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 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.
По его словам, 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”, – рассказывает Батаев.
“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”.
По словам Кулипанова, эти параметры 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, речь идет о подготовкеинженеров, 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”, – говорит профессор.
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”, – резюмирует Батаев.
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

Похожие новости

  • 05/06/2016

    Спечь или взорвать?: разработки ученых Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН

    ​​Шарики вместо метеоритов, танки из военного училища и шедевр японского приборостроения для «выпечки» новых материалов. О том, как ученые Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН создают новые материалы для авиации, космоса и повседневной жизни.
    5222
  • 17/10/2019

    Кремниевый детектор в 5 раз улучшил качество «картинки» на станции синхротронного излучения

    Ученые Института ядерной физики СО РАН им. Г.И. Будкера (ИЯФ СО РАН) и НГТУ НЭТИ разработали и изготовили детектор рентгеновского излучения на основе кремниевого микрополоскового сенсора для синхротронной станции «Плазма» на накопителе ВЭПП-4.
    1007
  • 30/12/2020

    Топ-30 разработок сибирских ученых в 2020 году

    ​На портале «Новости сибирской науки» можно познакомиться с инновациями и последними достижениями сибирских ученых. Сегодня мы предлагаем вашему вниманию Топ-30 сообщений о наиболее значимых и интересных научных разработках 2020 года, размещенных на нашем сайте.
    2207
  • 16/04/2021

    Разработки самого высокого полета

     Каждый восьмой грант, получаемый учеными региона, посвящен аэрокосмическим исследованиям. Новосибирские ученые вносят большой вклад в освоение космоса: тренажер для стыковки космических аппаратов, технология для изготовления солнечных батарей на орбите и на Луне, катализаторы орто-пара-конверсии водорода, аэродинамические исследования перспективного российского многоразового космического корабля «Орел» — вот далеко не полный перечень разработок, рожденных в Сибири.
    505
  • 24/08/2018

    Дмитрий Маркович: наш проект нацелен на обеспечение лидерства в области аэрокосмических технологий

     Междисциплинарный исследовательский комплекс аэрогидродинамики, машиностроения и энергетики, который инициирован в рамках проекта «Академгородок 2.0» несколькими ведущими академическими институтами Новосибирского научного центра СО РАН, поможет специалистам решать научные проблемы, связанные со всеми стихиями: воздухом, огнем, землей и водой.
    2232
  • 11/02/2021

    Школа, университет, институт

    Традиционная встреча ведущих сибирских ученых со школьниками Академгородка «Выбери профессию в науке», приуроченная к празднованию Дней российской науки, прошла в Доме ученых СО РАН. Ребятам рассказали, где можно получить востребованную в науке специальность и как применить обретенные исследовательские навыки на профессиональном поприще.
    413
  • 28/02/2019

    СКИФ обретает очертания

    В Новосибирске полным ходом идет проектирование уникального синхротрона четвертого поколения, который должны построить в рамках реализации проекта «Академгородок 2.0» к 2024 году. Ученые разработали эскиз первых шести пользовательских станций СКИФаНапомним, центр коллективного пользования СКИФ будет включать в себя, помимо собственно источника фотонов, пользовательское оборудование экспериментальных станций и лабораторного комплекса.
    1192
  • 16/02/2021

    День российской науки — 2021

    Традиционно в честь Дня российской науки сибирские институты проводят просветительские мероприятия для студентов, школьников и всех, кто желает узнать чуть больше о большой науке. ​«Этот год был объявлен годом науки и технологий.
    923
  • 24/10/2018

    Около 100 фундаментальных исследовательских проектов представлено в Новосибирской области в рамках Фестиваля науки

    ​Презентация проектов, поддержанных Российским фондом фундаментальных исследований и Правительством Новосибирской области, прошла в регионе 24 октября в рамках VI Фестиваля науки. Представленные проекты представляют большую ценность для фундаментальной науки и развития экономики региона.
    2833
  • 02/03/2021

    Ученые НГТУ НЭТИ и ИХТТМ СО РАН создали стенд для испытаний деградации аккумуляторов электромобилей

    Ученые Новосибирского государственного технического университета НЭТИ создали лабораторную установку для испытаний литиевых аккумуляторов (ЛИА) для электромобилей с целью определения деградационной стойкости аккумуляторов.
    528