За последние два десятилетия более половины Нобелевских премий в области молекулярной биологии были присуждены благодаря использованию синхротронного излучения (СИ). Анатолий Снигирев объяснил, каким образом получают рентгеновские лучи с требуемыми характеристиками и в чем заключаются преимущества источников синхротронного излучения четвертого поколения, которые реализуются в России.
Современные исследования в археологии, геологии, химии, медицине, материаловедении и даже в области искусства также выходят на новый уровень благодаря синхротронному излучению. Специалисты из разных научных областей по всему миру стремятся получить доступ к СИ. Многие зарубежные и российские исследовательские центры используют источники СИ второго и третьего поколений, однако для решения исследовательских задач необходимы уже системы четвертого поколения.
Сегодня в России, в соответствии с Поручением президента, в настоящее время осуществляется проект по созданию передовых установок нового поколения — ИССИ-4 (специализированный источник синхротронного излучения) в городе Протвино и Сибирского кольцевого источника фотонов (ЦКП «СКИФ») в новосибирском Академгородке. Последний представляет собой ключевой элемент программы развития Новосибирского научного центра, известной как «Академгородок 2.0».
Анатолий Снигирев, научный руководитель направления «Когерентная рентгеновская оптика» и заведующий лабораторией рентгеновской оптики Балтийского федерального университета имени И. Канта (БФУ), кандидат физико-математических наук, пояснил, какие технологии позволяют ученым получать рентгеновские лучи с требуемыми характеристиками, какие инновационные разработки, созданные в лаборатории рентгеновской оптики БФУ, найдут применение при формировании отечественной сетевой инфраструктуры для синхротронных исследований, и в чем заключаются преимущества проектов источников синхротронного излучения четвертого поколения, которые реализуются в России.
— Синхротрон включает в себя ускоритель частиц и пользовательские станции. Какие технологии и компоненты позволяют сформировать излучение с требуемыми характеристиками для проведения научных исследований?
— Рентгеновская оптика доставляет пучок до потребителя, выступая в роли его «транспортного средства». Она также позволяет пользователям станций-лабораторий формировать световой рентгеновский луч требуемого размера, фокусировки и энергии. За последние двадцать лет эта область претерпела значительные изменения: рентгеновская оптика, используемая на источниках СИ первого и второго поколений, существенно отличается от той, что применяется на машинах третьего поколения.
Интенсивность рентгеновского пучка значительно возросла, приобретя характеристики, схожие с лазерным лучом, что повлекло за собой повышение требований к оптическим элементам. В синхротронах третьего поколения применяют «чистую» оптику, полностью лишенную дефектов и загрязнений, включая частицы пыли, способные вызывать рассеяние когерентного пучка. В данном контексте речь идет о когерентной рентгеновской оптике.
— Оптические системы синхротронов нового, четвертого поколения, вероятно, будут отличаться от используемых в машинах предыдущего поколения. Россия начала разработку современных источников синхротронного излучения, однако ведутся ли в стране исследования, направленные на совершенствование оптики?
— В России уже существуют подобные технологии и подходы, что является значительным преимуществом. Разработка оптики, функционирующей как преломляющая линза, была предложена и начата нами более двадцати лет назад в Европейском исследовательском ускорительном центре (ESRF, Гренобль.
Преломляющие линзы потребовалось некоторое время, чтобы получить широкое распространение — около 20 центров СИ, включая рентгеновские лазеры на свободных электронах, начали активно их использовать. Пять лет назад в рамках мегагранта (принятое Правительством РФ постановление №220) моя новая команда, включающая лабораторию рентгеновской оптики и физического материаловедения Балтийского федерального университета, где я работаю в качестве приглашенного ученого, внесла значительный вклад в развитие этих технологий в России.
Для первичного, интенсивного пучка, мы предложили алмазные линзы, а также разработали новые элементы, формирующие волновой фронт рентгеновского излучения, такие как интерферометры и аксиконы. Эти инновации оказались своевременными, поскольку в стране принято решение о строительстве установок, требующих передовых технологий.
Линзы изготавливаются из металлов, таких как бериллий, алюминий и никель. При этом особое внимание уделяется алмазу и кремнию. Эти материалы обладают рентгеноаморфной структурой, которая не позволяет пучку рассеиваться, благодаря чему СИ используется потребителями без потерь. Данная оптика увеличивает разрешение и общую чувствительность метода.
Наши линзы обеспечивают полное покрытие станции: они позволяют направлять пучок от источника к промежуточным элементам и, в зависимости от задач эксперимента, формировать из него микро- или нанопучок. Это позволяет с высоким пространственным разрешением исследовать дифракцию в структуре материалов, проводить флуоресцентный анализ и выполнять другие операции.
Рентгеновская оптика, обладающая когерентными свойствами, способна не только фокусировать пучок излучения, но и выполнять роль микроскопа. Благодаря своей простоте и элегантности, она легко интегрируется в существующие установки, позволяя расширить область исследований с использованием микроскопии там, где это ранее не применялось, но представляется целесообразным.
Благодаря такой модернизации, исследования в области физики высоких давлений позволяют изучать не только дифракцию, но и наблюдать за процессами, происходящими внутри наковальни, и выбирать конкретные участки материала для детального анализа. С использованием обычной оптики это не представляется возможным.
Использование линз на станциях белковой кристаллографии позволяет проводить более точный анализ белковых кристаллов. Достоинства и потенциал нашей когерентной рентгеновской оптики продемонстрированы в исследованиях, проведенных на ESRF и PETRA III (DESY, Гамбург), и отражены в опубликованных работах Возможности микроскопии с использованием рентгеновского излучения на линии ID 15B в Европейском синхротроне излучения и Фазово-контрастная рентгеновская визуализация и микроскопия для кристаллиографических исследований на линии EMBL P14 ускорителя ПЕТРА III .
Мы заинтересованы в применении наших технологий и в других проектах, включая те, что реализуются в Протвино и Новосибирске.
— Существуют ли в настоящее время какие-либо соглашения или планы совместной работы между БФУ и институтами СО РАН в контексте реализации проекта ЦКП «СКИФ»?
— За последние пять лет в России велась разработка технологий когерентной рентгеновской оптики для источников синхротронного излучения четвертого поколения. В ходе этой работы был накоплен значительный опыт как в научной, так и в производственной областях. В настоящее время важно использовать полученное преимущество во времени и применять наши знания в проектах ИССИ-4 и ЦКП «СКИФ».
В настоящее время в мире функционирует около пятидесяти ускорительных комплексов, среди которых ESRF (Франция), Diamond Light Source (Великобритания), SPring-8 (Япония), «КИСИ-Курчатов» (Россия, Москва), Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения (Россия, Новосибирск) и многие другие. Подавляющее большинство этих комплексов используют источники синхротронного излучения третьего поколения, однако практически каждый центр реализует собственный проект по модернизации источников СИ до четвертого поколения. Например ESRF-Extremely Brilliant Source (ESRF-EBS), согласно планам Европейского центра синхротронного излучения, реализация проекта должна произойти к 2022 году.
В сотрудничестве с ИЯФ СО РАН и НГУ начаты исследования, направленные на создание алмазных линз для фокусировки интенсивного пучка света. В России традиционно производятся высококачественные технические алмазы, применяемые в различных установках во всем мире.
В лазерных установках на свободных электронах, таких как FEL в Стэнфорде и XFEL в Гамбурге, используется алмазная оптика, произведенная в России. В Академгородке, Новосибирске, расположены институты, специализирующиеся на выращивании алмазов методом высокого давления. Развитие алмазной оптики, являющейся ключевым компонентом современных установок, является для нас приоритетной задачей.
Не менее значимой задачей является адаптация характеристик кристаллов к требованиям новых систем, в частности, освоение технологий разделения пучка и одновременной его направления на несколько рабочих мест. Экспериментальные исследования, проводимые в сотрудничестве с ИЯФ СО РАН и НГУ, стартуют уже в текущем году.
Для решения отдельной задачи также потребуется рентгеновская оптика – диагностику пучка. Важно не только создать устройство, но и убедиться, что его характеристики соответствуют указанным: для этого процесса также используется работа линз. В ходе этих проектов будет отработана и подтверждена надежность разработанной методики.
Лаборатория рентгеновской оптики БФУ не только разрабатывает технологии для российских проектов, но и активно сотрудничает с зарубежными. В 2019 году для развития лаборатории мирового уровня на четыре года был получен грант РНФ, сумма которого составила 120 миллионов рублей.
Став Международным научно-исследовательским центром (МНИЦ) «Когерентная рентгеновская оптика для установок «мегасайенс», мы получим возможность участвовать в европейских проектах. Уже заключены соглашения, например, с Исследовательским центром XFEL — Рентгеновский лазер на свободных электронах в Гамбурге, что позволит нам не только использовать, но и разрабатывать передовые технологические решения.
— Существует ли вероятность того, что реализация проекта ЦКП «СКИФ» в Новосибирске и создание отечественной сетевой инфраструктуры синхротронных исследований, с ИССИ-4 в качестве головной установки, позволит НИЦ «Курчатовский институт» вывести Россию на лидирующие позиции в этой области исследований?
— В России, в Советском Союзе, при непосредственном участии ИЯФ СО РАН, стартовало развитие синхротронных исследований и строительство синхротронных источников. На протяжении длительного периода страна занимала лидирующие позиции в этой области, на территории страны функционировали источники первого и второго поколений.
Затем последовал период спокойствия, и теперь у страны появилась возможность сразу начать производство машин четвёртого поколения. Я называю это некоторое отставание преимуществом, поскольку сейчас мы располагаем всеми необходимыми технологиями и мировым опытом, включая как успехи, так и ошибки, что позволяет нам обогнать конкурентов, а не догонять их.
Европейским центрам предстоит значительная работа по обновлению оборудования до уровня 4+, поскольку в проект были интегрированы устаревшие технические решения, предназначенные для предыдущего поколения задач, и от них сложно отказаться. Наше преимущество заключается в том, что нам не требуется избавляться от устаревшего – мы можем сразу реализовать современное решение. Это обеспечивает существенное конкурентное преимущество, которым необходимо воспользоваться.
Подготовила Татьяна Морозова, ИЯФ СО РАН