В июле Владимир Путин подписал указ о мерах по развитию синхротронно-нейтронных исследований в России. За ближайшие три месяца экспертному сообществу под эгидой Минобрнауки нужно разработать федеральную научно-техническую программу развития синхротронно-нейтронных исследований на 2019–2027 годы.
Фото: ЦКП «СКИФ»
Фото: ЦКП «СКИФ»
Вредный эффект стал счастливой находкой
Потери энергии на кольцевых электронных или позитронных ускорителях долгое время считались неизбежным злом. С одной стороны, пучки электронов и позитронов, которые сталкиваются в кольцевых ускорителях (коллайдерах), должны быть максимально плотными и иметь минимальное поперечное сечение (эмиттанс). Высокая плотность пучков дает возможность точнее идентифицировать частицы, которые создаются при столкновении пучков. Но чем выше была энергия и чем плотнее был пучок в кольцевом ускорителе, тем сильнее частицы одного заряда сталкивались друг с другом — и разлетались. Чтобы победить эти нежелательные эффекты, ученые придумали целый ряд технологий и приемов, например, охлаждение пучка, которое сегодня повсеместно используется в ускорительном оборудовании.
Эмиттанс — важнейшая численная характеристика пучка ускоренных частиц. Строгое его определение: объем фазового пространства, который занят пучком (то есть это произведение объема пучка в пространстве координат на его объем в пространстве импульсов (или скоростей)). Малому эмиттансу соответствует узкий пучок с малым разбросом по скоростям.
В ходе продолжительной борьбы выяснилось, что излучение, порождаемое движущимся в магнитном поле пучком заряженных электронов, способно творить чудеса. С начала 60-х годов началось использование этого — синхротронного — излучения (СИ) в экспериментах, сначала в атомной спектроскопии, а вскоре и в физике твердого тела. Побочный продукт очень быстро стал востребованным, и начиная с источников второго поколения это оборудование создавалось целенаправленно.
Синхротронное излучение образуется в поворотных магнитах, установленных в вакуумной камере, внутри которой с почти световой скоростью движется узконаправленный пучок электронов. Во время поворота — под воздействием магнитного поля — летящие электроны испускают по касательной к орбите пучки фотонов в широком спектре, максимум которого приходится на рентгеновский диапазон. Для пользовательской станции обычно нужны фотоны строго определенной длины волны, то есть излучение должно быть монохроматическим. Эту задачу решает специальный рентгенооптический прибор — монохроматор.
Синхротронный источник Нобелевских премий
Сегодня самые популярные направления исследований на СИ — это биология и медицина, в частности, создание новых фармацевтических препаратов. За открытия, сделанные в процессе изучения белковых кристаллических структур на источниках СИ, с 1997 года присуждено уже семь Нобелевских премий. Нобелевские премии по химии в последние годы зачастую получают именно молекулярные биологи — специалисты в области низкотемпературной белковой кристаллографии, имеющие к химии лишь косвенное отношение.
Источники СИ
«Просвечивать» рентгеновским пучком образцы, чтобы определять их состав и атомную структуру, требуется абсолютно во всех научных направлениях: в химии, в материаловедении, в геологии, в физике поверхностей (полупроводников), в физике взрыва и даже в археологии. Причем в археологии этот метод изучения особенно ценен, поскольку он не разрушает исследуемый предмет. Кроме научных организаций, пользователями станций СИ обычно являются наукоемкие производства, в частности, вся фармацевтическая промышленность, производители оборудования и машиностроения.
Сейчас в мире работает более 40 накопителей частиц — источников СИ. Они различаются на поколения по ширине поперечного сечения пучка частиц — эмиттансу, от которого напрямую зависит яркость, а следовательно, и качество получаемых изображений или спектров. Чем меньше сечение, тем выше яркость. «Каждому новому поколению источников СИ присущ все меньший эмиттанс,— рассказал заместитель директора Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН Евгений Левичев.— К первому поколению относят накопители с эмиттансом примерно 300–500 нанометров (нм), исходно предназначенные для физики элементарных частиц. Второе поколение — это уже специализированные установки для экспериментов с СИ и с эмиттансом около 20–100 нм. Установки третьего поколения, наиболее многочисленные и совершенные, обладают эмиттансом от 1 до 10 нм и производят пучки рентгеновского излучения высокой яркости».
Лучше меньше, да ярче
Наибольшей яркости излучения ученые добиваются, уменьшая эмиттанс — благодаря сочетанию узкой прецизионной вакуумной камеры и более точных структур магнитов, а также благодаря новым возможностям программных продуктов, позволяющих производить более точные расчеты магнитных полей и динамики пучка. Предел величины эмиттанса пучка, к которому сейчас стремятся все передовые лаборатории, стал дифракционным, то есть по порядку величины он совпадает с длиной волны фотона (1 пикометр, или 0,001 нм).
«Если у кого-то в мире получится создать источник СИ с размерами электронного пучка, равными длине волны излучаемых фотонов, и добиться, чтобы они были когерентны (совпадали по фазе), как, например, у лазерного излучения в световом диапазоне, то изображение изучаемого объекта в рентгеновском излучении станет трехмерным, голографическим»,— поясняет Евгений Левичев.
Структура магнитов в установке «СКИФ» позволяет достичь эмиттанса 0,05 нм,·или 50 пикометров. Эти показатели для источника поколения 4+ оптимальны. Руководитель лаборатории синхротронного излучения Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН Константин Золотарев пояснил, что для исследователей представляет интерес именно рентгеновский диапазон излучения, поскольку длина волны в этом диапазоне сопоставима с размером атома или одной ячейки анализируемого кристалла. «Все, что человечество знает сегодня о кристаллах,— это информация, полученная с помощью дифракции в рентгеновском излучении»,— отметил ученый.
«Расстояние между атомами сравнимо с длиной волны этого излучения, поэтому мы имеем дифракцию и получаем координаты каждого атома, даже если это очень сложная молекула. Самое актуальное направление — это белковая кристаллография. Сами по себе белки, разумеется, не являются кристаллами, но чтобы можно было исследовать их на источнике СИ, они должны быть закристаллизованы, что требует большого труда, денег и времени. Кристаллизация некоторых белков может занимать месяцы. Затем, чтобы не испортить полученный кристалл во время доставки и облучения, его замораживают жидким азотом».
Белковые макромолекулы очень сложны — они могут содержать десятки тысяч атомов. И единственный надежный способ ее идентифицировать — это снять ее спектр. Именно это позволяет сделать рентгеновское излучение в соответствующем диапазоне длин волн.
Схема размещения исследовательской инфраструктуры
Фото: ЦКП «СКИФ»
Схема размещения исследовательской инфраструктуры
Фото: ЦКП «СКИФ»
Космические технологии
Одной из первых пользовательских станций в России стала в 2007 году станция «Космос» на кольцевом ускорителе ВЭПП-4. В вакуумной камере она имитировала солнечное излучение в космосе. Это позволяет испытывать измерительное оборудование космических аппаратов, предназначенное для изучения солнечной активности. На новом синхротронном источнике ЦКП «СКИФ» планируется шесть базовых станций: «Микрофокус», «Структурная диагностика», «Быстропротекающие процессы» (рентгенография взрыва), «Диагностика в высокоэнергетическом диапазоне» и другие направления. В отличие от работ на ВЭПП-4, «СКИФ» предназначен исключительно для пользователей — научных исследований по ускорительной физике на нем не будет. Пользователи обычно приезжают работать на станции СИ со своими образцами для исследований и собственными научными или технологическими задачами. В этой связи сегодня ведется огромная работа по выявлению и привлечению потребителей синхротронного излучения.
Кто заплатит за СИ
Для некоторых российских ученых исследования на станциях СИ — обычная работа, которую они регулярно ведут за рубежом, где время для исследований выделяется безвозмездно. А как же в таком случае окупаются миллиардные вложения? Во-первых, во всем мире заметную часть потребителей СИ представляет наукоемкий и высокотехнологичный бизнес, который активно использует время на СИ. Готова ли к таким работам российская промышленность — отдельный вопрос. Ведь для работ на СИ нужны целенаправленные вложения на подготовку кадров и самих образцов. Во-вторых, миллиардные вложения в передовую науку практически никогда не окупаются непосредственно. Государство, которое строит у себя источник СИ последнего поколения, получает настолько значимые преференции на международном уровне в научной и технологической сфере, что прямой подсчет экономической выгоды не имеет смысла.
Российская история источников СИ
Резкий скачок исследовательских возможностей положительно сказывается практически на всех уровнях — от фундаментальной и прикладной науки до наукоемких производств как малого бизнеса, так и большой промышленности. В Италии, например, есть станция СИ, на которой обследуют пациентов, выявляя опухоли на ранних стадиях,— как мы уже знаем, доза облучения на любом источнике регулируется, луч получается узконаправленный и очень яркий, отсюда — высокая контрастность изображения, а разрешение (плотность точек) снимка на порядки больше, чем на самом лучшем томографе. Упрощенно описать возможности источников СИ по сравнению с существующими высокотехнологичными методами исследований можно, используя выражение «на порядки»: на порядки ярче и детальнее изображение, на порядки быстрее анализ, на порядки точнее результат, на порядки больше функций.
Канал для исследования ударно-волновых процессов
Канал для исследования ударно-волновых процессов
Что позволяет делать СИ
Заместитель руководителя проектного офиса ЦКП «СКИФ», руководитель лаборатории перспективных синхротронных методов исследования Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН Ян Зубавичус поясняет принцип работы станции: «Рентгеновский пучок формируется на длинной многополюсной структуре из магнитов под названием ондулятор. Излучение пучка после ондулятора очень узконаправленное, а после рефракционных линз, которые установлены на этой станции, он сжимается еще сильнее и составит десятки, максимум сотни нанометров. На такой станции будет удобно производить неразрушающий флуоресцентный анализ химического состава образцов».
«Фактически здесь производится картографирование элементного состава с шагом, определяемым размером рентгеновского пучка-зонда. Это актуальные исследования для геологии и для археологии и, собственно, для разработки катализаторов, в которых главную роль играют активные компоненты (например, наночастицы благородных металлов, таких как платина или золото), которых в исследуемом веществе совсем немного. Ни один инструментальный метод физико-химического анализа не может сравниться ни по скорости, ни по информативности с технологией СИ. Кроме того, в синхротроне можно исследовать не только структуры, но и процессы, отслеживая структурные изменения за кратчайшие промежутки времени — пикосекунды. Например, можно максимально реалистично смоделировать внутри камеры станции реальный каталитический процесс, происходящий в автомобильной системе дожигания выхлопных газов или в каталитическом реакторе».
«Источник СИ, в отличие от других методов исследований, обладает большой гибкостью настроек и потому дает существенную свободу по созданию условий, приближенных к реальным. В частности, для многих процессов не подходит вакуум, поскольку изучается, допустим, присоединение продуктов неполного сгорания топлива к катализатору (экологические проекты в энергетическом секторе). Для этого существуют специальные "камеры плохого вакуума", внутри которых ученые помещают небольшое количество газов и взаимодействующих веществ и могут наблюдать эффективность работы катализатора, в буквальном смысле подсчитывая количество присоединенных молекул вредных выбросов».
Кристаллические вирусы
Самые передовые и актуальные исследования на источниках СИ касаются белковой кристаллографии. Для этих работ в ЦКП «СКИФ» будет предназначено сразу несколько станций СИ. Одна из них — специализированная станция структурной вирусологии одного из крупнейших в России научного центра вирусологии и биотехнологий «Вектор». Кроме непосредственного облучения образцов, на этих станциях нужно будет обеспечить и их подготовку, ведь многие из белковых кристаллов подвержены быстрому разрушению. Для этого будет построена чистая лаборатория, обеспечивающая полную биологическую безопасность выполняемых работ непосредственно вблизи станции.
«Выделение и кристаллизация белков — это кропотливая, многоэтапная, дорогостоящая и очень долгая работа, которая производится методом комбинаторного скрининга,— поясняет Ян Зубавичус.— С применением технологий генной инженерии кусок ДНК (гена), кодирующий внутриклеточный синтез определенного белка, вставляется, например, в ДНК кишечной палочки, чтобы она наработала несколько миллиграммов этого белка. Затем его долго чистят, выделяют и создают подходящие условия для кристаллизации. Далеко не все белки кристаллизуются, а из тех, которые подвержены данной процедуре, каждый требует своих условий. Одному белку нужна пониженная влажность, другому определенная температура».
Теме структурной биологии на СИ посвящен целый раздел биологической науки, которая очень развита, но, главным образом, за рубежом. Число же российских биологов в этой области невелико. При огромной производительности станции (несколько минут на образец) загрузить ее заказами от отечественной науки и производства пока нереально. Но предложение со временем должно будет сформировать спрос. Сейчас общее число пользователей синхротронных центров в мире составляет около 10 тыс. исследовательских групп в год. Так что создателям ЦКП «СКИФ» есть на что рассчитывать.