Сибирский кольцевой источник фотонов – универсальный инструмент для генерации научных знаний. Интервью с директором ЦКП «СКИФ» Евгением Левичевым
Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера спустя десятилетия работы на переднем крае науки продолжает создавать источники синхротронного излучения, коллайдеры и другие установки для мировых открытий. Прямо сейчас ученые нацелены на новый рекорд: продолжается строительство источника синхротронного излучения с уникальными параметрами. Каким будет СКИФ – многофункциональная установка класса мегасайенс для науки и технологий будущего?
Евгений Борисович Левичев – доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, заместитель директора по научной работе ИЯФ СО РАН и директор ЦКП «СКИФ». Автор фото: Антон Веселов. Предоставлено пресс-службой ЦКП «СКИФ».
– В научной литературе, в СМИ мы можем найти упоминания коллайдеров, ускорителей, установок со встречными пучками, синхротронов. В чем их разница? И для каких задач создаются определенные типы установок?
– Считается, что появление ускорителей заряженных частиц обязано экспериментам, которые проводил Эрнест Резерфорд в 1906–1911 гг. Ученый облучал тончайшую фольгу из золота альфа-частицами, получаемыми из природного радиоактивного изотопа. Изучая рассеяние альфа-частиц, ученый сформулировал знаменитую планетарную модель атома, согласно которой в центре атома находится очень маленькое тяжелое ядро, а вокруг ядра летают легкие электроны.
Позднее, в 1927 г., Резерфорд писал, что, если бы была возможность получать частицы с энергиями, превышающими те, которые излучаются природными источниками, «это открыло бы чрезвычайно интересные области исследований».
Резерфорд справедливо ожидал, что благодаря ускорителям ученые смогут изучать материю в мельчайшем масштабе. Именно эти ожидания и побудили учеников и последователей Резерфорда начать разработку первых ускорителей частиц в 30-х гг. ХХ в.
Из названия легко понять, что установка ускоряет заряженные частицы: протоны, ионы, электроны. Первые ускорители создавались исключительно для изучения физики микромира. Причем эксперименты реализовывали по схеме, которая была еще у Резерфорда. Пучок набирал энергию, выводился из ускорителя и попадал в неподвижную мишень, после чего физики исследовали реакции, возникающие при взаимодействии ускоренных частиц зондирующего пучка и мишени.
Однако ученые быстро осознали, что такая схема – не самая удачная, поскольку она энергетически невыгодна. Бóльшая часть энергии налетающих частиц тратилась на отдачу мишени, примерно как в случае, когда бильярдный шар сталкивается с неподвижным шаром и приводит его в движение. И только малая часть энергии в подобных установках приходилась собственно на реакцию.
В 1943 г. норвежский инженер Рольф Видероэ предложил новую схему, основанную на встречных пучках частиц. В то время это был своего рода новаторский взгляд. Дело в том, что плотность пучка на много порядков ниже, чем плотность твердой неподвижной мишени, и очень трудно обеспечить встречу частиц. Поэтому довольно долго никто не брался за создание таких установок. И только в начале 1960-х гг. сотрудники нескольких лабораторий – в Стэнфордском университете (США), Национальной лаборатории Фраскати (Италия) и в ИЯФ Сибирского отделения АН СССР – решились на смелый шаг: создать первые коллайдеры.
Лично мне слово «коллайдер» не очень нравится. Мы были одни из первых и предложили свое название: «установки со встречными электрон-позитронными пучками». Но сегодня благодаря успехам Большого адронного коллайдера в CERN термин «коллайдер», конечно, стал гораздо более употребляемым.
Постепенно стало ясно, что ускоренные пучки заряженных частиц можно использовать не только для целей фундаментальной физики, но и для многочисленных прикладных применений. Например, протонные и ионные синхротроны эффективно лечат злокачественные опухоли. А так называемые имплантеры, маленькие ионные ускорители, придают полупроводникам нужные свойства. Если бы в прошлом веке не появились ускорители, то не было бы и микрочипов, которые сейчас установлены в каждом телефоне, телевизоре, компьютере. С помощью небольших ускорителей электронов облучают, например, изоляцию кабелей. При этом она становится более термостойкой и прочной. Эти кабели используют при создании самолетов, ракет, подводных лодок и другой подобной техники.
При работе с первыми циклическими ускорителями ученые обнаружили интересное явление. Когда легкие частицы (электроны и позитроны) движутся по круговой орбите, наблюдается излучение по касательной к их движению. Его назвали «синхротронным излучением», потому что оно впервые наблюдалось именно в синхротронах. Как оказалось, ряд уникальных свойств синхротронного излучения делают его мощным инструментом для исследований в самых разных областях науки и техники.
Видеоверсия интервью на сайте ВК →
– А правда ли, что синхротронное излучение изначально называли «паразитным»?
– Исходно оно рассматривалось как вредное, поскольку синхротронное излучение действительно уносит энергию от ускоренного пучка электронов. Из-за этого энергию пучка необходимо все время возобновлять с помощью системы ускоряющих резонаторов, которые должны были восполнять потерянную энергию. Однако «паразитным», как правило, называли режим работы с синхротронным излучением по остаточному принципу на первых ускорителях, приоритетом которых была физика частиц.
Линейный ускоритель установки СКИФ. Автор фото: Александра Малыгина. Предоставлено пресс-службой ЦКП «СКИФ».
– Удалось ли решить эту проблему потери энергии в настоящее время?
– Нет. Принцип работы никак не изменился. На установки ставятся высокочастотные резонаторы, которые ускоряют частицы. Но тут мы сталкиваемся с другой проблемой. Поскольку мощность синхротронного излучения растет не пропорционально энергии заряженных частиц, а пропорционально четвертой степени энергии (это очень высокая степень), синхротронное излучение препятствует созданию очень больших циклических ускорителей легких заряженных частиц – электронов и позитронов. Именно поэтому сложно и энергетически невыгодно строить кольцевые электрон-позитронные коллайдеры высокой энергии.
Поэтому в 70-х гг. прошлого века в Институте ядерной физики появился первый проект линейного электрон-позитронного коллайдера ВЛЭПП (встречные линейные электрон-позитронные пучки). Сейчас в мире реализуются лишь два проекта линейных коллайдеров: один – в Японии («Международный линейный коллайдер»), второй – в CERN, который называется «Компактный линейный коллайдер». Но компактность эта, конечно, относительная. Длина всей установки составляет около 30 км.
– Ясно, что физики-теоретики делают определенный заказ на создание той или иной установки. Но как инженеры понимают, какие элементы и характеристики должны быть в конечной установке для решения поставленных задач?
– На самом деле все не совсем так, как вы описали. Каждая новая установка, как правило, строится под задачи и эксперименты, которые до этого не проводились. Проще говоря, по определенным параметрам она становится рекордной. Как правило, речь идет о критичных и трудноисполнимых параметрах. Поэтому процесс создания нового ускорителя осуществляется методом последовательных приближений, шаг за шагом. В этом процессе задействованы все: и физики-теоретики, и физики-экспериментаторы, и физики-ускорительщики.
В нашей деятельности нет технических заданий. Скорее, это коллективная и, надо сказать, очень интересная работа на передовом научном рубеже. А новые идеи – это всегда интересно.
– Поговорим о подготовке одного из самых ожидаемых проектов – Сибирского кольцевого источника фотонов. Что эта установка даст современной физике?
– Как любой источник синхротронного излучения, будущий СКИФ станет многофункциональной установкой. Она даст много не только физике. Число методик, которые используются на синхротронном излучении, исчисляется десятками, если не сотнями. А интерес к таким установкам проявляют не только физики. Сегодня с синхротронами работают химики, биологи, микробиологи, геологи и даже археологи. Поэтому, например, на базе существующих источников синхротронного излучения в Институте ядерной физики был создан Сибирский центр синхротронного и терагерцевого излучения, в работе которого принимают участие около 30 институтов.
Оборудование бустера установки СКИФ. Автор фото: Анна Ершова. Предоставлено пресс-службой ЦКП «СКИФ».
Если говорить про СКИФ, то нам удалось сделать параметры этой установки в некотором смысле рекордными. По сравнению с его «одноклассниками» – источниками синхротронного излучения с энергией электронов до 3 ГэВ (или 3 млрд эВ) – у СКИФ будет самая большая яркость. Это значит, что мы сможем проводить в некотором смысле более современные и уникальные эксперименты. Прямо сейчас ученые из разных институтов Сибирского отделения РАН как раз разрабатывают экспериментальные станции – исследовательское оборудование, которое должно задействовать уникальные свойства СКИФ.
– Часто упоминается, что в рамках проекта СКИФ создается синхротрон поколения 4+. Оно и характеризует увеличенную яркость установки, о которой вы говорите?
– Верно. В физике источники синхротронного излучения принято делить на поколения. Каждое новое поколение увеличивает эффективность работы установки примерно на один порядок. Так, установки первого поколения в основном работали на физику частиц. Но когда программа по физике частиц заканчивалась, 10–20 % времени выделялись на синхротронное излучение.
Постепенно научное сообщество осознало, что эксперименты с синхротронным излучением тоже очень интересны и могут реализовываться в самых разных науках. Так появилось второе поколение – установки, созданные только для экспериментов с синхротронным излучением. Далее возникли еще более продвинутые машины – третье поколение. Сегодня они составляют максимальное число. В мире работают около 30 таких установок. За прошедшие два-три десятилетия именно они дали максимальные результаты. В частности, ряд Нобелевских премий получены за эксперименты с использованием синхротронного излучения.
К сожалению, в России отсутствуют подобные установки третьего поколения. Ускорители первого и второго поколений у нас были и есть, но когда весь мир начал строить источники третьего поколения, в нашей стране произошла перестройка и стало сразу не до источников. То есть этот период мы пропустили.
Первый магнит накопителя установки СКИФ. Автор фото: Иван Куксанов. Предоставлено пресс-службой ЦКП «СКИФ».
К счастью, совсем недавно в России появилась возможность тратить довольно большие деньги на серьезную научную инфраструктуру, поэтому мы смогли приступить к созданию СКИФ, синхротрона четвертого поколения.
Почему мы говорим о поколении 4+? Дело в том, что существуют некие физические фундаментальные ограничения на увеличение яркости. В СКИФ они уже достигаются. Для дальнейшего развития нужны новые идеи, которых сейчас нет. Поэтому мы говорим о поколении 4+ как об источнике, достигшем предела по фазовому объему электронного пучка, в частности по яркости в определенном, оптимальном для исследователей диапазоне длин волн.
– Есть ли аналоги подобной установки в мире или планы у других стран на строительство?
– Да, есть. На самом деле сейчас в мире есть три источника синхротронного излучения четвертого поколения. Это установка MAX IV в Лундском университете Швеции; Европейский источник синхротронного излучения (ESRF) во французском Гренобле; третья – Sirius – в Бразилии. И вскоре к ним присоединится СКИФ. Для сравнения: у первенца MAX IV проектный эммитанс (фазовый объем источника) был равен 320 пм (пикометров), а у нашей установки – 75 пм. Чем меньше эммитанс, тем большую яркость излучения можно получить при прочих равных условиях.
На самом деле, используя в том числе достижения всего мира, мы смогли сделать такой большой проект за несколько лет. Мы говорим о рекордных параметрах, но и это не предел. Прогресс не остановить. Возможно, совсем скоро появятся и другие масштабные проекты, в том числе использующие наш опыт. Время покажет.
– В октябре 2022 г. стало известно, что состоялся запуск первой очереди линейного ускорителя, собрана инжекционная часть и проведены ее испытания. Насколько успешными они были?
– Отмечу, что изготовление ускорительной части источника синхротронного излучения регулируется контрактами, которые подписаны с Институтом ядерной физики СО РАН. В рамках проекта создаются также и экспериментальные станции, но в их подготовке участвуют другие институты и организации.
Прямо сейчас идет активная работа по изготовлению магнитной системы и вакуумных камер ускорителей. И одно из ключевых мест ускорителя – это, собственно, инжектор, устройство, в котором производятся первые электроны, первый электронный пучок, который затем ускоряется.
Ясно, что ускорить пучок сразу до энергии в 3 млрд эВ довольно тяжело. Поэтому мы используем каскадную схему инжекции, когда несколько установок ускоряют пучок до конечной величины. В нашем случае это линейный ускоритель с энергией 200 МэВ. Затем пучок из линейного ускорителя инжектируется в бустерный, или промежуточный, синхротрон, который ускоряет пучок электронов уже до 3 ГэВ. На всем этом ускорительном пути, пожалуй, самый тяжелый участок – это первые метры. На электроны с низкой энергией могут влиять самые разные возмущающие факторы – например, магнитное поле Земли или металлические, стальные конструкции, расположенные недалеко от пучка. Поэтому перед командой стоит сложная задача: правильно скомпоновать и спроектировать первую часть ускорителя, где электроны становятся релятивистскими, то есть частицами со скоростью, близкой к скорости света.
Не дожидаясь, пока будут готовы здания для СКИФ, мы решили сами сделать у себя в Институте ядерной физики первую часть линейного ускорителя. Она состоит из источника электронов, который мы называем «электронная пушка», и некоторых других составных частей. В октябре была запущена самая первая часть ускорителя – порядка 1,5 м. Нам удалось ускорить электроны до энергии примерно в 1 МэВ и разогнать их до релятивистской скорости, когда сами электроны уже меньше «боятся» возмущающих факторов. Мы измерили все параметры, они оказались хорошими. То есть параметры пучка соответствуют проектным.
Мы столкнулись и с негативным влиянием санкций. Часть оборудования, которую мы планировали закупить у иностранных компаний, пришлось в короткие сроки создавать самим силами коллектива ИЯФ. Например, наши инженеры разработали хороший модулятор (источник высоковольтных очень коротких импульсов) с отличными параметрами. На мой взгляд, это весомый шаг. Поэтому на данном этапе мы уже получаем пучок с требуемыми параметрами. Пока все идет по плану.
– Когда следует ожидать завершения строительства и запуска установки?
– По плану в конце 2023 г. должна быть готова существенная часть инжектора, который включает линейный ускоритель и бустерный синхротрон. На этом этапе ученые смогут работать уже непосредственно с пучком в наукограде Кольцове (где строится СКИФ), если строители успеют построить соответствующие здания. А в конце 2024 г. мы планируем приступить к пусконаладке всего комплекса в целом и начать работу с пучками синхротронного излучения, постепенно создавая экспериментальные станции.
На стройке сейчас завершен подготовительный период. Идет этап рабочего проектирования.
– Сколько экспериментальных станций планируется создать в Центре коллективного пользования?
– На первом этапе запланированы шесть экспериментальных станций. Но в целом может быть до 46 различных каналов вывода синхротронного излучения. По опыту можно сказать, что на таком хорошем, продвинутом источнике синхротронного излучения за год может проходить до 2 тыс. исследователей. Центр коллективного пользования будет предоставлять время на каналах вывода синхротронного излучения бесплатно по заявкам от научных групп и институтов. Главное, чтобы результаты исследований или экспериментов с использованием установки были опубликованы в научном журнале.
– Коллеги из других институтов интересуются этапами строительства?
– Да, конечно. У нас очень богатые связи со многими организациями в России. Это и институты, уже имеющие опыт сотрудничества благодаря совместной работе в Сибирском центре синхротронного и терагерцевого излучения. Поэтому они хотят продолжать свои исследования. Многие из них участвуют и в создании экспериментальных станций, оснащенных тем оборудованием, которое им в будущем понадобится.
Важный фактор, о котором следует упомянуть, связан с подготовкой кадров. Для работы такого крупного передового комплекса необходимо множество специалистов, которых пока нет. Конечно, уже существуют программы подготовки. Они есть и в Новосибирском государственном университете, и в Новосибирском государственном техническом университете. Нам помогает и Томский государственный университет, где хотят начать подготовку кадров специально для нужд СКИФ. Прямо сейчас мы рассчитываем на скорейшее вхождение выпускников вузов в развитие проекта.
Схема объектов комплекса СКИФ. Предоставлено пресс-службой ЦКП «СКИФ».
После запуска инжектора мы планируем его больше не останавливать, чтобы молодая команда СКИФ проходила на нем обучение и осваивала современное оборудование, часть из которого – уникальное. Поэтому одновременно с обучением необходимо внедрять практику на реальной установке, чтобы к моменту запуска всего большого и сложного комплекса у нас был достаточный штат для работы. Это очень важно, поскольку иначе мы можем получить хорошее работающее «железо», но не будет никого, кто сможет его эксплуатировать.
Источник: «Научная Россия».
Беседовала Анастасия Рогачёва.
Оператор: Дмитрий Самсонов.