В России завершаются работы по строительству одного из самых мощных синхротронов планеты, в наукограде Кольцово под Новосибирском. Этим летом там уже начнут проводить исследования. Далее попытаюсь на пальцах объяснить для чего он нужен, какие задачи решает и с какими проблемами столкнулись при его реализации.

Кому больше нравится видеоформат, записал этот материал на видео, там показан этот объект:

История

Начнем с того, что давным-давно в 1895 году был обнаружен новый вид лучей. Эти лучи были способны проникать сквозь разные препятствия внутрь предмета, не разбирая его на части и не нарушая целостности. Это были лучи рентгена. В наше время почти все сталкивались с оборудованием, излучающим рентгеновские лучи, в медицинских учреждениях.

Позже для изучение предметов, в качестве источников излучения, использовали классические рентгеновские трубки. Наши физики Дмитрий Иваненко и Исаак Померанчук в 1944-м году предсказали, что электроны, если их разогнать будут сбрасывать часть энергии, обосновав таким образом принцип синхротронного излучения.

Ученые выяснили, что спектр синхротронного излучения достаточно широк. Он включает и видимый свет, и ультрафиолет, и инфракрасное, и, что самое важное, рентгеновское излучение. А значит с помощью этого излучения можно изучать материалы. Эти ускорители стали чем-то вроде микроскопа для физиков. Только вот микроскоп этот помогает взглянуть не только на внешний вид, но и на внутренний. И чем больше энергия частиц, тем ярче картина. Разные вещества с помощью этих частиц можно рассматривать вплоть до атомов.

СКИФ

Почему новый научный комплекс назвали СКИФ? А потому что расшифровывается это так — Сибирский кольцевой источник фотонов. Это научная установка класса «мегасайенс».

Инфраструктура

Что такое класс «мегасайенс»? Это класс уникальных сверхмощных научных комплексов, которые позволяют проводить сложные, уникальные исследования, выходящие за рамки существующих знаний.

СКИФ представляет собой ускорительно-накопительный комплекс, в котором электроны разгоняются и удерживаются в кольцевой орбите. Основной принцип работы основан на явлении синхротронного излучения. Когда лёгкие заряженные частицы, например электроны, движутся по круговой орбите с высокой скоростью, они испускают электромагнитное излучение по касательной к направлению движения.

Хочу заметить, что это не совсем то, что называют коллайдером, хотя у них есть нечто общее. СКИФ — это синхротрон, то есть циклический ускоритель заряженных частиц, в котором они разгоняются до скоростей, близких к световым, по кольцевой траектории, генерируя сверхмощное излучение.

Экспериментальные станции

Коллайдер — это ускоритель частиц, в котором частицы (например, протоны или тяжёлые ионы) сталкиваются во встречных потоках.

Это очень грубое описание, чтоб была понятна суть.

Проблемы

В нашей стране возникла высокая потребность в таком источнике синхротронного излучения. Так как было некоторое технологическое отставание в этом сегменте. В России работает две таких установки, но они уже немного устарели и значительно уступают в своих характеристиках другим таким объектам.

Одна установка — первого поколения, была практически первой в мире и начала работать в 70-ых годах, до сих пор работает в Институте ядерной физики Сибирского Отделения Российской Академии Наук, одновременно используется и как коллайдер, и как синхротрон.

Другая — второго поколения — изготовлена и запущена специалистами Института ядерной физики Сибирского Отделения Российской Академии Наук в Курчатовском институте в Москве в 1990-е годы.

В России построено и сейчас строится много проектов типа мегасайнс. И всегда при реализации таких сложных комплексов возникает огромное количество проблем. Ну никак без этого. Это и удорожание проекта из-за того, что пришлось разрабатывать свое оборудование вместо зарубежного, так как ввели санкции. Сдвиги сроков сдачи объекта. Нехватка специалистов и многое другое.

Чтоб вы понимали на сколько это сложный проект, приведу несколько примеров тех трудностей с которыми столкнулись при реализации.

Стояла задача обеспечить вибро- и термостабильность ускорительно-накопительного комплекса. Это важно для создания правильных условий при проведении научных экспериментов. А в 20 километрах от комплекса проходит Транссибирская магистраль. Особенности местности таковы, что вибрация распространяется на большие расстояния. Человек её почувствовать не может. А электронный пучок в накопителе может, он же тоньше человеческого волоса. Микроскопические колебания земли влияют на качество и результаты научных исследований. Наличие цифровой информационной модели, которую разработали ранее, позволило выбрать оптимальные технические решения, чтобы защитить наиболее чувствительное здание накопителя и обеспечить ему максимальную вибрационную стабильность.

Начало строительства

Так и с термостабилизацией. Температура внутри помещений с технологическим оборудованием не должна колебаться более, чем на полградуса Цельсия, независимо от погодных условий, иначе это влияет на траектории электронного пучка. В итоге специалисты смогли оперативно и точно спроектировать систему, которая поддерживает заданную температуру.

В общем, трудностей было много.

Стройка

Чем он полезен?

Тут сразу возникает вопрос, а чем именно полезен этот научный комплекс для страны, экономики и промышленности?

Начнем с того, что если кому-то из ученых, из любого региона страны, нужно будет провести какие-то исследования, то они могу записаться на проведение такого в СКИФ. Научный комплекс рассчитан на 2000 исследований в год 24/7.

Области исследований

Так же, в этом комплексе заинтересованы промышленники. Например, в авиации и машиностроении. СКИФ поможет инженерам-конструкторам — повысить прочность материалов, создать долговечные антикоррозийные покрытия, создать прочные сварные швы. Без рентгеноструктурных исследований сегодня невозможно создание новых металлических покрытий, полимеров и композитов с заранее заданными свойствами, в том числе для работы в экстремальных условиях: в Арктике, космосе, внутри ядерных реакторов и так далее.

Кстати, в России помимо научных мегапроектов открываются и промышленные, недавно рассказывал про один их таких, материала называется — «Россия опять что-то запускает: Амурский ГХК вышел на финальный технологический рубеж», посмотреть можно тут в Телеграм или Максе.

Нефтедобытчики тоже в деле. Они создали консорциум по внедрению синхротронного излучения в своей отрасли. СКИФ поможет геологам — находить месторождения драгоценных металлов, разрабатывать месторождения редкоземельных металлов, добывать трудноизвлекаемые запасы нефти и газа.

СКИФ поможет и аграриям. Повысить срок хранения зерна, создать более эффективные и безопасные удобрения, улучшить селекцию сельхозкультур и бороться с болезнями растений и животных.

Ускорительный комплекс

Фармацевтам и врачам тоже нужны исследования в таких научных комплексах. Зная, как устроены и взаимодействуют между собой белки и нуклеиновые кислоты, можно создавать молекулы, которые усиливают или блокируют их активность. Это ускорит разработку противовоспалительных, противовирусных, антибактериальных препаратов.

Государственный центр вирусологии и биотехнологии «Вектор», расположенный также в наукограде Кольцово, СКИФ расположен там же под Новосибирском, планирует использовать СКИФ для широкого спектра биологических исследований. Прежде всего — для изучения вирусов, в том числе новых и потенциально опасных для человека и животных.

Можно будет заглянуть даже внутрь археологической находки. Так же он полезен экологам, энергетикам, в микроэлектронике и во многом другом.

О самом объекте

Проект этот стартовал в 2018 году, строительство началось в августе 2021 года. Сейчас уже все построено и готовится летом к запуску.

Иностранные поставщики кинули и решили отказаться от поставок ранее заказанного сложного оборудования. В итоге русские на 95% сделали всё сами и не прогадали. Научились создавать аналоги того, что раньше за большие деньги закупали за рубежом. Причем, значительную часть необходимой аппаратуры сделали прямо по соседству, в Новосибирске.

Объект занимает площадь в 30 Га. Периметр накопительного кольца 476 м. СКИФ представляет собой комплекс из 34 зданий и сооружений, а также инженерного и технологического оборудования. В создании СКИФ принимали участие около 200 российских компаний. Первые эксперименты начнутся же этим летом. Для его работы нужно 12 МВт энергии, это если очень грубо прикинуть, то столько же потребляет небольшой город с населением от 15 000 до 20 000 жителей.

Ученые смогут проводить полный цикл научных работ. Тут есть семь экспериментальных станций для проведения исследований. Лабораторный корпус, оснащенный научным оборудованием для подготовки и хранения образцов. Центр обработки данных для хранения, систематизации и анализа экспериментальных данных.

Территория «СКИФ» с высоты

В самом большом и главном объекте сгустки электронов поступают в накопительное кольцо каждую секунду. Путем многократной инжекции (впуску), формируется пучок из 510 сгустков, временной промежуток между которыми составляет 2,8 наносекунд. Пролетая через устройства генерации излучения — вигглеры, ондуляторы или поворотные магниты — каждый сгусток электронов порождает вспышку излучения (поток фотонов).

Важно в этом проекте и то, что он создан не только для чистой науки, а поможет решению множеству прикладных задач в хозяйственной деятельности. И на синхротроне смогут работать по заявкам коллективы исследователей из любых регионов России.

И еще вот что хотелось бы добавить, что сейчас начали реализовывать ещё один подобный проект, который будет конкурентом СКИФу, только мощностью в два раза больше. Строят его в Протвине Московской области на базе Института физики высоких энергий им. Логунова Национального исследовательского центра «Курчатовский институт». Называется «СИЛА». Проект пока на начальном этапе, пуск запланирован на 2033 год.

Так будет выглядеть «СИЛА» в Протвино