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

 Новосибирские физики готовят проект нового коллайдера

«...»

Расскажите о проекте коллайдера «Супер С-тау фабрика», который давно разрабатывается в ИЯФе.

Павел Логачев: Когда мы говорим о реализации таких крупных проектов, как Супер С-тау фабрика, важно понимать два момента.

Во-первых, благодаря Институту ядерной физики имени СО РАН, где с 1965 года по сегодняшний день непрерывно работает хотя бы один электрон-позитронный коллайдер, в России существует научно-техническая кооперация, способная создавать установки на встречных пучках самого высокого уровня.

Во-вторых, в основе современных технологий лежат ключевые законы физики. На коллайдерах за последние 60 лет получено 60 процентов знаний о фундаментальных принципах этой науки. Никакой другой инструмент или методика не имеют такого потенциала в открытии законов природы. Стандартная модель не случайно так называется, на теорию она не тянет. Это очень сложная конструкция, в которой много параметров. У ученых сегодня нет понимания многих физических констант. Это говорит о том, что есть более сложные законы, и когда мы их откроем, у нас появятся необозримые по масштабам возможности. Неужели Российская Федерация, имея такой задел, не захочет участвовать в развитии этого направления науки и откажется от таких возможностей?

Сегодня физики во всем мире поднимают энергию сталкивающихся пучков частиц. Проект Будущего циклического коллайдера в ЦЕРН предполагает увеличение периметра кольца с 27 до 100 километров. Но это даст увеличение энергии лишь на порядок, а необходимо гораздо больше.

 

К счастью, есть другой путь - наблюдать более тонкие прецизионные эффекты, которые требуют деликатных измерений на гораздо более низких энергиях, но с колоссальной точностью и производительностью. Коллайдеры, на которых проводятся такие эксперименты, и есть электрон-позитронные фабрики. Наибольший интерес представляют события, наблюдаемые в диапазоне энергий от 1 до 5 ГэВ для каждого пучка - как раз эту область закрывает Супер С-тау фабрика.

Собственно, и СКИФ появился потому, что мы работали над проектами таких суперколлайдеров. Это своего рода побочный продукт, хотя и очень важный. В Китае уже приняли решение о начале финансирования проекта Супер с-тау фабрики, а в России пока нет.

 

Почему проект предлагают реализовать в Сарове, хотя он разрабатывался в Новосибирске?

Павел Логачев: Это наша инициатива. Реализация проекта в Сарове позволит решить еще одну важную государственную задачу - создать кадровый резерв физиков, инженеров, технологов супервысокого уровня для ядерного оружейного комплекса страны.

А у себя в ИЯФе мы планируем создать более дешевую машину, чем Супер С-тау фабрика, на чуть более низкую энергию - проекты будут дополнять друг друга. До конца 2023 года подготовим ТЭО проекта. Первым этапом работ станет модернизация кольца ВЭПП-4 для проверки технологии столкновения пучков частиц, которая называется crab waist. Масштаб финансирования - миллиард рублей на полтора года. Если мы подтвердим, что данная методика работает и позволяет выйти на необходимые уровни светимости, будем двигаться дальше, а именно - реализовывать большой проект, рабочее название которого ВЭПП-6. По масштабам он будет сопоставим со СКИФом, в то время как С-тау фабрика - это примерно два-два с половиной СКИФа.

«...»

Опубликовано: Александр Хадаев,  «Российская газета» - 14.09.2023