Больше синхротронов

Что стоит за словами президента РФ о развитии инфраструктуры для фундаментальных исследований

Послание президента РФ впервые за несколько лет было в значительной степени посвящено науке — фундаментальной и прикладной. Владимир Путин говорил о распространении цифровых технологий, о развитии фундаментальных исследований, в том числе изучении генома, о развитии математики и, помимо прочего, о планах создания в России современных исследовательских установок, с которыми будет интересно работать ученым из других стран. Мы решили разобраться, что имел в виду президент.

«В Гатчине и Дубне уже реализуются проекты современных исследовательских установок класса «мегасайенс». Недавно на Совете по науке и образованию принято решение создать мощный синхротронный ускоритель в новосибирском Академгородке и ускоритель нового поколения в подмосковном Протвино», — заявил Путин.

Программа создания в стране нескольких установок класса «мегасайенс» обсуждается с 2011 года, это своего рода попытка развернуть утечку мозгов в обратном направлении. Объясняя цели программы, тогдашний министр образования и науки Андрей Фурсенко заявлял, что участие России в крупных международных проектах «носит асимметричный характер»: российские ученые регулярно выезжают для участия в экспериментах в другие страны, а российская исследовательская инфраструктура не развивается. Единственный способ исправить ситуацию — сделать так, чтобы именно в России и российские, и зарубежные исследователи могли работать на самом современном и уникальном оборудовании, говорил Фурсенко.

К потенциальным мегаустановкам был предъявлен целый список требований. Например, в их создание должны быть готовы вложиться зарубежные партнеры, они должны быть уникальными и превосходить зарубежные аналоги в течение десяти лет после запуска, в России должны быть мощные научные школы по соответствующей тематике. Всего из 28 предложений было отобрано шесть проектов, и все они относились к физике. Это термоядерная установка «Игнитор» (совместный проект института ТРИНИТИ с итальянскими учеными), реактор ПИК (Курчатовский институт), синхротронный источник четвертого поколения ИССИ-4 (Курчатовский институт), коллайдер тяжелых ионов NICA (проект Объединенного института ядерных исследований), сверхмощный лазер XCELS (нижегородский Институт прикладной физики), электрон-позитронный коллайдер «Супер чарм-тау фабрика» (новосибирский Институт ядерной физики имени Будкера).

Из этих шести проектов в 2013 году были отобраны три: реактор ПИК, коллайдер NICA и «Игнитор», а в конце 2017 года замглавы Минобрнауки России Григорий Трубников заявил, что реальное финансирование в рамках ФЦП «Исследования и разработки» получили только два из них — ПИК и NICA. По словам чиновника, остальные проекты были отложены из-за отсутствия зарубежного финансирования.

Однако уже в этом году один из отложенных проектов — ИССИ-4 — снова стал актуален, и к нему добавился еще один источник синхротронного излучения, который будут создавать в Новосибирске. Как заявил на заседании совета по науке и технологиям президент Курчатовского института Михаил Ковальчук, синхротронный источник ИССИ-4 будет создаваться в Протвино, на базе Института физики высоких энергий (ИФВЭ), который в 2012 году был передан из структуры Росатома в состав Курчатовского института. Кроме того, речь идет о строительстве еще одного синхротрона в Новосибирске — об этом шла речь на встрече Путина с учеными в Новосибирске 8 февраля. Президент РАН Александр Сергеев тогда заявил, что в России должно быть минимум три синхротрона: в европейской части страны, в Сибири и на Дальнем Востоке.

Судя по посланию президента, как минимум два синхротрона — в Протвино и в Новосибирске — строить собираются, хотя никаких подробностей на этот счет пока нет. Ученые ИФВЭ, с которыми удалось поговорить N+1 сказали, что пока не ясны ни сроки строительства, ни площадка, на которой будут строить установку.

Институт физики высоких энергий в подмосковном Протвино знаменит тем, что здесь находится 21-километровый тоннель, построенный в советское время для протонного коллайдера с энергией 3 тераэлектронвольта — Ускорительно-накопительного комплекса, строительство которого было прекращено, когда Россия решила присоединиться к проекту Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе. Ранее появлялись сообщения, что синхротрон ИССИ-4 будет размещен в этом тоннеле, но ученые из Протвино сомневаются в этом: для синхротрона достаточно площадки размером примерно километр на километр, кроме того, рабочие станции удобнее строить, когда главное кольцо находится на поверхности.

Что такое синхротрон? В первую очередь, это ускоритель элементарных частиц. Он заставляет заряженные элементарные частицы двигаться по, как правило, круговым траекториям, ускоряя и удерживая их электрическим и магнитным полями соответственно. При движении с ускорением заряженные частицы начинают испускать электромагнитное излучение, причем чем быстрее они движутся, тем больше энергия фотонов этого излучения, а значит, тем меньше длина волны. В основном, когда говорят об искусственном синхротронном излучении, речь идет о рентгеновском излучении.

Длина рентгеновской волны составляет доли ангстрема, в тысячи раз меньше, чем длина волны видимого света. Благодаря этому кристаллическая решетка атомов в материале действует на нее как обычная дифракционная решетка — рассеиваясь на ней, рентген создает на фотопластинке узоры из ярких пятен. По положению этих пятен можно в точности восстановить положение атомов в ячейке кристалла. Это и определяет круг применений синхротронного излучения: исследование атомарной структуры самых разных объектов, от белков и нуклеиновых кислот до сложных керамик и различных монослоев.

Синхротроны разных поколений

I поколение источников синхротронного излучения: ускорители, в которых синхротронное излучение возникает как побочный паразитный процесс. В миллион раз ярче рентгеновской трубки.
II поколение источников синхротронного излучения: первые источники, предназначенные для создания синхротронного излучения. В миллиард раз ярче рентгеновской трубки.
III поколение источников синхротронного излучения: современные синхротроны, в триллион раз ярче рентгеновской трубки.
IV поколение источников синхротронного излучения: импульсные источники, такие как лазеры на свободных электронах. На порядки ярче предыдущего поколения.
Синхротронное излучение ярче обычной рентгеновской трубки на много порядков. Это позволяет очень быстро получать структурную информацию, к тому же с высоким разрешением. Сейчас синхротронные исследования играют важнейшую роль в структурной биологии, физике, химии и материаловедении.

В России уже есть два источника синхротронного излучения, один из них работает в Москве, в Курчатовском институте. Курчатовский источник синхротронного излучения (КИСИ) базируется на ускорителе электронов «Сибирь-1» с энергией до 2,5 гигаэлектронвольта, а Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения использует электрон-позитронные ускорители ВЭПП-3 и ВЭПП-4М с энергией от 2 до 6 гигаэлектронвольт. Кроме того, Россия в 2011 году по инициативе Курчатовского института вступила в Европейский центр синхротронного излучения (ESRF — European Synchrotron Radiation Facility).

Однако, отмечают опрошенные N + 1 исследователи, российские установки устарели и требуют модернизации. Дело не только в более низкой светимости этих синхротронов по сравнению с европейским ускорителем ESRF, но и в недостаточной приборной оснащенности исследовательских станций (их называют beamline).

Рентгеновские исследования напоминают фотографирование при разной яркости подсветки. Чем меньше яркость, тем большую выдержку приходится использовать. К примеру, если синхротрону II поколения потребуется на эксперимент по исследованию структуры тонкой пленки полтора часа, то то же самое измерение на ESRF (III поколение) займет считанные секунды.
Многие эксперименты требуют, чтобы образец и рентгеновский пучок находились в строго определенной геометрии. Например, при исследовании структур и упорядочений молекул в тонких пленках используется пучок, скользящий вдоль поверхности — эта техника называется GIWAXS или GISAXS. Станции для нее на синхротроне ESRF оборудованы значительно лучше, рассказывает Алексей Пирязев, сотрудник лаборатории инженерного материаловедения МГУ.

В целом, на европейском синхротроне есть узкоспециализированные станции, предназначенные для конкретных задач, например, с возможностью исследовать наноразмерные образцы. На отечественных ускорителях таких станций почти нет.

Другая проблема КИСИ — нестабильная работа ускорителя, которая значительно усложняет работу. Тем не менее, приборная база все равно позволяет проводить на нем полноценные исследования и даже публиковать научные статьи по полученным результатам, отмечает доцент факультета наук о материалах МГУ Андрей Елисеев.

Решат ли проблему новые синхротроны? На создание ускорителя в Новосибирске будет выделено около 40 миллиардов рублей, но это небольшая сумма по сравнению с зарубежными проектами. Поэтому вряд ли можно ожидать, что на нем будут построены специализированные станции, необходимые для сложных, не рутинных задач.

ИССИ-4, источник синхротронного излучения четвертого поколения, запланированный в Протвино, — это уже не классический круговой ускоритель, а, скорее, лазер на свободных электронах. Его особенность состоит в том, что он выдает рентгеновское излучение очень короткими и мощными импульсами. Такие ускорители подходят для исследования каких-то быстрых процессов, например химических реакций или перестроек биомолекул. Но классическая рентгеновская дифракция на таких приборах вызывает вопросы — а именно она позволяет выяснить атомарную структуру материалов.

Еще одна проблема российских синхротронов — отсутствие специалистов высокого класса. Как отмечает Андрей Елисеев, для полноценной работы ускорителя требуется сто-двести высококвалифицированных профессионалов, обслуживающих его. Вместе с тем, нехватка таких специалистов ощущается на существующих приборах. В полную силу эта проблема может проявиться уже на этапе реальной работы нового ускорителя.

Сегодня, по оценкам пользователей, КИСИ загружен примерно на 50 процентов. Многие российские ученые используют для своих исследований синхротрон ESRF (России принадлежит на нем 6 процентов времени, а заявку на несколько смен на ESRF может подать любой ученый). Поэтому возникает вопрос: найдутся ли задачи для новых синхротронов? С другой стороны, более доступные приборы могут увеличить «спрос» на синхротронные исследования. Правда, к заявлениям о самоокупаемости нового оборудования исследователи относятся со скепсисом.

Новые синхротроны, вероятнее всего, не будут простаивать — это высокоточные приборы, необходимые для современных исследований в материаловедении, фундаментальной физике и химии, молекулярной биологии. С другой стороны, они потребуют большого числа специалистов — как для строительства, так и для обслуживания ускорителя. Есть ли в России такие специалисты в нужном количестве, готовые работать за текущую зарплату (сегодня она в четыре-пять раз ниже, чем у их европейских коллег) — это вопрос. Поедут ли на новые синхротроны зарубежные исследователи, зависит от того, как будут оборудованы их станции. Если Россия сможет предоставить ученым какие-то уникальные возможности, то это наверняка привлечет специалистов со всего мира. А для рутинных исследований есть десятки других синхротронных центров.

Владимир Королёв

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.