Перейти на стартовую страницу
2020-09-11 10:08:00 /РИА "Сибирь" /Новосибирск
Новосибирские ученые на синхротроне "СКИФ" смогут выполнять нанотомографию




Установку класса мегасайенс центр коллективного пользования "Сибирский кольцевой источник фотонов" (СКИФ) – источник синхротронного излучения поколения 4+ с энергией 3 ГэВ - планируется использовать для исследований в области структурной вирусологии, кристаллографии белков, материаловедении. Благодаря беспрецедентно малому эмиттансу - параметру, определяющему уровень яркости излучения, на установке будет возможна генерация и использование когерентных рентгеновских лучей. С помощью когерентного излучения исследователи из различных областей науки смогут воссоздать трехмерную структуру объектов с нанометровым разрешением.

В Институте ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН  разработана магнитная структура особой конструкции, которая позволит достичь таких параметров. Результаты
 были представлены на конференции Synchrotron and Free electron laser Radiation: generation and application (SFR-2020).

"Сегодня во многих областях науки и техники крайне актуальной является задача неразрушающей визуализации трехмерной структуры объектов с нанометровым разрешением, - рассказывает старший научный сотрудник Института геологии и минералогии имени В. С. Соболева СО РАН, кандидат геолого-минералогических наук Сергей Ращенко. - В биологии это субклеточная структура живой клетки, в компьютерных технологиях - архитектура микросхем, недавно перешагнувших рубеж в 10 нанометров, в авиастроении - трехмерная наноструктура сплавов и сварных швов, отвечающая за прочность деталей. Обычная микроскопия для таких объектов не годится, поскольку, во-первых, может "заглянуть" только внутрь прозрачных объектов, а во-вторых, не может "разглядеть" детали менее сотни нанометров".

Проводить неразрушающую "нанотомографию" любых объектов с детализацией на уровне нескольких нанометров возможно с помощью когерентного рентгеновского излучения. По словам Сергея Ращенко, при рассеянии на наноструктурированных объектах такое излучение дает дифракционную картину - особый "пятнистый" узор, который каждый может увидеть, посмотрев на рассеянный шершавой поверхностью свет лазерной указки. "С помощью специальной математической обработки можно на основе такого узора с очень высокой точностью реконструировать структуру рассеивающего излучение объекта", - добавляет специалист.

Генерировать и использовать когерентные рентгеновские лучи будет возможно в ЦКП "СКИФ" благодаря малому эмиттансу ускорительного комплекса источника синхротронного излучения (электронный пучок будет иметь диаметр меньше человеческого волоса и при этом сохранять рекордно малую расходимость).

"Степень когерентности излучения зависит от величины эмиттанса установки, значение которого, в свою очередь, формируется благодаря магнитной структуре основного кольца ускорительного комплекса, - рассказывает помощник директора Института ядерной физики СО РАН по перспективным проектам, кандидат физико-математических наук Яков Ракшун. - Разработанная специалистами Института магнитная структура сделает излучение на нашем источнике когерентным в более широком диапазоне энергий: у нас будет полностью когерентный пучок в низкоэнергетической области и значительно вырастет доля когерентного излучения в жесткой рентгеновской области. Мы значительно расширим экспериментальные возможности ЦКП "СКИФ".

Принципы получения малого эмиттанса на специализированных источниках СИ третьего и четвертого поколения и магнитные структуры для этих машин были описаны еще в 90-х годах прошлого века, но в силу технологического развития достичь его было невозможно. Сегодня, благодаря технологическому прогрессу в области металлообработки, которая позволяет изготавливать огромные по размерам магниты с точностью до двадцати микрон, электроники, создающей супербыстрые и чувствительные системы диагностики, и других высокотехнологичных областях, стало возможным создание специализированных источников СИ поколения 4+. На таких машинах можно получать рентгеновское излучение с высокой когерентностью.

"Эмиттанс или фазовый объем источника СИ определяется последовательностью фокусирующих и поворачивающих магнитов, - добавляет младший научный сотрудник Института ядерной физики Григорий Баранов. - Нам удалось, после довольно длительного и интенсивного поиска моделирования сложного движения частиц, подобрать такую магнитную структуру, которая позволила получить рекордно малый эмиттанс и при этом получить все остальные характеристики установки: время жизни пучка, эффективную инжекцию, нужную стоимость элементов. Наша магнитная структура простая, гибкая и изящная, но при этом с очень хорошими параметрами. То, что она простая, позволяет уложиться в довольно жесткие сроки реализации проекта".

По словам специалиста, в подходе к созданию магнитной структуры для ЦКП "СКИФ" есть еще одно отличие, которое дает установке преимущество в получении малого эмиттанса. "Чтобы получить малый эмиттанс, пучок нужно сильно сжать сильными магнитными линзами, в том числе – нелинейными. Нелинейное движение частиц резко уменьшает область устойчивого движения, если частица попадает за ее пределы (например, столкнувшись с атомом остаточного газа в вакуумной камене), она погибает, и так может погибнуть весь пучок. Нам удалось найти такую расстановку небольшого числа нелинейных магнитов, которая обеспечивает достаточную область устойчивости. Эта задача сложная и требует серьезных вычислительных мощностей", - поясняет Григорий Баранов.

На данный момент, отметила руководитель пресс-службы ИЯФ СО РАН Алла Сковородина, магнитная структура ускорительного комплекса источника СИ ЦКП "СКИФ", которая будет формировать малый эмиттанс пучка, полностью разработана.

Справка.

Проект центра коллективного пользования "СКИФ" создается в рамках национального проекта "Наука" с целью реализации современной отечественной сети источников синхротронного излучения нового поколения в России, и является флагманом программы развития Новосибирского научного центра, известной как "Академгородок 2.0". ЦКП "СКИФ" - это центр коллективного пользования, который будет включать в себя не только ускорительный комплекс, но и развитую пользовательскую инфраструктуру: экспериментальные станции и лабораторный комплекс. Создание источника СИ планируется завершить в 2023 году, что позволит начать проведение научных исследований уже в 2024 году. Ориентировочная стоимость проекта оценивается в 37,1 млрд рублей. Первый транш в размере 774,1 млн рублей на создание технологически сложного оборудования ускорительного комплекса должен поступить в 2020 году.