Крупнейшие синхротроны в мире: что на них изучают  

Мы уже рассказали о том, что такое синхротрон и в чем его польза для каждого из нас. Теперь покажем, как выглядят самые крупные объекты научной инфраструктуры на Земле, какие именно исследования там проводят, а также узнаем нюансы работы на этих установках из первых уст. 

#физика #синхротрон

Что такое синхротрон и чем он полезен?

Читать

Синхротронное излучение еще называют магнитно-тормозным, ведь оно возникает из-за ускорения заряженных частиц, двигающихся в магнитном поле. Впервые его смог зафиксировать астроном Джон Болтон в 1949 году. Оно исходило из Крабовидной туманности.

Крабовидная туманность — остаток Сверхновой, которая взорвалась в 1054 году нашей эры. Согласно записям китайских астрономов, она была видна на протяжении 23 дней невооруженным глазом, причем даже днем Фото: © NASA

Внутри этой туманности находится пульсар — быстро вращающаяся нейтронная звезда. Она испускает мощные потоки заряженных частиц, которые движутся почти со скоростью света. Они сталкиваются с магнитным полем туманности и генерируют синхротронное излучение. 

Звучит фантастично, но то же самое можно воссоздать на Земле. Причем не только ради научного интереса, но и с прикладной пользой. За эту смелую задачу взялись еще в середине прошлого века. Тогда началась целая гонка по строительству синхротронов. Расскажем, какие ускорители частиц появились в разных странах. Об этом мы поговорили с руководителем направления «Биоматериалы» Научного центра генетики и наук о жизни Университета «Сириус» Дмитрием Ивановым. Он более 25 лет работает на таких установках и знает их специфику изнутри.

Европейский центр синхротронного излучения (Франция)

Крупнейший синхротрон в мире (периметр — 844,4 метра) расположен во французском Гренобле. Этот исследовательский комплекс называется European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), и там расположен источник синхротронного излучения четвертого поколения с энергией 6 ГэВ.

Ежегодно около восьми тысяч ученых посещают European Synchrotron Radiation Facility и проводят там более двух тысяч экспериментов Фото: © ESRF

Объект был построен в 1994 году совместными усилиями 19 стран. Сейчас это международный центр коллективного пользования, где Россия является полноправным членом. 

Дмитрий Иванов Фото: © пресс-служба «Сириуса»

«Скорость электронов в этом устройстве отличается от скорости света на три миллиардных доли, то есть они практически движутся со скоростью света. Там гамма-излучение достигает порядка 5 000 раз. То есть отношение энергии объектов к энергии массы огромное, и они действительно тяжелые. Такие объекты летают в сгустках, которые называются „банчи“ (это сложная кванто-механическая структура). Летая по этому кольцу, они высвечивают фотоны в те моменты, когда претерпевают ускорение. Ученые подсчитали, что каждый электрон высвечивает за один период обращения в накопительном кольце примерно 800 фотонов, что соответствует в среднем одному фотону на метр. При этом электрон, естественно, теряет энергию, и для того чтобы ее поддерживать на одном уровне, на электроны воздействуют излучением с радиочастотой 352 мегагерца (МГц)», — пояснил Дмитрий Иванов. 

Исследования в ESRF в основном сосредоточены в области кристаллографии белков, палеонтологии и материаловедения. Недавно мы писали о том, как удалось расшифровать обугленные свитки, которые оказались погребенными под грудой пепла при извержении Везувия в 79 году нашей эры. Тогда вулкан разрушил Помпею и соседний Геркуланум. В XVIII веке археологи нашли виллу, где хранились эти папирусы. Развернуть их было невозможно — они буквально рассыпались в руках. Проблема заключалась еще и в том, что записи были сделаны краской на основе сажи. Вот почему прочитать черную запись на обугленной «бумаге» того же цвета казалось невозможным.

Узнать содержимое папирусов помог синхротрон. С помощью особой рентгеновской томографии (X-ray Phase Contrast Tomography) были получены изображения более 90 % свитков. Разобрать текст удалось с помощью искусственного интеллекта.

Брукхэвенский синхротрон (США)    

Сборка и тестирование Alternating Gradient Synchrotron, 1958 год Фото: © U.S. Department of Energy

В Брукхэвенской национальной лаборатории США расположен Alternating Gradient Synchrotron, периметр которого составляет 810 метров. Это один из первых синхротронов, использовавших новый принцип жесткой фокусировки. Это значит, что он мог разгонять частицы до высоких показателей энергий, выстраивая их движение по строго определенной траектории. Вскоре после запуска объекта в 1960 году там был установлен рекорд — 33 ГэВ.

«Синхротрон находится на территории большого парка, лаборатория располагается на бывшем военном объекте. Условия проживания для ученых были очень скромными. Там мы провели много экспериментов, фактически жили в деревянных бараках, которые остались после солдат. Зато на входе в лабораторию висит маленькая табличка с надписью: „Здесь работали 24 нобелевских лауреата“. Сейчас этот синхротрон больше не используется. Рядом построили NSLS-2 (National Synchrotron Light Source)», — объясняет Дмитрий Иванов.

NSLS-II создает световые пучки в 10 миллиардов раз ярче солнца, направляя их на специальные экспериментальные установки, называемые синхротронными станциями Фото: © Zxcvbnm789 — Wikimedia Commons

Строительство NSLS-II началось в 2009 году и было завершено спустя пять лет. Синхротрон с длиной периметра 792 метра и энергией 3 ГэВ позволяет проводить опыты в области энергетической безопасности, синтеза и производства передовых материалов, а также экологические и медицинские исследования. Например, в этом году работавшие на NSLS-II ученые раскрыли свойства редкоземельного элемента, который впервые был обнаружен 80 лет назад. Тогда он получил название «прометий» (Pm) в честь Прометея. В природе практически не встречается.

Команде американских ученых удалось раскрыть секреты этого чрезвычайно редкого лантаноида. Они сгенерировали химический комплекс прометия, что позволило впервые обозначить его свойства в растворе. Остальные 14 лантаноидов уже хорошо изучены — это металлы с полезными свойствами, делающие их незаменимыми для реализации многих современных технологий. Они применяются в производстве лазеров, магнитов в ветряных турбинах и электромобилях, рентгеновских экранах и даже в антираковой терапии. 

Sirius (Бразилия)

В конце прошлого века в Бразилии построили первый синхротрон в Южном полушарии — UVX. Это был синхротрон второго поколения с энергией 1,37 ГэВ. В новом тысячелетии было принято решение построить более мощный синхротрон с накопительным кольцом, имеющим периметр 518,4 м. Строительство объекта, которому дали название Sirius, началось в 2015 году и было завершено три года спустя. Так, страна получила один из немногих источников синхротронного излучения четвертого поколения с энергией 3 ГэВ.

Sirius — часть Бразильского центра исследований в области энергетики и материалов Фото: © CNPEM

Первые эксперименты там удалось провести во время пандемии коронавируса. Они были связаны с макромолекулярной кристаллографией. Сейчас синхротрон используется для изучения атомной структуры молекул, что может помочь в разработке новых лекарств и материалов, используемых в строительстве. 

СКИФ (Россия) 

К концу этого года российские ученые планируют запустить Сибирский кольцевой источник фотонов (СКИФ). Этот синхротрон четвертого поколения с энергией 3 ГэВ и периметром 476 метров расположен в наукограде Кольцово. С его помощью получится ускорять до самых больших энергий как легкие заряженные частицы, так и тяжелые.

СКИФ — один из крупнейших в России проектов в области научно-исследовательской инфраструктуры за последние десятилетия  Фото: © ЦКП «СКИФ»

Строительство началось в 2021 году. Тогда на участке будущего административного здания научного комплекса установили стелу в виде греческой буквы «гамма», а в основание памятника заложили капсулу времени, которую планируют открыть в 2035 году. 

СКИФ уже построен, в нем больше 30 зданий и сооружений, где размещены оборудование ускорительного комплекса и экспериментальные станции. Там планируют изучать структуры биополимеров, механизмы функционирования живых организмов, передачу наследственной информации, механизмы действия лекарств, свойства новых материалов.

Мы ожидаем первый пучок уже в этом году. И с нетерпением ждем возможности осуществить первый эксперимент

Дмитрий Иванов

ALBA (Испания)

В городе Серданьоле-дель-Вальесе недалеко от Барселоны находится ALBA — ускоритель синхротронного излучения третьего поколения с энергией 3 ГэВ. Его периметр — 268,8 метра. Около 10 лет потребовалось для проектирования и утверждения комплекса испанским правительством. Еще около семи ушло на его строительство.

По-испански alba — «восход» Фото: © Lahi — Wikimedia Commons

Сейчас на синхротроне активно проводятся эксперименты. Например, ученые изучают микроорганизмы, способные генерировать магнитные поля, что позволяет им хорошо ориентироваться в окружающей среде. Такие исследования помогают ученым лучше понять механизмы, лежащие в основе магнитотактической активности бактерий, и могут привести к новым открытиям в области биологии, экологии и медицины. Не исключено, что именно там будут найдены новые способы борьбы с раком.