Установку класса мегасайенс Центр коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (ЦКП «СКИФ») – источник синхротронного излучения (СИ) поколения «4+» с энергией 3 ГэВ – планируется использовать для исследований в области структурной вирусологии, кристаллографии белков, материаловедении и многих других. Благодаря беспрецедентно малому эмиттансу – параметру, определяющему уровень яркости СИ, на установке будет возможна генерация и использование когерентных рентгеновских лучей. С помощью когерентного излучения исследователи из различных областей науки смогут воссоздать трехмерную структуру объектов с нанометровым разрешением. В Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) разработана магнитная структура особой конструкции, которая позволит достичь таких параметров. Результаты были представлены на конференции Synchrotron and Free electron laser Radiation: generation and application (SFR-2020), прошедшей в июле 2020 г. в ИЯФ СО РАН.

 

1000 Проект АО ЦПТИ 


Проект: АО ЦПТИ

«Сегодня во многих областях науки и техники крайне актуальной является задача неразрушающей визуализации трехмерной структуры объектов с нанометровым разрешением, – рассказывает старший научный сотрудник Института геологии и минералогии им. В. С. Соболева, кандидат геолого-минералогических наук Сергей Ращенко. – В биологии – это субклеточная структура живой клетки, в компьютерных технологиях – архитектура микросхем, недавно перешагнувших рубеж в 10 нанометров, в авиастроении – трехмерная наноструктура сплавов и сварных швов, отвечающая за прочность деталей. Обычная микроскопия для таких объектов не годится, поскольку, во-первых, может «заглянуть» только внутрь прозрачных объектов, а во-вторых, не может «разглядеть» детали менее сотни нанометров».

Проводить неразрушающую «нанотомографию» любых объектов с детализацией на уровне нескольких нанометров возможно с помощью когерентного рентгеновского излучения. По словам Сергея Ращенко, при рассеянии на наноструктурированных объектах такое излучение дает дифракционную картину – особый «пятнистый» узор, который каждый может увидеть, посмотрев на рассеянный шершавой поверхностью свет лазерной указки. «С помощью специальной математической обработки можно на основе такого узора с очень высокой точностью реконструировать структуру рассеивающего излучение объекта», – добавляет специалист.

Генерировать и использовать когерентные рентгеновские лучи будет возможно в ЦКП «СКИФ» благодаря малому эмиттансу ускорительного комплекса источника СИ (электронный пучок будет иметь диаметр меньше человеческого волоса и при этом сохранять рекордно малую расходимость).

Супер периоды основного кольца ЦКП СКИФ Схема предоставлена Г. Барановым 1 

Супер-периоды основного кольца ЦКП "СКИФ". Предоставлено Г. Барановым

 

«Степень когерентности излучения зависит от величины эмиттанса установки, значение которого, в свою очередь, формируется благодаря магнитной структуре основного кольца ускорительного комплекса, – рассказывает помощник директора ИЯФ СО РАН по перспективным проектам, кандидат физико-математических наук Яков Ракшун. – Разработанная специалистами Института магнитная структура сделает излучение на нашем источнике когерентным в более широком диапазоне энергий: у нас будет полностью когерентный пучок в низкоэнергетической области и значительно вырастет доля когерентного излучения в жесткой рентгеновской области. Мы значительно расширим экспериментальные возможности ЦКП «СКИФ»».

Принципы получения малого эмиттанса на специализированных источниках СИ третьего и четвертого поколения и магнитные структуры для этих машин были описаны еще в 90-х г. XX в., но в силу технологического развития достичь его было невозможно. Сегодня, благодаря технологическому прогрессу в области металлообработки, которая позволяет изготавливать огромные по размерам магниты с точностью до двадцати микрон, электроники, создающей супербыстрые и чувствительные системы диагностики, и других высокотехнологичных областях, стало возможным создание специализированных источников СИ поколения «4+». На таких машинах можно получать рентгеновское излучение с высокой когерентностью.

«Эмиттанс или фазовый объем источника СИ определяется последовательностью фокусирующих и поворачивающих магнитов, – добавляет младший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Григорий Баранов. – Нам удалось, после довольно длительного и интенсивного поиска моделирования сложного движения частиц, подобрать такую магнитную структуру, которая позволила получить рекордно малый эмиттанс и при этом получить все остальные характеристики установки: время жизни пучка, эффективную инжекцию, нужную стоимость элементов и т.д. Наша магнитная структура простая, гибкая и изящная, но при этом с очень хорошими параметрами. То, что она простая, позволяет уложиться в довольно жесткие сроки реализации проекта».

По словам специалиста, в подходе к созданию магнитной структуры для ЦКП «СКИФ» есть еще одно отличие, которое дает установке преимущество в получении малого эмиттанса. «Чтобы получить малый эмиттанс, пучок нужно сильно сжать сильными магнитными линзами, в том числе – нелинейными. Нелинейное движение частиц резко уменьшает область устойчивого движения, если частица попадает за ее пределы (например, столкнувшись с атомом остаточного газа в вакуумной камене), она погибает, и так может погибнуть весь пучок. Нам удалось найти такую расстановку небольшого числа нелинейных магнитов, которая обеспечивает достаточную область устойчивости. Эта задача сложная и требует серьезных вычислительных мощностей», – поясняет Григорий Баранов.

На данный момент магнитная структура ускорительного комплекса источника СИ ЦКП «СКИФ», которая будет формировать малый эмиттанс пучка, полностью разработана.

Проект ЦКП «СКИФ» создается в рамках национального проекта «Наука» с целью реализации современной отечественной сети источников синхротронного излучения нового поколения в России, и является флагманом программы развития Новосибирского научного центра, известной как «Академгородок 2.0». ЦКП «СКИФ» – это центр коллективного пользования, который будет включать в себя не только ускорительный комплекс, но и развитую пользовательскую инфраструктуру: экспериментальные станции и лабораторный комплекс. Создание источника СИ планируется завершить в 2023 г., что позволит начать проведение научных исследований уже 2024 г. Ориентировочная стоимость проекта оценивается в 37,1 млрд. руб. Первый транш в размере 774,1 млн рублей на создание технологически сложного оборудования ускорительного комплекса должен поступить в 2020 г.

Пресс-служба ИЯФ СО РАН

Источники

Магнитная структура накопителя ЦКП СКИФ позволит получить когерентное излучение для нанотомографии
Наука в Сибири (sbras.info), 11/09/2020
Магнитная структура накопителя ЦКП "СКИФ" позволит получить когерентное излучение для нанотомографии
Институт ядерной физики имени Г.И.Будкера СО РАН (inp.nsk.su), 10/09/2020
Магнитная структура накопителя ЦКП "СКИФ" позволит получить когерентное излучение для нанотомографии
Сибирское отделение Российской академии наук (sbras.ru), 11/09/2020
Магнитная структура накопителя ЦКП "СКИФ" позволит получить когерентное излучение для нанотомографии
Российское атомное сообщество (atomic-energy.ru), 11/09/2020
Новосибирские ученые на синхротроне "СКИФ" смогут выполнять нанотомографию
РИА Сибирь (ria-sibir.ru), 11/09/2020
ЦКП "СКИФ" позволит получить когерентное излучение для нанотомографии
Atas.info, 11/09/2020
Физики РФ создали магнитную структуру для наноисследований на синхротроне "СКИФ"
Национальные проекты: будущее России (futurerussia.gov.ru), 11/09/2020

Похожие новости

  • 11/05/2017

    Новосибирские ученые создали модель вулкана с помощью электронной пушки

    ​​Ученые Института ядерной физики (ИЯФ) и Института геологии и минералогии (ИГМ) Сибирского отделения РАН создали первую в мире модель вулканических процессов с помощью уникальной установки для электронно-лучевой сварки.
    1635
  • 26/02/2020

    Ученые ищут микрочастицы Тунгусского метеорита в озерах

    Все предположения о природе Тунгусского метеорита или Тунгусского космического тела (ТКТ), взорвавшегося и упавшего в Восточной Сибири в 1908 г. до сих пор остаются только гипотезами. Ученые Института ядерной физики им.
    709
  • 30/12/2019

    СКИФ станет флагманом возрождения отечественного приборостроения

    ​В Институте ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН прошло расширенное двухдневное заседание научно-координационного совета Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (ЦКП СКИФ).
    1489
  • 25/07/2019

    Глубинные процессы Земли будут изучать на синхротроне ЦКП «СКИФ»

    ​Специалистов для одной из станции первой очереди центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» готовят в лаборатории Института геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН, созданной в рамках нацпроекта «Наука».
    612
  • 25/06/2018

    Павел Логачев: источник синхротронного излучения будет центром, который объединит разные научные направления

    ​В проекте Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ) уже сейчас задействовано много институтов, а в будущем установка станет крупным центром общего пользования. Представители нескольких научных направлений рассказали, почему источник синхротронного излучения (СИ) важен для Академгородка и его ученых.
    1517
  • 26/07/2018

    Какие возможности открывает строительство синхротрона для ученых НГУ

    ​В феврале 2018 года президент Владимир Путин поддержал реализацию проекта «СКИФ» в Новосибирске. Современный центр научных исследований с использованием синхротронного излучения должен решить глобальную государственную задачу — не допустить превращения России в научно-технологическую периферию и кадрового донора.
    1245
  • 29/01/2020

    Интервью: что в Новосибирске сделают в рамках проекта СКИФ в 2020 году

    ​Об итогах 2019 года и основных задачах реализации проекта синхротрона СКИФ в 2020 году рассказал РБК Новосибирск заместитель руководителя проектного офиса ЦКП «СКИФ» ИК СО РАН Яков Ракшун. Что удалось добиться в работе над проектом синхротрона СКИФ в 2019 году? — Была проделана большая работа, которая закончилась выходом в конце 2019 года постановления правительства России о федеральной адресной инвестиционной программе, в которой определен предельный объем бюджетного финансирования проекта — 37,1 миллиарда рублей и сроки исполнения работ.
    623
  • 18/07/2019

    Чем новосибирский СКИФ будет лучше иностранных синхротронов

    ​Огромный синхротрон начнут строить в Кольцово уже через два года. Ожидается, что новая установка даст большой импульс к развитию российской науки. Почему учёные так надеются на новую установку, на что потратят почти 40 млрд рублей и чем новосибирский СКИФ будет лучше иностранных синхротронов? Выясняли «Новосибирские новости».
    766
  • 03/10/2020

    Мегасайенс против инфекций: "СКИФ" поможет в изучении вирусов

    ​Установку класса мегасайенс Центр коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (ЦКП «СКИФ») – источник синхротронного излучения (СИ) поколения «4+» с энергией 3 ГэВ – планируют использовать для исследований в области структурной вирусологии, кристаллографии белков, материаловедении и многих других.
    476
  • 04/06/2020

    Эксперимент геологов и физиков внес вклад в понимание природы железных метеоритов

    Научная группа Института физики высоких давлений им. Л. Ф. Верещагина РАН (ИФВД РАН), Института геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН (ИГМ СО РАН), Новосибирского государственного университета (НГУ) совместно со специалистами Института ядерной физики им.
    507