Лучи притяжения

Установки класса мегасайенс объединяют ученых

 

В  Послании Федеральному Собранию президент страны упомянул о решении Совета по науке и образованию (февраль 2018) создать мощный источник синхротронного излучения в Новосибирском академгородке. Если намерение построить установку мегасайенс не останется на бумаге, Академгородок вновь может стать центром притяжения российских и международных исследовательских коллективов, как это уже было в 1970-е, когда в мире работало всего три подобных ускорителя – в Гамбурге (Германия), в Стэнфорде (США) и в Сибири – в Институте ядерной физики СО РАН. 

 

Первым зафиксированным в истории упоминанием синхротронного излучения (СИ) можно считать свечение Крабовидной туманности, рождение которой связано с взрывом сверхновой звезды и описано японскими и китайскими монахами в хрониках 1054 года – за 900 лет до появления синхротронов. “Рукотворное” синхротронное излучение впервые наблюдали в США на синхротроне компании “Дженерал Электрик” в 1947 году, а затем и на советских синхротронах в ФИАН.

Собственно говоря, СИ – излучение релятивистских электронов в магнитном поле (в случае Крабовидной туманности – в межзвездном магнитном поле), а синхротронным его стали называть в честь установки, на которой его впервые наблюдали. В Институте ядерной физики работы по использованию синхротронного излучения в научных экспериментах ведутся с начала 1970-х годов. Сегодня на накопителях ВЭПП-3 и ВЭПП-4 работают 13 пользовательских станций, поскольку для физиков-ядерщиков синхротронное излучение – побочный продукт, возникающий при работе ускорителей, а для химиков, биологов, материаловедов, геологов, археологов – незаменимый инструмент исследований.

 

     Физики, создававшие накопители заряженных частиц для экспериментов на встречных пучках, конечно,   понимали достоинства синхротронного излучения, поскольку благодаря СИ мы получаем плотные пучки   электронов и позитронов и высокую светимость установок, – рассказывает директор Сибирского центра   синхротронного и терагерцового излучения, советник РАН академик Геннадий Кулипанов (см.).

  – Но первыми, кто обратил внимание на возможности использования СИ в других науках, были немцы.

   В 1971   году на синхротроне DESY в Гамбурге с помощью пучка синхротронного излучения впервые сделали   рентгеноструктурный анализ мышцы лягушки. На всю процедуру ушло 12 минут, а на рентгеновской трубке   подобный анализ занимал 24 часа. Потенциальные достоинства нового метода были настолько очевидны, что   Европейская молекулярно-биологическая лаборатория предложила строить специальный бункер для работ на   DESY, о чем стало известно и нашим биологам.

Профессор Марк Мокульский из Института молекулярной биологии АН СССР (Москва) обратился к президенту АН СССР Анатолию Александрову с предложением провести подобные эксперименты в Советском Союзе, Александров в свою очередь запросил ИЯФ. Мы быстро сделали канал вывода рентгеновского СИ из накопителя ВЭПП-3 через бериллиевую фольгу в атмосферу, полюбовались синей полосой светящегося ионизированного воздуха по 10-метровой траектории пучка СИ и даже… провели первый биологический эксперимент. Помню, взяли мы с Александром Николаевичем Скринским бабочку, поместили в полиэтиленовый пакет и подставили под пучок излучения. К сожалению, насекомое умерло мгновенно. 

 

С приехавшим вскоре профессором М.Мокульским мы обсудили экспериментальные возможности СИ. Его интересовало изучение тяжелых цезиевых солей ДНК, поскольку на рентгеновской трубке подобные эксперименты занимали очень много времени. Первый в мире рентгеноструктурный анализ ДНК с помощью синхротронного излучения был сделан командой Мокульского в Институте ядерной физики в 1973 году. А в 1974 году группа профессора Альвины Вазиной из Института биофизики АН СССР (Пущино) повторила эксперимент немцев с рентгеноструктурным анализом мышцы лягушки, но с лучшими временными параметрами – всего за 1 секунду, так как немцы работали на импульсном синхротроне, а мы сразу на накопителе электронов ВЭПП-3. После этого наши детекторщики сделали однокоординатный детектор, и мы научились снимать один кадр за 2 миллисекунды, что было абсолютным мировым рекордом. Команды М.Мокульского и А.Вазиной в то время “гремели” на всех международных биологических конференциях. 

После этих пионерских работ к исследованиям с помощью СИ подключились и наши земляки – в 1975 году сотрудники Института неорганической химии во главе с Львом Мазаловым и Ефимом Глускиным сделали прецизионный эксперимент на накопителе ВЭПП-2М по ультрамягкой рентгеновской спектроскопии многоатомных молекул. Эта работа тоже вошла в число классических. Количество рабочих групп ежегодно увеличивалось, число пользователей выросло до нескольких десятков – это были институты из Новосибирска, научные группы из Москвы, Свердловска, Тарту, ученые из ГДР, чехи, французы, венгры, англичане. 

 

С последними связана особая история. Сегодня – в период санкций и новых политических “обострений” между Россией и Западом – уместно вспомнить, как в 1975 году, в разгар “холодной войны”, британский премьер-министр Гарольд Вильсон и глава советского правительства Алексей Косыгин подписали соглашение о научном, культурном и техническом сотрудничестве. К большому нашему удивлению, отдельным пунктом в соглашении значилось сотрудничество в области синхротронного излучения. Впоследствии мы узнали, что этот пункт внесла английская сторона – незадолго до подписания соглашения в ИЯФ были проведены нашумевшие эксперименты профессора М.Мокульского. В Англии тогда работал лишь старенький синхротрон NINA, а в Институте ядерной физики в 1973 году появился канал синхротронного излучения на накопителе ВЭПП-3, с яркостью на несколько порядков больше, чем у британского синхротрона, и жестким рентгеновским спектром. Пункт о советско-британском сотрудничестве в области СИ включал следующие разделы: проведение совместных семинаров – два раза в год стороны собирались в Англии и в СССР для обсуждения экспериментов; работу английских команд в ИЯФ на накопителе ВЭПП-3; участие в конференциях и семинарах, проводимых на территории обеих стран.

При Президиуме АН СССР тогда работала комиссия по синхротронному излучению во главе с академиком Виталием Гольданским. Заместителем председателя был Сергей Капица, в работе участвовали представители академических институтов – так, от ИЯФ в комиссию вошли А.Будкер, А.Скринский и я. В 1976 году в Новосибирский академгородок приехала английская делегация, в состав которой входили профессора практически всех крупных университетов Великобритании. И сотрудничество началось. Совместные эксперименты проводились около трех лет: команды английских исследователей приезжали месяца на полтора и работали на ВЭПП-3 практически круглосуточно, осваивая новые методы. Скажем, в первый приезд элементный анализ они не применяли, но потом увидели на примере российских коллег, какие интересные эксперименты позволяет проводить флуоресцентный элементный анализ, и сразу же включили его в свой багаж. 

Наши страны тогда разделял “железный занавес”, но, благодаря соглашению о научном сотрудничестве, более 50 сотрудников института смогли впервые съездить за границу, в Великобританию. Синхротронное излучение было новым направлением исследований, и англичане активно его развивали вместе с советскими учеными.  

Хочу подчеркнуть, что синхротронное излучение остается незаменимым инструментом во многих исследованиях. Метод скоростной рентгеновской дифрактометрии сначала обеспечивал получение одного кадра за 100 микросекунд, что позволило выяснить, как идет реакция в процессе горения. От сотен микросекунд перешли к микросекундам. И сегодня наш рекорд, который до сих пор не “побит”, – это рентгеноструктурный анализ взрывных и детонационных процессов (выполняет команда профессора Б.Толочко и его коллег из ИХТТиМ СО РАН, Института гидродинамики СО РАН и наших ядерных центров – в Снежинске и Сарове). На установке ВЭПП-4 один кадр получают за 100 пикосекунд, причем уникальный детектор, разработанный в ИЯФ, позволяет через 50 наносекунд регистрировать следующий кадр. С помощью столь скоростной съемки удалось уточнить многие процессы, которые происходят во время взрыва. После нас подобные эксперименты начались в Аргонской лаборатории (ANL, США), но мы до сих пор держим лидерство. 

Развиваются и другие методы, например рентгенофлуоресцентный анализ элементного состава объектов. Когда мы облучаем какой-то образец, каждый атом начинает флуоресцировать на своей длине волны – процесс можно сравнить с колокольным звоном, где каждый колокол поет на свой лад и опытный звонарь в состоянии их различить. В нашем случае в качестве звонаря выступает полупроводниковый детектор, который регистрирует флуоресцентные кванты и измеряет их энергию. По энергии можно определить элемент, по интенсивности излучения – его концентрацию. С помощью этого метода были исследованы образцы метеоритов и лунного грунта. 

Позднее (в конце 1990-х) мы начали элементный анализ донных отложений Байкала, который позволил проследить изменения климата на Земле за 30 миллионов лет (время существования озера). А геологи использовали синхротронное излучение, чтобы заглянуть “вглубь” на 1,5 миллиарда лет: с помощью рентгеновской топографии они изучают сильно деформированные алмазы, выясняя, какими были температура и давление в момент их образования.

Интереснейший эксперимент – фактически криминальное расследование в духе Агаты Кристи – провели мы с археологами. Исследователи давно задавались вопросом: чем объясняется незначительная продолжительность жизни (как правило, не более 40 лет) древних алтайцев? Известно, что на физиологическую активность и жизнеспособность человека влияет соотношение меди и цинка в организме. Его изменение в пользу меди может быть фатальным. Решили проверить элементный состав волос ребенка, женщины, мужчины и лошади, а также травы и деревьев, чтобы сравнить с содержанием этих элементов в окружающей среде. Элементный анализ помог установить, что содержание меди сильно повышено у мужчины, заметно – у женщины, практически отсутствует – у лошади и ребенка. Найденные в могильниках предметы позволили археологам предположить, что первобытные люди “баловались травкой”: коноплю нагревали в медных чанах, накрывались кошмой и дышали испарениями, в том числе образующимися при нагреве парами меди. 

 

К началу XXI века в мире построили более 50 источников синхротронного излучения, ИЯФ принимал участие в изготовлении многих из них, “под ключ” мы создали источник рентгеновского синхротронного излучения “Сибирь-2” для Курчатовского научного центра (Москва). К сожалению, в Новосибирске по-прежнему работаем на ВЭПП-3 и ВЭПП-4, из-за чего остановились проекты с биологами – и новосибирские, и московские ученые сегодня ведут исследования за границей, на источниках 3-го поколения, которые более эффективны для изучения биологических объектов. В планах нашего государства – строительство с участием ИЯФ источника СИ 4-го поколения в Курчатовском институте. Мы надеемся одновременно построить в Новосибирске более компактный накопитель поколения 3+ с возможностью дальнейшей модернизации. Сейчас обсуждаем с соседними институтами – геологии и минералогии, катализа, химии твердого тела, неорганической химии, гидродинамики – их потребности в экспериментах, чтобы заложить соответствующие возможности на стадии проектирования. 

Продолжается в XXI веке и сотрудничество с Великобританией. ИЯФ принял участие в строительстве источника DIAMOND в Оксфорде. Одним из руководителей работ стал наш старый знакомый – профессор Ричард Волкер (недавно мы подсчитали, что сотрудничаем 39 лет). В 2015 году, уже после введения санкций, в Новосибирском академгородке прошел российско-британский круглый стол “Новые горизонты ускорительной техники: настоящее и будущее ярких источников синхротронного излучения”. Вот только новых Гарольдов Вильсонов не хватает. Думаю, настало время для появления мудрых руководителей, умеющих смотреть в будущее. 

 

По материалам : Ольга Колесова, газета "Поиск",  март 2018