кремнию. Эти материалы, можно сказать, рентгено-аморфны, то есть их структура не позволяет пучку рассеиваться, а значит, СИ используется потребителями без потерь. Такая оптика повышает разрешение и чувствительность метода в целом.
Примечательно то, что наши линзы заполняют все пространство станции: с их помощью можно довести пучок от источника до промежуточных элементов, а потом превратить его в микро- или нанопучок в зависимости от задач эксперимента - с пространственным разрешением исследовать дифракцию в структуре материалов, проводить флуоресцентный анализ и другое.
Когерентную рентгеновскую оптику можно использовать не только как инструмент для фокусировки пучка, но и как увеличительное стекло - микроскоп. Простую и изящную, ее легко монтировать в установку, не меняя структуру станции: добавлять микроскопию в те области исследований, где она не применялась, но является перспективной.
Например, благодаря такому апгрейду в исследованиях в области физики высокого давления можно смотреть не только за дифракцией, но даже заглянуть внутрь наковальни и увидеть, что происходит с материалом, выбрать область для детального исследования. С обычной оптикой сделать такое невозможно.
На станциях белковой кристаллографии при помощи линз можно проводить более прецизионный анализ белковых кристаллов. Преимущества и возможности нашей когерентной рентгеновской оптики были показаны в исследованиях на ESRF и PETRA III (DESY, Гамбург) и опубликованы в работах X-ray Microscopy Opportunities at ID 15B Beamline at the ESRF и Phase-contrast X-ray Imaging and Microscopy for Crystallographic Applications at EMBL Beamline P14 of PETRA III.
Разумеется, нам бы хотелось реализовать наши технологии и в других проектах, в том числе в Протвино и Новосибирске.
- Есть ли на данный момент какие-то договоренности или планы сотрудничества БФУ и институтов Сибирского отделения РАН в рамках проекта ЦКП «СКИФ»?
- В течение последних пяти лет мы развивали в России технологии в области когерентной рентгеновской оптики для источников синхротронного излучения четвертого поколения, накопили серьезный опыт как в научно-исследовательской, так и в производственной сфере, и сейчас просто необходимо воспользоваться временным преимуществом и внедрить наши знания в проекты ИССИ-4 и ЦКП «СКИФ».
Сегодня в мире работает полсотни ускорительных комплексов: ESRF (Франция), Diamond Light Source (Великобритания), SPring-8 (Япония), «КИСИ-Курчатов» (Россия, Москва), Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения (Россия, Новосибирск) и другие. Большинство из них использует источники синхротронного излучения третьего поколения, но практически у каждого центра есть свой проект по апгрейду источников СИ до четвертого. Например, проект ESRF-Extremely Brilliant Source (ESRF-EBS), по планам Европейского центра синхротронного излучения, будет реализован к 2022 году.
Например, с ИЯФ СО РАН и НГУ мы начали исследования по разработке алмазных линз, которые будут принимать «горячий» пучок из источника. Исторически сложилось, что в России делают самые совершенные технические алмазы, которые используются в установках по всему миру.
Например, на лазерах на свободных электронах, как в Стэнфорде (FEL), так и в Гамбурге (XFEL), стоят алмазы российского производства. В новосибирском Академгородке есть институты, которые занимаются выращиванием алмазов методом высокого давления. И поскольку алмазная оптика - один из главных элементов новых станций, то это приоритетное направление для нас.
Еще одна важная цель - научиться адаптировать свойства кристаллов к задачам новых установок, то есть научиться расщеплять пучок и выводить его одновременно на несколько станций. Совместно с ИЯФ СО РАН и НГУ эти эксперименты начнутся уже в этом году.
Отдельная задача, для решения которой также пригодится рентгеновская оптика, - это диагностика пучка. Мало построить машину, нужно доказать, что ее параметры соответствуют заявленным: методика этого процесса также основывается на работе линз. В рамках данных проектов мы будем отрабатывать собственную методику и подтверждать ее надежность.
Помимо развития технологий для российских проектов, лаборатория рентгеновской оптики БФУ будет активно принимать участие и в зарубежных. В 2019 году мы получили грант РНФ на развитие лаборатории мирового уровня в размере 120 миллионов рублей на четыре года.
Так мы стали Международным научно-исследовательским центром (МНИЦ) «Когерентная рентгеновская оптика для установок «мегасайенс». Это даст нам возможность участвовать в европейских проектах (например, уже заключены соглашения с Исследовательским центром XFEL - Рентгеновский лазер на свободных электронах в Гамбурге) и быть не только пользователями, но и участниками прорывных технологических направлений.
- Есть ли шансы, что проект ЦКП «СКИФ» в Новосибирске и вообще создание всей отечественной сетевой инфраструктуры синхротронных исследований с головной установкой ИССИ-4, НИЦ «Курчатовский институт» выведет Россию на передовой уровень в этом направлении исследований?
- Развитие синхротронных исследований, строительство синхротронных источников, началось в России, в Советском Союзе при непосредственном участии ИЯФ СО РАН. И долгое время страна занимала передовые позиции, у нас работали источники первого, второго поколения.
Потом наступил период затишья, и вот теперь у страны есть возможность сразу построить машины четвертого поколения. Почему я называю некоторое отставание преимуществом? Потому что сейчас у нас есть все необходимые технологии и мировой опыт с его достижениями, и, что немаловажно, ошибками есть возможность перегнать, не догоняя.
Европейским центрам, чтобы модернизировать свои установки до 4+, придется много провозиться с устаревшими техническими решениями, введенными в проект для задач предыдущего поколения, а от них так просто не избавиться. Наше преимущество в том, что нам не нужно избавляться от старого: мы можем сразу сделать хорошо. Это очень серьезное конкурентное преимущество. Им нужно воспользоваться.
Подготовила Татьяна Морозова, ИЯФ СО РАН.
