Что такое синхротрон и чем он полезен?

Еще сравнительно недавно диагностику в буквальном смысле проводили на ощупь, измеряя температуру больного, его пульс, а также по основным параметрам физиологических жидкостей. Настоящий прорыв в науке произошел благодаря немецкому ученому-трудоголику и его бесстрашной жене. С них и начнем…

«Смертельный» снимок

По легенде, когда Анна Берта увидела рентгеновский снимок своей руки, произнесла: «Я увидела свою смерть»

Почти 130 лет назад Вильгельм Конрад Рентген проводил в своей лаборатории эксперименты с электрическими разрядами в стеклянных вакуумных трубках. В какой-то момент он заметил необычные лучи, проникающие сквозь плотные препятствия. Ученый назвал их Х-лучами, то есть неизвестными. Оказалось, что они могут проникать сквозь различные предметы и проецировать изображение, например, на пленку. Тогда исследователь решил посмотреть, что будет, если направить их на человеческое тело. В эксперименте ему помогла жена Анна Берта. Ее левая рука попала на первый в истории рентгеновский снимок.

Через год после открытия Рентгена в Королевской больнице Глазго запустили первое в мире отделение радиологии. Позже ученый получил первую Нобелевскую премию по физике.

Параллельно коллеги Рентгена совершали не менее выдающиеся научные прорывы: англичанин Джозеф Томпсон открыл электрон, ирландец Джозеф Лармор доказал наличие электромагнитных волн у ускоряющихся частиц, а француз Альфред-Мари Лиенар описал излучение частицы, движущейся по окружности (по сути, это был прообраз синхротрона). 

До скорости света

Ученые давно предполагали, что если ускорить заряженные частицы, то можно получить совершенно определенный тип излучения. Тогда и стали строить установки, которые назвали синхротронными. Это аппараты с кольцевой вакуумной камерой, где частицы разгоняются практически до световой скорости, а стоящие на их пути мощные электромагниты задают траекторию движения. Синхротронное излучение позволяет получать легко настраиваемую длину волны. Благодаря такой особенности можно изучать строение нанообъектов, в том числе молекул белков и тканей, структуру искусственно созданных нанослоев и наномембран.

Модель синхротрона в «Курчатовском институте» Фото: © Роман Вуколов / ТАСС

Описанное выше очень похоже на принцип работы коллайдера. И хотя оба устройства используются в физике высоких энергий, все-таки у них разные цели и методы ускорения частиц. В синхротроне частицы ускоряются внутри линейного или кольцевого ускорителя и затем попадают в накопительное кольцо, где циркулируют  вдоль замкнутой траектории. В коллайдере две группы частиц движутся навстречу друг другу. Когда они врезаются, могут появиться новые частицы. Но даже если такое не произошло, ученым интересен сам факт столкновения и того, как оно происходит. Коллайдеры используются для изучения фундаментальных взаимодействий и структуры материи.

Строить синхротроны начали в 1940-х годах. Первый появился в США под крылом компании General Electric. Через несколько лет в Советском Союзе собрали аналогичное устройство. На базе Физического института им. Лебедева Академии наук СССР сконструировали синхротрон с максимальной энергией 250 МэВ. Это был один из первых в мире ускорителей заряженных частиц, способных достигать таких высоких энергий.

Синхротрон «Пахра» в Физическом институте им. Лебедева РАН, 1973 год Фото: © Кузьмин Олег / ТАСС

С развитием технологий синхротронов стало все больше, и сейчас их число даже нельзя сравнить с количеством коллайдеров (хотя о последних среднестатистический обыватель слышал намного больше). Об этом рассказал руководитель направления «Биоматериалы» Научного центра генетики и наук о жизни Университета «Сириус» Дмитрий Иванов, который больше 25 лет работает на подобных установках.

Дмитрий Иванов Фото: Пресс-служба «Сириуса»

«Синхротроны, этот вторичный продукт ядерной физики, оказался в каком-то смысле более востребованным, нежели продукт первичного назначения. Возможность использовать такое излучение оказалась действительно уникальной. К концу этого года будет запущен российский синхротрон СКИФ. Его построили в Кольцове, под Новосибирском. Он откроет новые возможности для исследований. Хотя и коллайдеры до сих пор строятся. Например, в Дубне скоро будет построен новый акселератор», — рассказал Иванов.

В чем польза?

Физика: синхротроны используются для изучения структуры вещества на разных уровнях, включая исследование кристаллической структуры  синтетических материалов, биологических объектов, а также, например, быстропротекающих химических реакций.

Медицина: применяются для диагностики и лечения заболеваний, включая рак, с помощью методов визуализации, таких как компьютерная томография и позитронно-эмиссионная томография.

Материаловедение: установки помогают в разработке новых материалов с улучшенными качествами, такими как прочность, теплопроводность и электропроводность.

Биология: синхротроны используются для изучения структуры белков, а также их взаимодействия с другими белками и ДНК, что помогает понять механизмы биологических процессов.

Археология и искусство: позволяют исследовать древние находки и произведения искусства, предоставляя информацию о материалах и методах их создания.

Промышленность: служат для контроля качества продукции и оптимизации производственных процессов.

В следующем материале расскажем о самых крупных синхротронах в мире и об интересных исследованиях, которые проводят с помощью этих установок.