«СКИФ» поможет запечатлеть изменения в структуре материалов
Рентгенодифракционное кино — так романтически называется метод, позволяющий изучать in situ быстропротекающие процессы. В Институте ядерной физики СО РАН работы по использованию синхротронного излучения (СИ) в научных экспериментах ведутся с 1970-х годов. Начало положили пионерские исследования в области биологии — в 1973-м команда Марка Мокульского из Института молекулярной биологии сделала с помощью СИ первый в мире рентгеноструктурный анализ тяжелых цезиевых солей ДНК. А в 1974 году группа Альвины Вазиной из Института биофизики АН СССР изучала с помощью СИ, как меняется структура мышцы лягушки в процессе сокращения. Это было первое стокадровое рентгенодифракционное кино с длительностью кадра 2 миллисекунды. Словом, 50 лет назад в Институт ядерной физики для экспериментов ехали первопроходцы со всего мира. К сожалению, за прошедшие годы установки ИЯФ устарели, в связи с чем, например, исследования в области биологии пришлось прекратить. Сегодня на накопителях ВЭПП-3 и ВЭПП-4 работают 13 пользовательских станций, поскольку для химиков, материаловедов, геологов, археологов СИ по-прежнему остается незаменимым инструментом исследований. Строящийся в наукограде Кольцово под Новосибирском источник 4-го поколения «СКИФ» будет включать в себя развитую пользовательскую инфраструктуру (30 станций), что даст старт новым коллаборациям вокруг синхротронного излучения.
— С помощью СИ можно кадр за кадром запечатлеть, например, как идет реакция в процессе горения, — рассказывает руководитель научного направления «Синхротронное излучение» в ИЯФ СО РАН академик Геннадий Кулипанов. — Мы нашли свою нишу в таких исследованиях, хотя работаем на источниках 2-го поколения. Например, до сих пор не побитый рекорд: команде профессора Бориса Толочко и его коллег из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН, Института гидродинамики СО РАН и наших ядерных центров (Снежинск, Саров) удалось сделать рентгеноструктурный анализ взрывных и детонационных процессов. На установке ВЭПП-4 один кадр получают за 100 пикосекунд, уникальный детектор, разработанный в ИЯФ, позволяет через 50 наносекунд регистрировать следующий кадр. С помощью столь скоростной съемки удалось уточнить процессы, происходящие во время взрыва. Так, впервые в мире сибирские ученые разработали метод малоуглового рентгеновского рассеяния с наносекундным временным разрешением — очень красиво смотрится эксперимент по исследованию пыли, образующейся в процессе взрыва. Полученные данные важны для корректировки кодов теоретических расчетов.
Начаты работы с «Росатомом» по исследованию процессов расплава и сварки многокомпонентных разнородных материалов (здесь участвуют специалисты Института теоретической и прикладной механики СО РАН). Команда Алексея Аракчеева (на фото) из ИЯФ решает проблему защиты стенок термоядерных реакторов от воздействия раскаленной плазмы, участвуя в международном проекте ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Сейчас в качестве материала первой стенки токамака планируется использовать вольфрам. Для испытания его ставят под пучок СИ на ВЭПП-4, нагревают импульсным лазером и регистрируют большую серию дифрактограмм. Картинка распространения фронта тепловой волны вполне достойна настоящего кинематографа.
— Мне очень нравится понятие «дифракционное кино», когда поэтапно и быстро фиксируют процесс, происходящий при нагреве или охлаждении материала, — добавляет ректор Новосибирского государственного технического университета доктор технических наук Анатолий Батаев. — До сих пор при защите диссертаций по материаловедению приводятся десятки дифрактограмм. Они часами снимаются на стендовых приборах — рентгеновских дифрактометрах. К сожалению, многие российские исследователи просто не имеют доступа к такому инструменту, как СИ. Специалисты НГТУ давно работают на установках ИЯФ. Однако машинного времени не хватает. Поэтому мы участвуем в конкурсах на проведение исследований на зарубежных источниках ESRF и DESY. Так, аспиранты-материаловеды НГТУ два года назад отработали 54 смены на ESRF в Гренобле. И до сих пор обрабатывают полученные результаты — такое количество информации дает этот мощный инструмент. Более того, мы разработали оборудование — машины трения — для одной из станций ESRF.
— Конкурсы на проведение исследований на современных источниках СИ организуются не даром — победителям даже оплачивают перелет и гостиницу, лишь бы загрузить установку мегасайенс высококлассными экспериментами, — поясняет академик Кулипанов. — На ESRF постоянно работают многие наши ученые. России давно необходим свой источник мирового класса. В процессе проектирования «СКИФа» команды Евгения Левичева и Николая Мезенцева заложили рекордные параметры по жесткости, интенсивности и яркости излучения. Они будут достигнуты благодаря рекордно малому эмиттансу электронного пучка в «СКИФе», а также разработанным в ИЯФ вигглерам и ондуляторам — устройствам для генерации синхротронного излучения. Первый сверхпроводящий ондулятор оригинальной конструкции, созданный в ИЯФ, будет поставлен в этом году на английский источник DIAMOND.
— Надеюсь, с запуском «СКИФа» такой современный инструмент исследования, как синхротронное излучение, станет доступен российским материаловедам, — продолжает профессор Батаев. — НГТУ в ЦКП «СКИФ» планирует участвовать в трех ипостасях. Во-первых, будем готовить инженеров, в том числе исследователей, для работы на источнике. Во-вторых, разрабатываем часть оборудования, так называемые гирдеры — устройства, обеспечивающие механическую устойчивость ускорителя, а также коллиматоры (совместный с ИЯФ проект получил поддержку РФФИ). В-третьих, собираемся курировать одну из пользовательских станций: учить студентов на реальных задачах и проводить исследования. Поскольку «СКИФ» будет работать как центр коллективного пользования и должен быть загружен сотнями исследовательских задач, решение которых продвинет науку вперед, НГТУ надеется создать вокруг себя коллаборацию материаловедов. Мы разослали предложение о сотрудничестве сорока университетам и академическим институтам, и восемнадцать организаций, среди которых Бауманский, Волгоградский технический, Томский политехнический и другие университеты, уже согласились участвовать в работе. Сейчас еще возможна «настройка» станции под будущих пользователей. Предполагается проведение исследований на различных уровнях — от нано- до макромасштабного.
Несомненно одно: исследования с использованием синхротронного излучения ведутся сегодня в первую очередь молодыми учеными. НГТУ вместе с НГУ должен стать центром подготовки кадров для будущего синхротрона. И мы уже запустили три магистерских программы для будущих исследователей и инженеров для «СКИФа»: две — на физико-техническом факультете (ФТФ) и одну — на механико-технологическом, как раз по материаловедению. В этом году состоится первый выпуск магистрантов на ФТФ.
С запуском «СКИФа» Новосибирск вновь станет точкой притяжения первопроходцев. И можно сказать с уверенностью: материаловеды среди них непременно будут.
Ольга КОЛЕСОВА
Фото Светланы Ерыгиной
Нет комментариев