БОЛЬШАЯ ЖИЗНЬ
СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Высокой наградой — премией Правительства Российской Федерации в области науки и техники за создание научно-технического комплекса на базе специализированных источников синхротронного излучения «Сибирь» в Российском научном центре «Курчатовский институт» — отмечены в этом году десять российских ученых. В числе лауреатов — трое новосибирцев из Института ядерной физики им. Г. И. Будкера. Это заместитель директора академик Геннадий КУЛИПАНОВ, к.т.н. Анатолий МЕДВЕДКО — заведующий лабораторией, которая производит системы питания, управляющую электронику и высокочастотные системы, а также заведующий лабораторией д.ф.-м.н. Николай МЕЗЕНЦЕВ, признанный мировым лидером по созданию сверхпроводящих систем для генерации синхротронного излучения. В числе лауреатов — и д.ф.-м.н. Владимир КОРЧУГАНОВ, бывший заведующий лабораторией ИЯФа, ныне один из руководителей Курчатовского центра синхротронного излучения.
Юлия Александрова, «НВС»
У истоков
Синхротронное излучение (СИ) — это излучение, имеющее непрерывный спектр от инфракрасного до жесткого рентгеновского диапазона, значительную интенсивность при малом размере источника и, соответственно, большую яркость. «Синхротронное излучение, — поясняют мои собеседники, — это, в каком-то смысле, отходы производства. Когда еще в 1960-е годы ИЯФ начал создавать установки для постановки экспериментов на встречных пучках, нужны были накопители заряженных частиц, в которых можно получать долгоживущие и интенсивные пучки электронов и позитронов. При энергии более нескольких десятков миллионов электрон-вольт (а энергия электронов в накопителе „Сибирь-2“ примерно в сто раз больше) эти пучки, вращающиеся в магнитном поле накопителя, излучают синхротронное или магнито-тормозное излучение, как физически более правильно обозначен соответствующий параграф в курсе „Теоретической физики“ Л. Д. Ландау и Е.М. Лифшица».
Новосибирские ученые стали заниматься практическим использованием синхротронного излучения достаточно давно, начиная с 70-х годов прошлого века. Анатолий Степанович Медведко с юмором вспоминает, как это было в ИЯФе: «Как-то присутствовал я при разговоре Кулипанова с Будкером. Хочу, говорит Кулипанов, заниматься, синхротронным излучением. А тот ему — да брось ты эту ерунду, вон сколько всего интересного в области ускорителей для физики высоких энергий. Но Геннадий Николаевич, по-видимому, чувствуя поддержку Скринского, настаивал. Тогда Будкер ему и отвечает — ну ладно, хочешь — занимайся».
В последовавшей за этим повествованием реплике Г. Н. Кулипанова прозвучало сомнение в стопроцентной достоверности передачи содержания беседы («слишком вольное толкование»). Впрочем, ученые сошлись на том, что в далекие семидесятые синхротронное излучение действительно будоражило умы, хотя посвятить ему свою научную жизнь хотели тогда немногие. Первую конференцию по генерации и использованию СИ в ИЯФе провели в 1975 при активном участии Г. И. Будкера; потом, начиная с 1976 года, эти конференции, ставшие всесоюзными, а затем и международными, стали проходить на базе Института ядерной физики СО РАН каждые два года. Они-то и обозначили основные вехи развития исследований в области синхротронного излучения.
Охват проблем, обсуждаемых на этих конференциях, чрезвычайно широк: накопители заряженных частиц как источники СИ; методы исследований с использованием СИ: дифрактометрия, рентгенофлуоресцентный анализ, рентгеновская микроскопия, томография; применение СИ в физике, химии, катализе, материаловедении, метрологии, геохимии, биологии, медицине, археологии, экологии и других областях исследований; использование СИ для рентгеновской литографии и микромеханики; рентгеновская оптика и детекторы; аппаратура и оборудование для работ с СИ, вигглеры, ондуляторы и многое другое. Последняя, шестнадцатая конференция, прошла в Академгородке летом прошлого года.
Для других наук
В восьмидесятые годы мировое научное сообщество осознало, что источники синхротронного излучения, благодаря своей яркости и интенсивности, могут стать базой для развития не только физики, но и многих других наук — химии, физики твердого тела, биологии, а также материаловедения (первые эксперименты с СИ в Новосибирске проводились именно биологами из Москвы и Пущино). Все знают рентгеновскую трубку, которая используется для медицинских целей. Так вот, яркость пучка синхротронного излучения на накопителе ВЭПП-3 (это первая установка, на которой начинали эксперимент в семидесятых) — в миллион раз больше, а это значит, что можно существенно быстрее получать информацию о структуре биологических объектов.
«К сожалению, человечество гораздо больше знает о строении атома, — говорит академик Кулипанов, — чем о функционировании живых организмов, например, о том, как работают мышцы на элементарном уровне. Цикл сокращения мышцы — примерно сто миллисекунд, значит, информацию о ее структуре надо получать каждые 10 миллисекунд (что-то вроде рентгено-диффракционного кино), чего не позволяет сделать рентгеновская трубка. В этой ситуации может помочь синхротронное излучение: оно как раз и дает ученым возможность посмотреть, каким образом меняется структура мышцы в процессе ее сокращения».
В семидесятые годы к биологам присоединились сотрудники Новосибирского института катализа им. Г.К. Борескова. Их занимали вопросы структуры катализаторов, в основном не кристаллических, а аморфных веществ. Для исследований был разработан специальный экспериментальный метод, который носит название EXAFS-спектроскопии. В те годы исследователи из Института катализа совместно с уральскими коллегами и учеными из Германии активно разрабатывали данный метод. И вот уже почти 30 лет синхротронное излучение используется для изучения катализаторов, позволяя понять, почему, например, среди нескольких почти одинаковых катализаторов, лишь незначительно отличающихся технологией их приготовления, одни оказываются эффективными, а другие — нет.
Огромная работа большого коллектива
В то время начали создаваться специализированные источники синхротронного излучения в Англии, Японии, США. В восьмидесятые и в Советском Союзе после длительного обсуждения программ развития источников синхротронного излучении Академией наук, Министерством электронной промышленности и Министерством среднего машиностроения было подготовлено и подписано решение, объединяющее усилия новосибирского Института ядерной физики СО РАН (там придумывали, проектировали и изготавливали источники синхротронного излучения), московского Института кристаллографии им. А. В. Шубникова РАН, ответственного за аппаратуру для работы с синхротронным излучением, Института атомной энергии им. И. В. Курчатова и Института физических проблем им. Ф. В. Лукина (Зеленоград), куда по первоначальному плану должны были поставить два накопителя. Одну установку, ориентированную на материаловедение, — в ИАЭ им. Курчатова, а вторую, для технологий микроэлектроники, намеревались поставить в Зеленоградском институте физических проблем. Главным инженером, ответственным за проведение работ, там был Сергей Николаевич Мазуренко, ныне руководитель Федерального агентства по науке и инновациям в Министерстве образования и науки РФ, который сегодня — тоже среди лауреатов премии Правительства РФ. «Зеленоград даже шел впереди, — отмечает Геннадий Николаевич, — но наступил 1992 год…»
Девяностые годы — и этим все сказано. Это значит, что не было ни средств, ни государственной поддержки, а российские «мозги» неотвратимо «утекали»; это значит, что в уже построенных зданиях «заморозили» все работы и прекратили монтаж, потому что надо было решать проблемы выживания, а не научного развития. Зеленограду не повезло (хотя, надо отдать должное ученым, все оборудование, изготовленное для накопителя, удалось сохранить), а вот в Курчатовском центре решили все-таки продолжить работу. Большую роль в этом сыграл академик С. Т. Беляев — бывший ияфовец, когда-то ректор НГУ, который в дальнейшем перебрался в Москву и потратил много сил на то, чтобы проект не остановился. Так что, пусть медленно, но в «курчатнике» и здание построили, и «Сибирь-2» смонтировали, причем причастных к этому событию — не перечислить, хотя роль д.ф.-м.н. В. Г. Станкевича и д.ф.-м.н. В. В. Квардакова среди курчатовцев в то время была определяющей.
Во время нашей беседы академик Кулипанов неоднократно подчеркивал, что создание научно-технического комплекса в Курчатовском институте — заслуга большого коллектива, который за эти пятнадцать лет проделал огромную и кропотливую работу по конструированию, изготовлению и запуску в работу высокочастотных, магнитных и вакуумных систем, измерительной и управляющей электроники, систем питания и пр. В процессе участвовало немало сотрудников ИЯФа — разные лаборатории, экспериментальное производство, конструкторское бюро. «Так и бывает, — шутит Геннадий Николаевич, — в работе всегда задействовано много людей, а премию получают единицы. Впрочем, это формальность. По сути, правительственная премия — награда всему коллективу».
Помимо научных сотрудников ИЯФа, к работе по созданию источников синхротронного излучения были подключены и ученые других институтов. Четыре организации, представители которых значатся в списке лауреатов, трудились «в связке» — Институт ядерной физики СО РАН, Институт кристаллографии РАН, Российский научный центр «Курчатовский институт» и Зеленоградский институт физических проблем. Около десяти лет понадобилось им для создания первого пучка «Сибири-2» — это произошло в 1999 году («Сделали бы быстрее, — еще раз подчеркивает Геннадий Николаевич, — но период был жуткий, финансирование прекратилось»).
Сейчас Курчатовский центр открыт для исследователей из различных академических институтов, университетов, промышленных предприятий. Экспериментальная аппаратура для работы с синхротронным излучением была, в основном, разработана и создана в Институте кристаллографии под руководством чл.-корр. РАН М. В. Ковальчука и д.ф.-м.н. С. И. Желудевой. В последние годы в Курчатовском центре широко развернуты работы по нанотехнологиям.
Сначала были вигглеры
Для генерации особо мощного и жесткого синхротронного излучения на источниках СИ устанавливаются специальные вставные устройства — сверхпроводящие вигглеры (от английского «wiggle» — извиваться). Первый в мире сверхпроводящий вигглер был сделан в ИЯФе около 30 лет назад и назывался «змейкой» (но термин не прижился), так как орбита внутри него была извилистая относительно продольной оси. Вигглер состоит из последовательности сверхпроводящих магнитов со знако-переменным полем. Каждый магнит является генератором СИ при прохождении пучка электронов, и мощность излучения суммируется от всех магнитов в узком телесном угле, что значительно повышает интенсивность излучения и его яркость.
Данной тематикой в Институте ядерной физики занимается лаборатория Николая Александровича Мезенцева (его кандидатская диссертация была посвящена первому сверхпроводящему вигглеру). Постепенно вигглеры усовершенствовались, конструкция их сильно изменилась («Рядом поставить — можно не узнать», — констатирует Мезенцев). Общее количество изготовленных сверхпроводящих вигглеров для различных зарубежных центров приближается к 15, все они разные, поскольку решают различные задачи, но по своей идеологии и физической структуре они все равно близки к тому, который ияфовцы впервые сделали в 1978 году для накопителя ВЭПП-3. Как говорит Г. Кулипанов, «прошло 25 лет, и мировое сообщество осознало, какие вигглеры надо делать и почему именно такого типа». Н. Мезенцев получает большое количество заказов из разных стран — Италии, Англии, Канады, Германии, Испании, Бразилии. Самый мощный в мире вигглер с полем 7,5 Тесла изготовлен, испытан и поставлен на «Сибирь-2».
За это время изменилась как магнитная, так и криогенная система вигглеров. Теперь магнитное поле в вигглерах значительно больше при тех же самых геометрических параметрах. Кроме того, сильно уменьшен расход жидкого гелия, который омывает сверхпроводящий магнит и используется для охлаждения сверхпроводящих обмоток. Расход жидкого гелия в первых вигглерах был около 4 литров в час, и хватало его только на сутки, а потом приходилось снова подливать. Сейчас такие системы с использованием специальных холодильных машин работают по полгода, а иногда и дольше — заливаешь жидкий гелий и полгода никаких проблем.
Элементы управления
Источниками питания нужно управлять, контролировать их работу с помощью компьютера — без этого нельзя работать, поэтому вся система достаточно сложна. Это сейчас компьютером никого не удивишь, а в 70-е годы ВЭПП-3 был, наверное, первым накопителем в России, который управлялся ЭВМ. Кроме того, пучок теряет энергию на синхротронное излучение, ее надо компенсировать, иначе он погибнет. Для этого в накопителе стоит высокочастотный резонатор, который подпитывает энергию пучка, компенсирует потери на синхротронное излучение. К нему подключен высокочастотный генератор — он-то и является источником энергии.
Для сравнения: наибольшая мощность передатчика телевизионного центра равна 50 киловаттам, а у накопителя «Сибирь-2» в этом же диапазоне частот — 500 киловатт. Так что по передатчикам накопитель — как 10 телецентров. Поэтому все такое масштабное, сложное с инженерной точки зрения: несколько сотен каналов питания, около тысячи каналов измерения и управления, мощный ВЧ генератор, не говоря уже о «сложной ускорительной физике». Курчатовский накопитель имеет периметр 120 метров, а в ИЯФе работает накопитель электронов и позитронов с периметром 360 метров.
Не все накопители одинаковы. ВЭПП-3 и ВЭПП-4 были сделаны для физики высоких энергий, чтобы проводить сталкивание электронных и позитронных пучков, а тот, что стоит в «курчатнике» — специализированный источник синхротронного излучения. Там не ставилась задача сталкивать электроны и позитроны, главное было получить маленький размер пучка, чтобы яркость источника излучения была как можно больше.
Сотрудничество и перспективы
Институт ядерной физики активно сотрудничает с другими странами, делает для них разные устройства: элементы магнитной системы накопителей — для университета Сага в Японии, Национального бюро стандартов Германии и Университета Дюка США; ВЧ-системы — для Корейского института атомной энергии; генераторы синхротронного излучения и оборудование для СИ — для Германии, Франции, Щвейцарии (сейчас обсуждается вопрос об изготовлении оборудования для Казахстана и Пакистана).
Ияфовский 3-х полюсный вигглер с полем 10 Тесла стоит на японском накопителе «Спринг-8» (энергией электронов 8 ГэВ), который является мировым рекордсменом по величине магнитного поля для таких устройств. Нигде в мире нет ничего подобного и будет еще не скоро. Спектр излучения из этого вигглера перекрывает диапазон от видимого света до примерно 10-МэВных фотонов и может являться мощным исследовательским инструментом не только в области атомной, но и ядерной физики. При попадании СИ из такого вигглера на специальные мишени можно использовать вторичное излучение в виде интенсивных пучков позитронов и нейтронов.
Вигглеры и ондуляторы — это исторически «фирменные» устройства ИЯФа, их в институте делают довольно много, причем не только сверхпроводящие, но и электромагнитные, и на постоянных магнитах. В настоящее время 80-метровый вигглер изготавливается в ИЯФ для Германии. И все бы хорошо, вот только нет собственного современного источника синхротронного излучения («Сапожник без сапог, — разводит руками Геннадий Николаевич, — последние десять лет строим для других, а сами…»). Стоимость хорошего источника — около миллиарда долларов, такую сумму даже крепко стоящему на ногах Институту ядерной физики не потянуть. Правда, здесь есть кое-какие сдвиги: сейчас принято решение о строительстве источника, который будет в 100 раз ярче, чем «Сибирь-2» — об этом ИЯФ не мог и мечтать.
«Настанет время, — с уверенностью говорит академик Кулипанов, — когда в России, как и во всем мире, начнут создавать сеть исследовательских центров, которым нужны будут источники синхротронного излучения. Сейчас они являются инфраструктурой развития всевозможных наук — и биологии, и химии, и археологии, и нанотехнологии. Все говорят о нанотехнологиях, но невозможно заниматься ими без источников СИ».
«Можно сказать, что источник синхротронного излучения — это инструмент в руках исследователей, — добавляет А. С. Медведко, — дорогой, но необходимый, без которого невозможен прогресс и нет будущего у науки».
Фото В. Новикова
стр. 4
|
