Директор ЦКП СКИФ рассказал "РГ" об уникальных возможностях синхротрона 

 

В наукограде Кольцово (Новосибирская область) завершается строительство объекта класса мегасайенс - Центра коллективного пользования "Сибирский кольцевой источник фотонов" (ЦКП СКИФ). Фотоны синхротронного излучения (СИ) будут испускаться при торможении в магнитном поле электронов, летящих с околосветовой скоростью в вакууме по накопительному кольцу с длиной окружности почти пятьсот метров.

 

Источник СИ четвертого поколения, каким является ЦКП СКИФ, предоставит уникальные возможности для ученых из разных сфер науки и технологии - от химиков и геологов до археологов и медиков. СКИФ во многом предопределит развитие научных исследований в новосибирском Академгородке на десятилетия вперед. В проекте запланировано создание тридцати экспериментальных станций различного назначения - от исследования механизмов работы катализаторов (важнейшая задача для химической промышленности) и быстропротекающих процессов до изучения вирусов (в том числе особо опасных инфекций) и рентгеновской голографии (пока в перспективе).

О проекте рассказывает его руководитель - директор ЦКП СКИФ, замдиректора Института ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН по научной работе, член-корреспондент РАН Евгений Левичев.

 

 - Почему ученые всего мира выстраиваются в очередь на эксперименты с источниками синхротронного излучения, чем оно их так привлекает?

Евгений Левичев: Для того чтобы исследовать структуру любого вещества на молекулярном или атомном уровне, нужно на него воздействовать какими-нибудь зондирующими частицами соответствующего "размера" (или энергии). И это удобно делать с помощью фотонов. Для решения задач, представляющих интерес для исследователей, нужны фотоны с разной энергией - от одного электронвольта до сотен тысяч. СИ имеет широкий спектр - от инфракрасного до очень жесткого рентгеновского диапазона. И каждую экспериментальную станцию или методику мы можем настроить на необходимую энергию: на одной будут изучать длинные белковые молекулы, на другой - атомную структуру катализатора, на третьей - просвечивать лопасти турбины авиа-двигателя (для этого нужны очень жесткие гамма-кванты), чтобы понять, где и как в ней возникают напряжения, грозящие разрушением. Отсюда и мультидисциплинарность.

Второй момент: для получения высокого разрешения, особенно микро- и нанообъектов, нужно, чтобы на образец падало как можно больше фотонов. От этого зависит время экспозиции - на рентгеновской трубке вы будете делать снимок целый год, а на источнике СИ, где интенсивность и яркость на много порядков больше, это займет лишь секунду.

 

 - Это позволяет изучать быстропротекающие процессы, что невозможно другими методами. А как снимают кино "из жизни молекул и атомов"?

Евгений Левичев: Структура излучения СИ периодическая - электроны, испускающие фотоны при торможении в магнитном поле, летят короткими сгустками примерно в сантиметр длиной. Последовательностью таких импульсов СИ можно управлять в пределах от нано- до микросекунд. Можно снимать отдельные кадры через очень короткие промежутки времени, при этом временной интервал можно подстраивать под скорость процесса. Например, изучать, как происходит взрыв или перегорает предохранитель.

Еще одно уникальное свойство СИ - поляризация. Это позволяет изучать физические эффекты, связанные со спиновой структурой атомов образца, что важно для исследования, например, полупроводников или магнитных материалов.

 

 - В прессе СКИФ иногда называют "большим рентгеновским микроскопом", но ведь его возможности намного шире - тут и элементный анализ, и томография, и многое другое.

Евгений Левичев: Действительно, "микроскоп" позволяет получить просто картинку, пусть в рентгеновском диапазоне, а возможности СИ гораздо шире - дифракционный анализ, спектроскопические исследования, поглощение фотонов, возбуждение люминесценции или флуоресценции атомов изучаемого вещества и т. д. Исследовательских методик десятки. Например, можно нацелиться на определенный элемент и определить, какие атомы и как расположены вокруг него. Или провести микроэлементный анализ с очень высокой точностью - до десяти в минус седьмой степени по концентрации. Источник СИ - это настоящий "мультитул" - в нем есть спектрометр, микро(и даже нано)скоп, сверхскоростная рентгеновская кинокамера и много чего ещё.

 

СКИФ спроектировали специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, они же изготавливают и монтируют ускорительное оборудование. Откуда в ИЯФе столько уникальных компетенций?

Евгений Левичев: В годы перестройки финансирование науки рухнуло. Но директор ИЯФ - академик Александр Николаевич Скринский тогда сказал: "Мы не просто выживаем - мы, несмотря ни на что, развиваемся. Нужно зарабатывать самим, чтобы были деньги на развитие, - ищите контракты". И мы стали работать по контрактам, среди которых были разработки и создание источников СИ и их систем. Не сразу и не легко, но удалось заработать репутацию и имя на рынке. Наши специалисты работали по всему миру - в Испании, Италии, Германии, Франции, США. Это помогло накопить современные знания и натренировать команду. А когда Россия смогла позволить себе затраты на такие масштабные установки как СКИФ, то оказалось, что у нас есть для этого специалисты, технологии, опыт и компетенции. И мы сделали хороший (как я считаю) проект и сейчас воплощаем его в жизнь.

 

 - СКИФ - самый масштабный проект не только для сибирской науки, но и для экономики региона. Укладываются ли в график строители, и когда сдача в эксплуатацию?

Евгений Левичев: Все здания и сооружения комплекса находятся в высокой степени готовности. В декабре 2025-го планируем технологический пуск - получение циркулирующего пучка электронов в накопительном кольце и вывод СИ на первую экспериментальную станцию (на ней будут работать ученые Института катализа СО РАН имени Г. К. Борескова). А запуск в полноценную эксплуатацию состоится в следующем году уже с шестью станциями первой очереди.

В декабре прошлого года был запущен линейный ускоритель - первая часть комплекса. Начали работать с пучком в бустере, ближайшая цель - замкнуть оборот на энергии 200 МэВ и получить устойчивый электронный пучок, длительное время циркулирующий в бустере. А в июне мы выйдем на проектную энергию бустерного синхротрона - три ГэВ.

Тем временем идут работы в накопительном кольце. Тоннель уже готов, геодезисты разбросали в нем свою сеть датчиков, промерили все с нужной точностью. Сейчас идет разметка пола тоннеля - подготавливаются места, где надо установить 112 больших подставок с магнитами. Первую такую подставку специалисты ИЯФ уже собирают. Работа сложная - магнитные элементы должны быть позиционированы друг относительно друга с точностью до тридцати микрон.

 

 - Сначала предполагалось, что в проекте будут участвовать западные компании, но из-за санкций этого не произошло. Насколько это задержало сроки реализации?

Евгений Левичев: Несомненно, задержало, хотя трудно оценить, насколько. Сложнее всего было импортозаместить клистрон - мощный высокочастотный генератор ускоряющего электромагнитного поля в линейном ускорителе. Это прибор подобный магнетрону в микроволновке, только в сто тысяч раз мощнее - на пятьдесят МВт. В мире их изготавливают всего три фирмы - "Талес" (Франция), "Кэнон" (Япония), Стэнд-фордский университет (США). У нас был контракт на поставку с Японией, но его не исполнили из-за санкций.

В итоге сегодня на линаке СКИФ работают клистроны разработки ИЯФ. И в дальнейшем при создании линейных ускорителей на них можно будет устанавливать наше отечественное оборудование. Например, для источника синхротронного излучения "РИФ" на Дальнем Востоке. Или в проекте "СИЛА" Курчатовского института в Протвино, где будет длинный линейный ускоритель - понадобится много клистронов.

 

 - СКИФ придаст новый импульс развитию Академгородка. Но не только - в нем участвуют и организации из многих регионов.Евгений Левичев: Когда проект начинался, то сомнений, что ИЯФ сделает ускоритель, не возникало - похожие мы делали, и не раз. Но в стране не было опыта создания современных экспериментальных станций и нужного для них оборудования - каналов вывода, монохроматоров, детекторов и т. д. На этот счет были опасения, но на удивление быстро нашлись те, кто стал решать эти проблемы. Среди них - Институт гидродинамики СО РАН, Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, Институт сильноточной электроники СО РАН и госуниверситет в Томске, Балтийский университет в Калининграде и другие.

Я считаю, что это было смелое решение их руководства - взяться за то, что никогда раньше не делали. И к концу года шесть экспериментальных станций первой очереди будут готовы.

Это больше чем импортозамещенное высокотехнологичное оборудование. У нас появилась инфраструктура, которая пригодится в дальнейшем. И одна из задач - не растерять ее. Сейчас, когда коллективы сложились, научились работать, встает вопрос: будут еще заказы или уже все, и команды придется расформировывать? Впереди на СКИФе еще 24 станции - нужно получить финансирование, чтобы созданные коллективы инженеров и ученых продолжали работать.

 

 - А когда планируется построить все тридцать станций?

Евгений Левичев: Трудно сказать, поскольку это развивающийся процесс. У нас десять-пятнадцать следующих станций прорабатываются, но мы намеренно не стремимся фиксировать планы - это может оказаться бессмысленным. Исключительные параметры СКИФ, вне сомнения, приведут к появлению новых методик и станций, которые сейчас трудно вообразить. В источниках СИ четвертого поколения, обладающих максимально сфокусированными пучками, у излучения появляется новое свойство - когерентность как у лазера, но в рентгеновском диапазоне. И это позволяет придумывать новые эксперименты, например, по рентгеновской голографии, невозможные на источниках СИ предыдущего поколения.

 

 - Кто из международных партнеров участвует в проекте?

Евгений Левичев: Месяц назад у нас была делегация Национальной академии наук Беларуси. Они очень хотят сделать свою станцию, уже и название есть - "БелСИ", но пока нет финансирования. Чтобы не стоять на месте, мы договорились создать совместную лабораторию. На СКИФе выделим для них помещение и оборудование. Белорусские исследователи будут приезжать и работать на наших станциях. Договор готов, рассчитываем его подписать на форуме "Технопром-2025", который пройдет в конце августа в Новосибирске.

Также специалисты из Индии, Китая, Вьетнама проявляют интерес к проекту. Мы специально не интенсифицируем тему международного сотрудничества, поскольку считаем, что сначала источник нужно запустить, чтобы было, что показывать потенциальным партнерам не на бумаге, а в реальности.

 

 - Столь масштабный проект потребует притока кадров, их уже готовят?

Евгений Левичев: Конечно, и не только в НГУ и НГТУ. Сотрудничаем также с ТГУ. Недавно были в Красноярске в Сибирском федеральном университете. Присоединяются и другие вузы - из Калининграда, Ростова. В общем, есть где готовить кадры.

 

 - А где будут жить будущие сотрудники СКИФа?

Евгений Левичев: Обсуждаем разные варианты - от покупки служебного жилья в Кольцово до льготной ипотеки. Такая большая фабрика знаний, как современный источник СИ, часто формирует вокруг себя технопарки, научные городки, зоны развития и научного туризма и т. д. Обсуждается строительство научно-образовательных корпусов НГУ и НГТУ. Но пока это больше в планах. Сейчас наш приоритет - запустить СКИФ и начать эксперименты.

 

 - Последний вопрос: будет ли СКИФ, помимо всего прочего, иметь важное значение для укрепления обороноспособности страны?

Евгений Левичев: Безусловно. Ведь многие современные технологии, материалы, сплавы, химические соединения используются в современных вооружениях.

 

Опубликовано: Алексей Хадаев,  «Российская газета» - 10.06.2025

 

В Центре коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (ЦКП «СКИФ») запустили бустерный синхротрон и провели первые эксперименты с пучком электронов. Частицы сделали два полных оборота: это показывает, что все системы инжекционного комплекса, который состоит из линейного ускорителя и бустерного синхротрона, работают штатно. Обороты пучка зарегистрированы, в том числе с помощью синхротронного излучения, которое позволяет измерить его параметры. В течение июня ученые планируют ускорить пучок до проектной энергии 3 ГэВ.

 

Инжекционный комплекс, в котором формируется пучок с необходимыми параметрами ― основа СКИФ. Электроны рождаются в линейном ускорителе, группируются в пучок, получают первоначальное ускорение и энергию 200 МэВ. Затем пучок поступает в кольцевой бустерный синхротрон, где разгоняется до рабочей энергии 3 ГэВ и отправляется в основной накопитель. Строительство и наладка оборудования основного накопительного кольца ― следующий этап работы, более сложный, чем запуск бустерного синхротрона, рассказал корреспонденту «Научной России» директор ЦКП СКИФ член-корреспондент РАН Евгений Левичев.

 

«К концу этого года мы должны обеспечить технологический запуск ЦКП СКИФ. К этому времени мы планируем собрать накопительное кольцо и инжектировать в него первый пучок из бустера. При этом сборка накопительного кольца ― задача гораздо более сложная, чем создание и запуск бустерного синхротрона. Бустерный синхротрон ― это достаточно стандартная установка, которую специалисты ИЯФ СО РАН уже запускали, выполняя работы для Брукхейвенской национальной лаборатории. Основное накопительное кольцо ЦКП СКИФ ― это абсолютно новая установка с передовыми параметрами. Такого еще никто не делал, поэтому запустить еёё будет гораздо сложнее», ― рассказал Евгений Левичев.

 

ЦКП СКИФ ― проект класса мегасайенс с синхротроном поколения 4+. Евгений Левичев отметил, что первый источник синхротронного излучения, который можно отнести к четвертому поколению ― это установка MAX IV в Лундском университете Швеции, созданная в 2006 г. Но эмиттанс ЦКП СКИФ меньше, чем у MAX IV в четыре раза. Это значит, что можно получить яркость излучения (основной параметр эффективности источника) существенно выше, а значит, проводить эксперименты гораздо быстрее.

 

«Из  “одноклассников” СКИФа, то есть источников синхротронного излучения четвертого поколения с энергией электронного пучка 3 ГэВ, у нас пока лучшие параметры (предполагается получить). Более высокая яркость ― величина, которая показывает, сколько полезных фотонов достигает образца микронных размеров, находящегося в 50-100 метрах от источника ― позволяет более эффективно проводить эксперимент. Фактически, делать подобные исследования можно и на рентгеновской трубке, но на процессы, которые на СКИФе займут секунду, там потребуется 10 лет. Кроме того, с увеличением яркости появляются новые качественные отличия. То, что можно будет исследовать на нашей установке, принципиально невозможно увидеть на предыдущих. В этом заключаются и новые проблемы: пока мы не можем предугадать новые методики, например, связанные с когерентностью излучения, нам только предстоит их развивать. Мы вступаем в область неизведанного, поэтому, возможно, со временем ЦКП СКИФ позволит проводить совершенно новые эксперименты, которые невозможны на установках предыдущих поколений», ― рассказал Евгений Левичев. 

 

Ученый добавил, что научная программа, которая будет проводиться на шести станциях первой очереди, сформирована. Но в проект также входят 24 станции второй очереди, которые построят в следующие годы. Научному комитету ЦКП СКИФ предстоит определиться с направлениями исследований, которые будут проходить на этих станциях.

 

Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ 

 

 Источник: Александр Бурмистров, портал «Научная Россия»- 23.05.2025 

 

Примечание публикатора: итак, к концу года, надо надеяться, должна заработать вся цепочка, начнётся наладка всего источника синхротронного излучения поколения 4+

(таких в мире единицы, см.  https://ru.wikipedia.org/wiki/Список_источников_синхротронного_излучения)

 

Начался монтаж ускорительного комплекса в готовых помещениях ЦКП СКИФ

 

 

Системы линейного ускорителя электронов ЦКП СКИФ (линака) призваны произвести пучок и ускорить его до энергии 200 мегаэлектрон-вольт (МэВ). Затем пучок транспортируется в бустерный синхротрон, где происходит дальнейшее ускорение до 3 000 мегаэлектрон-вольт (3 ГэВ). Линейный ускоритель и бустерный синхротрон составляют инжекционный комплекс ЦКП СКИФ и размещаются в отдельно стоящем здании, что позволяет проводить пусконаладочные работы с пучком электронов без остановки строительства других объектов.

 

«Поскольку перед нами стоит задача запустить инжекционный комплекс в 2024 году, мы начали его сборку, не дожидаясь окончательной готовности здания инжектора СКИФ. По-другому просто нельзя, потому что каждый день дорог, строители это понимают и идут нам навстречу. Нам необходимо максимально ускорить процесс, но при этом не навредить качеству сборки. Оборудование линака — это самая сложная часть комплекса. Сложнее, возможно, только некоторое оборудование станций, где будут использованы суперпрецизионные и тонкие приборы. Тренировка ускоряющих структур, предварительная подача в них номинальной мощности, получение первых пучков электронов — эта работа была проделана в прошлом и текущем годах, и это позволит быстрее запустить линейный ускоритель. То же касается и бустерного синхротрона. Тоннель еще не готов, но мы уже вовсю работаем в этом помещении, устанавливаем пьедесталы под гирдеры и готовим коммуникации к максимально быстрому монтажу, подключению и тестированию оборудования. Таким образом, работы по поставке и монтажу оборудования для ускорительного комплекса СКИФ ведутся не последовательно, а параллельно», — прокомментировал директор ИЯФ СО РАН академик Павел Владимирович Логачев.

 

В профильном помещении здания инжектора началась сборка первого оборудования линейного ускорителя — магнито-вакуумной системы канала транспортировки пучка из линака в бустерный синхротрон. Такая последовательность сборки (с «хвоста» к началу) продиктована логистикой доставки оборудования: начальная часть линейного ускорителя будет перевезена из ИЯФ СО РАН и смонтирована последней. Также в помещении полным ходом идет установка опор под другое оборудование линейного ускорителя.

 

«Как и все системы ЦКП СКИФ, оборудование линейного ускорителя должно быть установлено в проектное положение с высочайшей точностью. Поэтому предварительно специалисты создали опорную прецизионную геодезическую сеть, которая на финальном этапе покроет все помещения ЦКП СКИФ и позволит собрать все элементы комплекса, разбросанные на сотни метров, с требуемыми допусками», — рассказал директор ЦКП СКИФ, заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе член-корреспондент РАН Евгений Борисович Левичев.

 

В соседнем с залом линака помещении — «клистронной галерее» — готовится размещение мощных высокочастотных генераторов-клистронов и высоковольтных импульсных модуляторов, необходимых для обеспечения работы линейного ускорителя. Это уникальное оборудование, которое планировалось приобрести за рубежом, но из-за санкционных ограничений в экстренном порядке было разработано в ИЯФ СО РАН. Устройства ИЯФ СО РАН не уступают, а по ряду параметров превосходят зарубежные аналоги. За разработку клистрона научный коллектив ИЯФ СО РАН был награжден Государственной премией Новосибирской области 2024 года. 

 

«Следующий важный этап — сборка основного кольца. Как только здание будет соответствовать необходимым условиям, таким как температура, влажность и чистота, мы сразу же начнем сборку», — добавил Павел Логачев.

 

Опубликовано: Пресс-служба СКИФ - 22.08.2024