Запуск мегасайенс-проекта СКИФ в Новосибирске: детали и перспективы

Новосибирскую мегасайенс-установку планируют запустить в 2026 году.

Ярче триллиона солнц

Церемония запуска Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ) — масштабной установки класса мегасайенс, созданной в наукограде Кольцово под Новосибирском учеными Института катализа и Института ядерной физики СО РАН по заказу Минобрнауки РФ — запланирована на следующий год. Президент РФ Владимир Путин был приглашен на это событие 19 декабря в ходе прямой линии.

Глава государства подчеркнул исключительную важность проекта. «Что касается СКИФа, то это действительно большой успех. Почему? Потому что это дает возможность не только проводить исследования фундаментального характера, но и прикладного одновременно. Это очень важно, потому что это даст возможность работать в области фармацевтики, новых материалов и так далее», — отметил президент, пообещав постараться посетить запуск.

Министр науки и высшего образования Валерий Фальков пояснил, что СКИФ, являясь синхротроном поколения 4+, будет одним из лучших в мире по своим характеристикам. Он подчеркнул, что установка сможет создавать лучи, которые будут в триллион раз ярче поверхности Солнца. Это позволит российским и международным ученым изучать мельчайшие структуры материалов и процессы в биомедицине.

«Реализация этого проекта, несомненно, даст мощные конкурентные преимущества, в первую очередь российским ученым, тем, кто занимается исследованием в самых разных областях: в структурной диагностике материалов, биомедицине, химии и многих других дисциплинах», — добавил Фальков, отметив, что оборудование для синхротрона было изготовлено преимущественно в России (в Новосибирске, Томске и иных регионах) в рекордно короткие сроки.

Владимир Путин напомнил, что идея создания СКИФа возникла на Совете по науке при президенте России в Новосибирске в 2018 году. Он поздравил всех причастных с успешным завершением работ, несмотря на санкционные преграды.

Директор Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН, академик РАН Валерий Бухтияров, выразил уверенность, что СКИФ станет лучшим в мире источником синхротронного излучения в своем классе. Ученый подчеркнул, что самое важное — уникальный комплекс даст российскому научному сообществу возможность проводить полный цикл исследований внутри своей страны. Объект класса мегасайенс возводится в наукограде Кольцово и включает 34 здания и сооружения на территории 30 гектаров.

Первый узел сети

Центр коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (ЦКП «СКИФ») станет первым объектом современной сети источников синхротронного излучения, создаваемой в России в рамках Федеральной научно-технической программы до 2030 года.

Источники синхротронного излучения необходимы для исследования сверхмалых объектов микронного и нанометрового размера, позволяя увидеть структуру материи вплоть до расположения отдельных атомов, причем не только в статике, но и в ходе динамических процессов (например, возникновения трещин или детонации).

На момент запуска ЦКП «СКИФ» будет лучшим в мире источником синхротронного излучения в классе накопителей среднего энергетического диапазона (3 ГэВ). Его уникальные характеристики позволят проводить передовые фундаментальные и прикладные исследования в химии, физике, материаловедении, биологии, геологии и даже в гуманитарных науках.

Например, исследования на СКИФе помогут создавать новые лекарства, улучшать характеристики материалов, изучать древние артефакты без ущерба их целостности и оценивать месторождения полезных ископаемых. Доступ к комплексу ученые из России и других стран будут получать на основе конкурсного отбора заявок. «Пропускная способность» комплекса оценивается примерно в 1000 научных групп в год, при этом исследования будут проводиться в режиме 24/7.

В рамках первой очереди в 2026 году планируется запустить семь экспериментальных станций, а к 2035 году их число увеличится до тридцати. Комплекс спроектирован для взаимного дополнения и усиления станций, которые будут реализованы во всех востребованных методах диагностики. В будущем появятся станции, работающие не только в рентгеновском, но также в ультрафиолетовом и инфракрасном спектральных диапазонах.

Как устроен СКИФ

Схема устройства СКИФа выглядит следующим образом: электронная пушка формирует сгустки электронов, которые разгоняются в линейном ускорителе до энергии в 200 МэВ. По транспортному каналу электронные сгустки поступают в кольцевой бустерный синхротрон (бустер), где дополнительно разгоняются до рабочей энергии 3 ГэВ, а затем направляются в основной накопитель.

В накопителе сгустки, проходя через магнитное поле поворотных магнитов или специализированных многополюсных устройств (вигглеров или ондуляторов), генерируют синхротронное излучение. Это излучение выводится через фронтенды в каналы транспортировки рентгеновского пучка, по которым оно доставляется до экспериментальных станций для проведения научных исследований.

Лидер поколения

Уникальность СКИФа обусловлена его способностью создавать исключительно сфокусированный луч. Для изучения микроскопических объектов, например, белка вируса, нужен узконаправленный луч, а не широкий поток света.

Качество получаемых данных определяется эмиттансом — произведением линейного размера источника синхротронного излучения на угловую расходимость светового луча. Чем ниже эмиттанс, тем выше плотность фотонного потока, который можно достичь на исследуемом образце.

Именно рекордно низкий эмиттанс в 75 пикометров-радиан (пм-рад) позволяет классифицировать СКИФ как источник синхротронного излучения поколения 4+. Для сравнения, на данный момент в мире действует всего три источника синхротронного излучения поколения 4: установки MAX IV в Швеции, ESRF во Франции и Sirius в Бразилии.

Вопреки конъюнктуре

Изначально проект СКИФ предполагал широкую международную кооперацию, но введение санкций потребовало от создателей комплекса в экстренном порядке преодолеть ограничения на поставку высокотехнологичного оборудования.

Была развернута масштабная работа по организации импортозамещения. В кратчайший срок удалось наладить производство мощных высокочастотных клистронов (которые изначально планировалось закупить в Японии), источников питания магнитов бустера (Дания) и вакуумного оборудования (Швейцария). Успешное преодоление санкционных препятствий подтвердило высокий уровень отечественной науки и промышленности.