Фотонный микроскоп. В Сибири строится уникальный центр синхротронного излучения. Медиа «Трамплин» Омск

Дата публикации: 13.11.2025

Заглянуть вглубь вещества, разглядеть отдельные атомы и понять механику их взаимодействия друг с другом. Разложить на изотопы произведение искусства и узнать, когда и как оно создавалось. Оценить потенциал золотоносной жилы или месторождения палладия. Найти слабое место у опасного вируса и остановить эпидемию с помощью нового лекарства. Эти и ещё массу других задач решает технология синхротронного излучения. Как говорят учёные, она даёт абсолютно новые возможности в понимании устройства материальных объектов.

«Лабораторные реактивы» для исследования — из микромира. Это электроны, которые в ускорителе разгоняются до скорости света. А вот установка, способная придать частицам такой скоростной потенциал и перенаправить их энергию на экспериментальные станции, просто грандиозная. Строительство такого уникального по своим возможностям исследовательского комплекса сейчас завершается в наукограде Кольцово Новосибирской области. Называется объект — Центр коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (СКИФ). Это крупнейший научный проект в нашей стране класса Мега Сайенс, и в ближайшие годы будет лидером среди установок своего класса по уровню промышленной технологии.

По принципу работы СКИФ — это ускорительно-накопительный комплекс. Если на понятном неспециалисту языке — электроны из электронной пушки поступают в кольцевую центрифугу, разгоняются до скорости света и, проходя по искривлённой траектории в магнитном поле, выбрасывают фотоны — электромагнитное излучение широкого светового диапазона, которое называется синхротронным. Пока новосибирские учёные планируют использовать рентгеновский диапазон этого излучения, но есть перспектива расширения диапазона и на другие спектральные области, в том числе ультрафиолетовую и инфракрасную.

Это излучение, как фонарь, способно ярко высвечивать мельчайшие составляющие любого материала. И чем острее луч этого фонаря, направленный на объект, тем точнее результат исследования. В технологии СКИФа акцент сделан именно на эмиттансе пучка заряженных частиц. СКИФ обладает наименьшим эмиттансом среди накопительных колец с энергией 3 ГэВ и, как следствие, самым узконаправленным и ярким синхротронным излучением. На финише это излучение «ловят» и распределяют по экспериментальным станциям, где оно уже работает в качестве исследовательского инструмента. Но для того, чтобы мельчайшие частицы стали таким исследовательским инструментом в руках учёных, нужно было построить огромный комплекс.

Инициирован проект был группой сибирских учёных из Института ядерной физики СО РАН и Института катализа СО РАН в 2018 году на заседании Совета по науке и образованию при Президенте РФ. Предложение было одобрено и вошло в список поручений главы государства. И вот сегодня общая строительная готовность комплекса уже более 90%. Строительная площадка, где строится Центр коллективного пользования «СКИФ», – 30 Га. Там параллельно возводятся 34 здания и сооружения.

— Ключевые – 4 здания. Здание инжектора, где находится линейный ускоритель и бустер (кольцевой ускоритель, в котором энергия электронов повышается с 200 МэВ до 3 ГэВ), основное здание накопителя, и ещё два здания экспериментальных станций. Большая доля оборудования станций находится в основном здании накопителя, но часть вынесена в отдельные здания. Присоединённая электрическая мощность всего комплекса – 12, 5 МВт. Диаметр основного здания электронного накопителя в виде бублика – 240 метров. Длина орбиты по периметру 476 метров. В рамках первой очереди создаётся семь экспериментальных станций. Всего возможно размещение до тридцати. Наша программа инфраструктурного развития рассчитана до 2035 года, — рассказал главный научный сотрудник ЦКП «СКИФ» Ян Зубавичус.

На фото: главный научный сотрудник ЦКП «СКИФ» Ян Зубавичус

Ну а самое главное — практически все агрегаты ускорительно-накопительного комплекса разработали и собрали учёные Института ядерной физики. И все сопутствующие технологии, и «железо» — отечественные. Таким образом, проект стал мощным импульсом для создания сотен позиций уникального российского научного оборудования.

Новосибирские учёные будут и сами проводить исследования в новом комплексе, и привлекать в качестве пользователей команды других исследовательских центров, а также производственных предприятий, поскольку спектр задач, которые можно здесь решать, максимально широк – начиная с химического материаловедения, заканчивая археологией.

— Синхротронное излучение может использоваться для исследования материалов, из которых изготавливают изделия для машиностроения, в том числе металлы, керамические материалы, полимеры, композиты. Мы сможем исследовать их механические свойства, прочность, как материал разрушается в ходе циклических нагрузок и какими обработками мы можем продлить их ресурс. Далее, огромный пласт исследований связан с биомедициной и фармацевтикой. На источнике синхротронного излучения можно расшифровать и получить подробную атомную модель сложных белковых молекул или других химически и биоорганических макрообъектов. То есть, получить точную атомную модель: как расположены атомы, какая форма молекулы, какие в ней есть впадины и выступы, какие есть центры, открытые для связывания с внешним миром. И на основе такой атомной модели, например, белка, мы сможем подобрать химические соединения, молекулы, которые прочно связываются и блокируют действие этого белка. Ну, например, именно белки часто являются причиной возникновения и распространения заболеваний. И если мы расшифруем структуру и резко ускорим процесс подбора этих низкомолекулярных соединений, которые блокируют действие таких патогенных белков, то это путь к рациональному дизайну, структурно направленному конструированию новых лекарственных препаратов. Это резко ускоряет процесс поиска новых фармацевтически значимых соединений, делает поиск не слепым, как во времена алхимии. Так, во времена ковида, буквально в первые недели после появления первых признаков пандемии коронавируса в Китае на источнике синхротронного излучения в Шанхае расшифровали структуру нескольких вирусных белков, которые ответственны за проникновение вируса в клетку, за начало его вредоносного действия внутри клетки. И это послужило основой для разработки эффективных лекарственных средств против коронавируса.

Сейчас мы готовим программу научных исследований нефтеносных пород с трудно извлекаемыми запасами нефти, где тяжёлая высокоплотная густая нефть находится в небольших по размеру порах. Определение этой пористой структуры нефтеносной породы, построение подробной модели этой иерархической структуры пор позволяет построить модель процесса и повысить эффективность извлечения нефти из таких месторождений.

Кроме того, очень широко синхротронное излучение используется для исследования объектов культурного наследия — исследование пигментных слоёв шедевров мировой живописи, археологических артефактов, реконструкция древних технологий, используемых в создании этих изделий. Или если музейный экспонат повреждён, то для определения его состояния и поиска вариантов реставрации или консервации объекта, чтобы он дальше не деградировал. Все эти задачи сейчас тоже эффективно решаются на источниках синхротронного излучения, — пояснил Ян Зубавичус.

И ещё один важный нюанс — ЦКП «СКИФ» будет обладать международным статусом. Уже сейчас новосибирцы разрабатывают экспериментальную станцию в партнёрстве с коллегами из Беларуси. Интерес к совместной работе проявляют также учёные из Казахстана, Армении, Китая. В год до 2 тыс. пользовательских групп на конкурсной основе смогут приезжать в Сибирь со своими научными задачами.

— Я всю жизнь занимаюсь источниками синхротронного излучения и применением таких источников в химии и физике. И я глубоко убеждён, что это центр роста современной науки. Значительная часть передовой науки делается именно на таких источниках. Мировой опыт показывает, что в такие крупные комплексы приезжают учёные из разных дисциплин. Физик, специалист в области сверхпроводников может здесь встретиться с фармацевтом, медиком или археологом, а это стимулирует обмен опытом и комбинирование идей самых разных дисциплин. И вокруг центров синхротронного излучения формируются инновационно-технологические долины, пояса внедрения, появляются небольшие производственные внедренческие компании. Мы над этим тоже работаем. Это отдельная задача — как взаимодействовать не только с научным сообществом, но и с промышленностью. Стараемся, работаем и есть определённые успехи в этом направлении. Ещё, конечно, предстоит огромная работа, но мы уже на этом пути, — подводит итог учёный.

На фото: территория «СКИФ» с высоты

Ну а перспективы у центра буквально заоблачные. Он может дать стране технологии и материалы для новых и возобновляемых источников энергии, включая солнечную и водородную. Технологии эффективной транспортировки электроэнергии, в том числе на базе устройств и систем технической сверхпроводимости. Новые ИТ-технологии и технологии работы с большими данными. И это далеко не полный перечень, потому что сегодня физика, как наука, вступает в новую фазу своего развития, а значит, в «задачнике» для исследователей появляются всё новые и новые страницы.