Семимильными шагами близится к завершению строительство Сибирского кольцевого источника фотонов. И это укладывается в общую логику развития синхротронных и нейтронных исследований в стране.
В первой декаде апреля было принято постановление правительства о продлении до 2030 года соответствующей федеральной научно-технической программы. Синхротронные исследования и научная программа ЦКП «СКИФ» стали предметом обсуждения Президиума Российской академии наук и Научно-технического совета ФНТП.
Открывая заседание, глава РАН академик Геннадий Красников отметил несомненную актуальность развития таких исследований и создания инфраструктуры для них в деле укрепления научно-технологического суверенитета страны.
— Наш подход должен быть комплексным: вместо создания отдельных установок мегасайенс в регионах целесообразно строить национальную сеть для развития синхротронных и нейтронных исследований с диверсифицированной научной программой, — подчеркнул президент НИЦ «Курчатовский институт» член-корреспондент РАН Михаил Ковальчук, выступавший с основным докладом.
Он добавил, что через 5-8 лет Россия будет иметь лучшую в мире исследовательскую инфраструктуру в области мегасайенс, которая практически покроет всю территорию страны.
Подглядеть у природы
В комплекс установок входят два объекта за Уралом — источник «РИФ» в Дальневосточном федеральном университете, где собрана уникальная база климатических установок, и «СКИФ» в Новосибирске.
И затем в центральной части страны: ПИК, самый мощный высокопоточный исследовательский реактор в Гатчине, «СИЛА», синхротрон, соединенный с лазером на свободных электронах в Протвино (этой машине, которую планируется строить в Институте физики высоких энергий, нет в аналогов мире) плюс модернизированный источник СИ в Курчатовском институте и возрождающийся синхротрон в городе Зеленограде.
Кроме того, создается целый комплекс ядерной медицины. В заключительной фазе строительства сегодня находятся реактор ПИК и источник синхротронного излучения поколения 4+ «СКИФ». Для всех этих установок нужно утвердить комплексную программу научных исследований, на грантовую поддержку проектов которой в рамках ФНТП планируется направить 450 миллиардов рублей, чтобы наращивать таким образом собственные компетенции в критически значимых отраслях.
Михаил Ковальчук рассказал о тесном взаимодействии между РАН и Курчатовским институтом: «Именно Академия наук может обеспечить должное функционирование подобного масштабного проекта». Напомнив об указе Президента РФ о развитии природоподобных технологий, докладчик заметил, что лучший способ создать, например, новые материалы — подглядеть «стартовые моменты» у природы, исследовав строение материалов на атомарном уровне. И здесь поможет самый совершенный на сегодня синхротрон «СКИФ».
Вице-президент НИЦ «Курчатовский институт» член-корреспондент РАН Александр Благов в своем выступлении уточнил количество задуманных установок:
— Всего будут 12 инфраструктурных объектов: 5 источников синхротронного излучения, включая два источника четвертого поколения, два источника нейтронов на основе реакторов и ускорителей и пять объектов распределенного Центра ядерной медицины.
Ускоряя ускоритель
Директор Института катализа СО РАН, ставшего заказчиком и застройщиком крупнейшего сибирского проекта мегасайенс, академик Валерий Бухтияров отметил, что работы по сооружению «СКИФа» ведутся в хорошем темпе: на площадке в две смены трудятся до 1500 строителей. Примечательно, что в зимние и летние каникулы на площадки выходили помогать студенческие отряды.
Напомним читателю, что строительство ЦКП «СКИФ» ведется с 2019 года. Комплекс из 34 зданий возводится на территории 30 га, общая площадь застройки — 86,8 тысячи кв. м. Диаметр кольцевого здания основного накопителя электронов, являющегося источником синхротронного излучения, — 240 метров, этот объект не имеет аналогов в мире. В экспериментальном зале будут расположены 30 станций, шесть из которых запустят в декабре 2024 года.
В двадцатых числах мая первые два здания, в том числе инжектора, должны передать Институту ядерной физики СО РАН для монтажа технологического оборудования. Что касается самого оборудования, сегодня степень готовности инжекционного комплекса — 97%, основного накопителя — свыше 60%.
На площадке ИЯФ СО РАН начался тестовый крупноблочный монтаж магнитов и вакуумных камер на специальные подставки-гирдеры для накопителя «СКИФ». Но основной объем работ должен быть выполнен в корпусе стендов и испытаний в непосредственной близости от здания накопителя.
Генеральным конструктором установки и поставщиком оборудования ускорительного комплекса стал ИЯФ СО РАН. Его директор академик Павел Логачев подчеркнул, что работать пришлось в сложных условиях: даже заключенные контракты были отменены из-за наложенных санкций. Однако институт перестроился и в итоге стал третьим в мире после Стэнфордского центра линейных ускорителей и компании Toshiba (Canon) производителем клистронов — 60-мегаваттных энергоусилителей, которые обеспечивают движение пучка синхротронного излучения.
В генерации пучка беспрецедентной яркости помогают специализированные сверхпроводящие многополюсные магнитные устройства (вигглеры и ондуляторы), разработанные и изготовленные в ИЯФ СО РАН с помощью предприятий-партнеров.
— Наш опыт и технологии, которые мы к нынешнему времени создали в России, позволяют решить все задачи в рамках программы синхротронных исследований. Все элементы у нас в руках, и они отечественные, — с гордостью резюмировал Павел Логачев.
Они будут первыми
Состояние работ по экспериментальным станциям представил заместитель директора ЦКП «СКИФ» доктор физико-математических наук Ян Зубавичус.
Первые шесть экспериментальных станций позволят проводить исследования в широком научном диапазоне.
Станция «Микрофокус» откроет возможности для изучения нанообъектов, микроэлектроники, субклеточной структуры. Станция «Структурная диагностика» позволит изучать материалы, необходимые для энергетики, структуру белков и вирусов, а также найдет применение в решении задач химии и катализа.
На станции «Быстропротекающие процессы» будут работать со взрывами, динамическими процессами и деформацией материалов. Станция «XAFS-спектроскопия и магнитный дихроизм» предназначена для исследования локальной, пространственной, электронной и магнитной структур кристаллических и аморфных материалов, молекулярных кристаллов, примесей в сплавах, тяжелых элементов в биологической матрице с содержанием анализируемого элемента до 0,001%, а также жидкостей и газов.
На станции «Диагностика в высокоэнергетическом рентгеновском диапазоне» будут решаться научные задачи медицины, материаловедения, археологии и палеонтологии. Станция «Электронная структура» с помощью фотоэлектронной спектроскопии даст возможность проводить исследования в области функциональных материалов, микроэлектроники, химии и катализа.
Концепцию исследований для этих станций предложили неформальные лидеры — институты СО РАН. Например, инициатором станции «Микрофокус» стал Институт геологии и минералогии, в исследованиях быстропротекающих процессов (в частности, взрыва) заинтересован Институт гидродинамики, а диагностику в высокоэнергетическом рентгеновском диапазоне продвигает ИЯФ СО РАН с учетом опыта работы на ускорителях ВЭПП-3 и ВЭПП-4.
Что касается станций под кодовыми номерами 1.2, 1.4 и 1.6, то они представляют собой логически связанный комплекс исследовательских инструментов для химического материаловедения, решения задач исследования катализаторов, функциональных материалов, электродных материалов для литий-ионных аккумуляторов, водородной энергетики, и курирует их Институт катализа.
Президиум РАН научную программу ЦКП «СКИФ» одобрил.
— В 2023 году мы провели опрос возможных пользователей по всем шести станциям первой очереди и выяснили, что спрос на количество рабочих часов значительно превышает предложение.
Мы получили ответы от 50 научных и образовательных организаций с формулировками ключевых направлений исследований и сейчас систематизируем информацию. 25 июня на конференции в ИЯФ СО РАН должно состояться первое рабочее совещание пользователей ЦКП «СКИФ», там мы планируем сформировать ассоциацию пользователей и сформулировать стратегию движения: самые глобальные направления, возможности для сотрудничества по интересам, — рассказал Ян Зубавичус корреспонденту «Поиска».
С учетом запросов индустрии
Мировая практика показывает, что создание установок мегасайенс движет вперед не только науку, но и технологии. И 24 апреля в Министерстве науки и высшего образования РФ состоялось совещание о перспективах работы сибирской установки с индустриальными партнерами.
— Работу по привлечению представителей отраслей промышленности к участию в исследованиях и разработках на базе Центра коллективного пользования «СКИФ» необходимо поставить на плановую основу.
По мере развития центра в индустриальном сообществе будет формироваться осознание перспектив взаимодействия, что приведет к углублению сотрудничества, в том числе в части создания новых станций, — отметил заместитель министра Денис Секиринский.
В работе совещания приняли участие представители ведущих российских компаний из отраслей нефтедобычи и переработки, биофармацевтики, машиностроения: «Газпромнефть — промышленные инновации», «Газпромнефть — научно-технический центр», «СИБУР Холдинг», «Биокад», «Редкинский катализаторный завод», «ЭФКО» и др.
Компании заинтересованы в проведении совместных прикладных исследований, аренде времени использования излучения для научных работ, а также в софинансировании создания станций под конкретные научные задачи.
Академик Бухтияров подчеркнул, что ЦКП «СКИФ» позволит проводить передовые исследования с яркими и интенсивными пучками рентгеновского излучения во множестве областей — химии, физике, материаловедении, биологии, геологии. Ранее такие эксперименты российские ученые проводили преимущественно на зарубежных источниках.
Станция как микроскоп
Постановление о продлении ФНТП развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры дало надежду на скорое строительство станций второй очереди ЦКП «СКИФ».
Под номером 2.1 числится «Инженерное материаловедение», инициатором которой выступает Новосибирский государственный технический университет.
— На самом деле хотелось бы создать две станции, поскольку они хорошо друг друга дополняют, — комментирует заведующий научно-исследовательской лабораторией физико-химических технологий и функциональных материалов НГТУ НЭТИ доктор технических наук Иван Батаев. — Станция под номером 2.1 — первая из запланированных во второй очереди. Там мы будем исследовать материалы с помощью фотонов высоких энергий (от 30 до 100 кэВ).
Такая энергия нужна, чтобы «просвечивать» материалы, преимущественно металлические, и смотреть, что происходит внутри в процессе внешних воздействий — нагрева, деформации, синтеза.
Характерный размер образцов для этой станции — от 100 микрометров до нескольких сантиметров. Они сопоставимы с деталями, которые использует сегодня промышленность. Вторая станция дала бы нам возможность вести более тонкие исследования — на субмиллиметровом, микронном и даже субмикронном уровнях.
Электронные микроскопы давно известны, а вот аналог такого микроскопа в виде специализированной станции синхротронного излучения — инструмент пока уникальный. Но очень удобный для материаловедов: когда мы работаем с материалами на субмикронном уровне, основная проблема заключается в том, чтобы понять, какую именно область материала мы исследуем. Увидеть на образце точечку, куда падает рентгеновское излучение, крайне тяжело. И мы пытаемся разработать методику, как «поймать» и контролировать эту область на субмикронном уровне.
Материаловедение — наука о структуре материала, а эта структура строится на нескольких уровнях: от атомарного масштаба до макроскопических размеров (десятки сантиметров и метры конструкции).
Нам бы хотелось максимально перекрыть весь этот диапазон в своих исследованиях. У станции 2.1 недавно появились аналоги на нескольких источниках — в Великобритании, США и Австралии. В этом смысле нам легче — можем посмотреть, где ошиблись первопроходцы, и подправить с конструкторской точки зрения.
Что касается «синхротронного микроскопа», мы сами станем первопроходцами, аналогов в мире нет, и опереться нам не на что.
Вокруг «синхротронного микроскопа» уже сложилась международная коллаборация, состоящая из российских ученых, работающих в Великобритании (синхротрон Diamond Light Source), Германии (Европейский лазер на свободных электронах XFEL) и других установках мегасайенс. А к ним присоединились представители отечественных университетов и академических институтов. Новый инструмент, безусловно, нужен многим исследователям. Удастся построить такую станцию — это будет реальный прорыв.
Ольга КОЛЕСОВА
Фото: minobrnauki.gov.ru
Нет комментариев