Синхротронных и нейтронных исследований что это
Почему синхротрон — универсальный инструмент для изучения материи
Запуск первой очереди ЦКП «СКИФ» запланирован на 2024 год. Это ведущий проект в программе развития «Академгородок 2.0». Заведующий сектором 1-32 Института ядерной физики СО РАН Андрей Журавлев ответил для Тайги.инфо на наиболее распространенные вопросы про сибирский синхротрон.
Что же такое СИ или синхротронное излучение?
Если заряженная частица движется с ускорением, то такое движение сопровождается испусканием электромагнитного излучения. Обычный видимый нами свет, радиоволны и рентгеновское излучение — это разновидности электромагнитного излучения.
Такое явление предсказал в начале 20 века немецкий физик А. Шотт. В 1944 году советские физики Иваненко и Померанчук создали теорию излучения электрона в магнитном поле. Впервые наблюдать свет от электронов удалось на американском синхротроне «Дженерал Электрик» в 1947 году. Отсюда появилось и название этого магнито-тормозного излучения частицы, движущейся с ускорением — синхротронное излучение (СИ). Поначалу этот эффект считался неприятным побочным продуктом в ускорительном процессе, поскольку это излучение уносит немалую часть энергии, которую необходимо компенсировать. Однако впоследствии, после серьезных исследований характеристик СИ, были обнаружены его уникальные свойства как инструмента для научных исследований.
В конце 60-х годов в Новосибирском академгородке в Институте ядерной физики им. были проведены первые исследования с использованием СИ.
В чем уникальность СИ?
Синхротронное излучение в рентгеновском диапазоне наиболее востребовано для исследования различных объектов. СИ в рентгеновской области — это электромагнитное излучение с длиной волны от доли до десятков ангстрем (1 ангстрем = 10 −10 метров). Источниками генерации СИ являются крупные ускорители электронов или позитронов (позитрон — это античастица электрона), которые задают его уникальные характеристики. Прежде всего — это интенсивность.
Интенсивность характеризуется несколькими величинами: количеством фотонов, потоком — числом фотонов в единицу времени, плотностью потока — числом фотонов, пролетающих за единицу времени через единицу площади.
По сравнению с обычными лабораторными источниками рентгеновского излучения интенсивность СИ выше на порядки — в миллион-миллиард раз. Для сравнения: самые первые рентгеновские трубки, которые использовал в своих экспериментах в конце 19-го века немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген, отличаются от современных обычных трубок по интенсивности максимум в 10 раз.
Что дает высокая интенсивность синхротронного излучения? Во-первых, эксперименты можно проводить во много раз быстрее. Это позволяет проводить на станциях синхротрона намного больше экспериментов, чем в лаборатории.
Следующее преимущество — можно исследовать маленькие образцы и обнаруживать более тонкие эффекты. Возьмем стандартную флюорографию, которую рекомендуется проходить каждые полгода-год — это просвечивание тканей рентгеновским пучком. Здесь контраст изображения возникает из-за разной плотности тканей — например, кости плотнее, чем мягкие ткани, поэтому они сильнее поглощают излучение, получаются более темными.
В случае синхротронного излучения возникают новые механизмы формирования контрастов — за счет того, что пучок параллельный, происходит не поглощение, а преломление. Благодаря такому контрасту, который называют фазовым, изображение будет намного более детализированным: будут видны границы не только тканей, а клеток и их составляющих, органелл.
Рентгеновское излучение, вырабатываемое синхротронами, распределяется непрерывно. У лабораторных трубок — специфический линейный спектр. Непрерывный спектр означает, что для каждого эксперимента можно выбирать длину волны, оптимальную для его условий. Это еще одна составляющая универсальности синхротрона.
Следует отметить и временные характеристики СИ. Все мы знаем об обычной телевизионной частоте 24 кадра в секунду (24 Гц), нам также известно, что человеческий глаз может заметить «мерцания» на частоте не выше 48 кадров в секунду (48 Гц). Эффект slow motion (замедленная съемка) достигается путем увеличения числа кадров в секунду в несколько раз. Некоторые современные смартфоны могут снимать видео с частотой порядка 1000 кадров в секунду (1 кГц), а профессиональные камеры 200 000 кадров в секунду (200 кГц). На современных источниках СИ возможно наблюдать за процессами на частоте в 1000 раз больше, чем на самой лучшей профессиональной видеокамере. (360 млн кадров в секунду, или 360 МГц). При таких условиях уже доступны исследования сверхбыстрых процессов, например, взрывной процесс.
В каких областях науки используется СИ?
Уникальные свойства СИ: высокая яркость и интенсивность, непрерывный спектр, узко-направленность излучения определили привлекательность источников СИ для различных областей современной науки: химия, биология, генетика, физика твердого тела, кристаллография, геология и экология, материаловедение, нанотехнологии, медицина, технические науки и пр. Центры синхротронного излучения, обеспечивающие проведение различных фундаментальных и прикладных исследований, являются также базой для разработки новых уникальных технологий.
Еще одним показателем востребованности СИ является тот факт, что за последние 20 лет 6 нобелевских премий было вручено работам, результаты которых были получены с использованием синхротронного излучения. Не удивительно, что из 50 специализированных источников СИ в мире, львиная доля приходится на Европу (16), Японию (15) и США (11). Можно утверждать, что наличие центров синхротронного излучения, наравне с ядерными исследованиями и космосом, является признаком научно-технической развитости.
В нашей стране есть 2 действующих центра СИ, на вооружении которых имеются 4 источника 1-го (ВЭПП-3, ВЭПП-4) и 2-го (Сибирь-2) поколения. Чем выше поколение источника (на данный момент всего 4 поколения), тем выше яркость пучка СИ, меньше размер пучка, больше мощность излучения. В данном случае может быть уместно сравнение с поколениями реактивных истребителей. На тех и других самолетах можно долететь до требуемого места, выполнить поставленные задачи, но на истребителях ранних поколений невозможно достичь скорости звука и добраться до тех высот, которые стали доступны современным машинам.
Весной 2018 года было принято решение о создании в России сети источников синхротронного излучения 4 поколения. В Новосибирске планируется построить источник СИ ЦКП «СКИФ» с параметрами на уровне лучших мировых источников СИ.
Проект ЦКП «СКИФ» в Новосибирске — флагман программы развития Новосибирского научного центра «Академгородок 2.0». Источник синхротронного излучения четвертого поколения станет частью отечественной сетевой инфраструктуры синхротронных и нейтронных исследований с головной установкой ИССИ-4 в НИЦ «Курчатовский институт». ЦКП «СКИФ» будет включать в себя ускорительный комплекс и развитую пользовательскую инфраструктуру: экспериментальные станции и лабораторный корпус. Запуск первой очереди проекта с шестью станциями запланирован на 2024 год, ориентировочная стоимость — 37 млрд рублей.
Мегазапуск: утвержден план развития синхротронных исследований
Утвержден план реализации федеральной программы развития синхротронных и нейтронных исследований на 2019–2027 годы. Он был рассмотрен на заседании Совета под председательством вице-премьера Татьяны Голиковой и помощника президента Андрея Фурсенко. В рамках программы запланированы модернизация источника синхротронного излучения «КИСИ-Курчатов», строительство синхротрона поколения 4+ под Новосибирском и источника синхротронного излучения на острове Русский. Кроме того, в стадии завершения находится создание самого мощного в мире исследовательского реактора ПИК на площадке НИЦ «Курчатовский институт» в Гатчине. Также запланировано создание уникальной установки мегакласса, включающей кольцевой ускоритель и рентгеновский лазер на свободных электронах.
Ускорительный прорыв
По плану эти установки — ускорители, синхротроны, исследовательские реакторы и импульсные источники нейтронов — будут активно вводиться в эксплуатацию и модернизироваться.
Однако речь идет не только о создании единичных, пусть и уникальных мегаустановок — предполагается объединение их в единую сеть по всей стране.
Решение президента РФ о создании сетевой структуры мегасайенс, охватывающей всю территорию страны (Москва–Санкт-Петербург–Новосибирск–Владивосток), обеспечит ее интенсивное пространственное развитие. Это будут центры концентрации фундаментальных знаний, подготовки высококвалифицированных научных кадров мирового уровня в важнейших наукоемких отраслях.
Очевидно, что процесс создания мегаустановок и их дальнейшая эксплуатация дадут толчок к развитию новых технологий, появлению новых рабочих мест. Всё это неизбежно приведет к организации инновационных исследовательских и технологических предприятий, сопутствующей инфраструктуры.
Мегаустановки позволят создать конкурентоспособные высокотехнологичные производства в таких областях, как электроника, химическая и аэрокосмическая промышленность, машиностроение, эффективная добыча и глубокая переработка полезных ископаемых. В том числе они необходимы для разработки новых материалов и конструкций, сертификации и контроля качества продукции.
Синхротронные и нейтронные исследования в области биологии и генетики позволят внедрить прорывные природоподобные технологии в энергетике, сельском хозяйстве, микробиологической и пищевой промышленности, а также в медицине и фармакологии.
В том числе планируется разработка новых методов диагностики и лечения, создание материалов для регенеративной медицины, лекарственных средств нового поколения, включая антивирусные и противоопухолевые препараты, и средств их целевой доставки.
Согласно подписанному президентом указу, головной научной организацией, отвечающей за разработку и реализацию этой программы, назначен Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт». Именно здесь 20 лет назад появился первый на постсоветском пространстве специализированный источник синхротронного излучения. Руководителем создания и запуска этой мегаустановки стал один из ведущих ученых в области синхротронного излучения в стране и мире, а ныне президент НИЦ «Курчатовский институт» Михаил Ковальчук.
Научный апгрейд
В 2020 году планируется начало первых научных исследований на уникальной установке класса «мегасайенс» — высокопоточном реакторе ПИК на площадке НИЦ «Курчатовский институт» ПИЯФ в Гатчине. На его базе будет создан Международный центр нейтронных исследований. Работы по созданию исследовательских станций для него идут по графику. Первые пять будут запущены в следующем году.
Этот научный комплекс превосходит зарубежные аналоги по ключевым параметрам, и проведение исследований на нем обеспечит ведущую роль России в изучении структуры и свойств материи с применением пучков нейтронов.
Кроме того, будет проведена модернизация Курчатовского специализированного источника синхротронного излучения «КИСИ-Курчатов», в результате чего установка выйдет на уровень поколения 3+.
Каждая из установок будет отличаться своей спецификой. Так, основным назначением Дальневосточного источника синхротронного излучения станут исследования в области морской биологии и фармацевтики. Модернизованный Курчатовский и строящийся Новосибирский источники синхротронного излучения в ближайшие годы обеспечат создание и развитие самых передовых технологий: от медицины и наноэлектроники до аэрокосмической промышленности. Проектируемый в Курчатовском институте уникальный мегакомплекс «ускоритель — рентгеновский лазер» призван закрепить лидирующее положение нашей страны в разработке прорывных технологий.
В рамках нацпроекта «Наука» на создание установок класса мегасайенс за шесть лет будет выделено более 94 млрд рублей. За ходом реализации программы и соблюдением сроков создания и модернизации установок будет обеспечен строгий контроль на всех этапах.
Синхротронных и нейтронных исследований что это
ПРАВИТЕЛЬСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ПОСТАНОВЛЕНИЕ
от 16 марта 2020 г. № 287
МОСКВА
В целях реализации Указа Президента Российской Федерации от 25 июля 2019 г. № 356 «О мерах по развитию синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры в Российской Федерации» Правительство Российской Федерации постановляет:
2. Министерству науки и высшего образования Российской Федерации в 6-месячный срок со дня вступления в силу настоящего постановления обеспечить принятие нормативных правовых актов, необходимых для реализации Программы, утвержденной настоящим постановлением.
3. Министерству науки и высшего образования Российской Федерации совместно с заинтересованными федеральными органами исполнительной власти и федеральным государственным бюджетным учреждением «Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт» представлять в Правительство Российской Федерации ежегодно, начиная с 2021 года, до 25 марта года, следующего за отчетным, проект доклада Президенту Российской Федерации о ходе реализации Программы, утвержденной настоящим постановлением.
4. Настоящее постановление распространяется на правоотношения, возникшие с 25 июля 2019 г.
Председатель ПравительстваРоссийской Федерации М.Мишустин
УТВЕРЖДЕНА постановлением Правительства Российской Федерации от 16 марта 2020 г. № 287
Указ Президента Российской Федерации от 25 июля 2019 г. № 356 «О мерах по развитию синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры в Российской Федерации»
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Министерство промышленности и торговли Российской Федерации,
Министерство здравоохранения Российской Федерации,
Министерство иностранных дел Российской Федерации,
Министерство экономического развития Российской Федерации,
федеральное государственное бюджетное учреждение «Российская академия наук»,
Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом»
органы исполнительной власти субъектов Российской Федерации, фонды поддержки научной, научно-технической, инновационной деятельности, а также институты развития и другие организации
федеральное государственное бюджетное учреждение «Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
научные организации и образовательные организации высшего образования, организации, действующие в реальном секторе экономики, а также иные организации различных форм собственности или объединения таких организаций
комплексное решение задач ускоренного развития синхротронных и нейтронных исследований, необходимых для создания прорывных технологий; обеспечение создания и развития исследовательской инфраструктуры в Российской Федерации
создание условий для проведения синхротронных и нейтронных исследований (разработок), направленных на решение принципиально новых фундаментальных, крупных прикладных и социально ориентированных задач, в том числе по переходу к персонализированной медицине и высокотехнологичному здравоохранению, с участием образовательных организаций высшего образования, научных организаций, организаций, действующих в реальном секторе экономики, и представителей международного научного сообщества;
создание и развитие исследовательской инфраструктуры, включая проектирование, строительство и техническую эксплуатацию (с соблюдением нормативных требований безопасности) уникальных научных установок класса «мегасайенс», а также отечественной приборно-инструментальной базы для оснащения экспериментальных (исследовательских) станций с целью проведения синхротронных и нейтронных исследований (разработок);
подготовка специалистов в области разработки, проектирования и строительства источников синхротронного и нейтронного излучения, а также научных кадров для проведения синхротронных и нейтронных исследований (разработок) в целях получения научных результатов мирового уровня
синхротронные и нейтронные исследования (разработки) в области материаловедения для развития наукоемких производственных технологий;
синхротронные и нейтронные исследования (разработки) в области живых систем, органических и гибридных материалов;
синхротронные и нейтронные исследования (разработки) в области социогуманитарных наук;
развитие ускорительных, реакторных и ядерных технологий, в том числе в области ядерной медицины
138318,04 млн. рублей.
Объем бюджетных ассигнований федерального бюджета на реализацию Программы:
132298,04 млн. рублей, в том числе:
Объем финансирования из средств внебюджетных источников:
6020 млн. рублей, в том числе:
Финансовое обеспечение Программы может быть скорректировано при утверждении технических проектов создания (модернизации) объектов исследовательской инфраструктуры, включая уникальные научные установки класса «мегасайенс»
бюджетные ассигнования федерального бюджета на реализацию государственных программ Российской Федерации «Научно-технологическое развитие Российской Федерации», «Развитие образования», «Развитие промышленности и повышение ее конкурентоспособности», бюджетные ассигнования бюджетов субъектов Российской Федерации, средства внебюджетных источников
индикаторы и показатели
доля времени работы исследовательских (экспериментальных) станций уникальных научных установок класса «мегасайенс» в интересах российских и зарубежных организаций, действующих в реальном секторе экономики, в общем времени работы исследовательских (экспериментальных) станций уникальных научных установок класса «мегасайенс»- не менее 16 процентов к 2027 году;
создан (включая проектирование, строительство и техническую эксплуатацию) источник синхротронного излучения поколения 4+ (Новосибирская область) (ЦКП «СКИФ»);
создан (включая техническую эксплуатацию) прототип импульсного источника нейтронов на основе реакции испарительно-скалывающего типа (г. Протвино Московской области);
введено в эксплуатацию (включая проектирование, строительство и техническую эксплуатацию) не менее 25 исследовательских станций Международного центра нейтронных исследований на базе высокопоточного реактора «ПИК» (г. Гатчина Ленинградской области);
разработан проект уникальной научной установки класса «мегасайенс» (о. Русский);
модернизирован Курчатовский специализированный источник синхротронного излучения «КИСИ-Курчатов» (г. Москва);
создан (включая проектирование, строительство и техническую эксплуатацию) принципиально новый перспективный источник, превосходящий по техническим характеристикам действующие и проектируемые международные источники синхротронного излучения;
модернизирована исследовательская инфраструктура в Российской Федерации для проведения синхротронных и нейтронных исследований (разработок), включая создание единой цифровой платформы для хранения, обработки и анализа экспериментальных данных с интегрированной в нее унифицированной системой управления экспериментом;
получены научно-технологические результаты, необходимые для разработки прорывных технологий для промышленности, а также технологий, основанных на использовании свойств живых систем, органических и гибридных материалов;
обеспечена подготовка (в том числе повышение квалификации и профессиональная переподготовка) специалистов в области разработки, проектирования, строительства и технической эксплуатации источников синхротронного и нейтронного излучения;
обеспечено увеличение численности научных кадров для проведения синхротронных и нейтронных исследований (разработок);
обеспечены разработка и внедрение образовательных программ и программ дополнительного профессионального образования по направлению «ядерная медицина»;
обеспечено международное сотрудничество при создании и развитии исследовательской инфраструктуры, подготовке кадров и проведении синхротронных и нейтронных исследований (разработок), в том числе с использованием зарубежных источников синхротронного и нейтронного излучения
I. Основные термины, используемые в Программе
II. Состояние развития синхротронных и нейтронных исследований и разработок в Российской Федерации
Важнейшей составляющей исследовательской инфраструктуры, включающей уникальные научные установки класса «мегасайенс», с точки зрения научно-технологического развития страны являются источники синхротронного и нейтронного излучения.
Исследования атомарной структуры объектов живой природы позволят создать на основе полученных знаний принципиально новые технологии, копирующие принципы функционирования природных систем. Именно такие технологии должны лечь в основу новой технологической базы экономики страны. Использование такого подхода позволит создать революционные, прорывные технологии в медицине, фармакологии, сельском хозяйстве, микробиологической и пищевой промышленности, энергетике, IT-области.
В мировой медицинской практике лечения онкологических заболеваний в последние десятилетия широкое развитие получили методы адронной лучевой терапии с использованием ускоренных пучков адронов. Ежегодно только в России фиксируется около 600 тысяч онкологических заболеваний и, как минимум, в 10 процентах случаев заболевшим показана адронная лучевая терапия.
Синхротронных и нейтронных исследований что это
Особо важную службу рентгеновское излучение сослужило для биологии. Белковая кристаллография стала новой областью знаний, на которой базируется современное понимание болезней и создание лекарств для их лечения. Любое лекарство — это синтезированное руками человека вещество, которого по каким-то причинам не хватает организму. Как получить его формулу? Нужно взять образец этого вещества, превратить его в кристалл и с помощью рентгеновского излучения расшифровать его структуру. Так учёные понимают, как работают живые клетки и их рецепторы, и получают возможность для создания лекарственного препарата.
Синхротронное излучение — это электромагнитное излучение заряженных частиц, которые движутся в магнитном поле со скоростью, близкой к скорости света. Магнитное поле буквально «срывает» с электронов потоки фотонов — так получается синхротронное излучение. В синхротроне электроны вращаются в сверхвысоком вакууме, они не соприкасаются со стенками вакуумной камеры.
А так как длина волны синхротронного излучения, используемая в экспериментах — доли нанометра, это позволяет разглядеть внутренние детали нанообъекта, в частности, определить атомную структуру молекул, в том числе белков, различных тканей, структуру искусственно созданных нанослоев, наномембран и так далее.
До начала 1960-х годов в качестве источников рентгеновского излучения для исследования вещества использовали рентгеновские трубки. С их помощью можно «увидеть» больше, чем через микроскоп, но возможности рентгена тоже ограничены. В рентгеновской трубке нельзя бесконечно увеличивать ток или напряжение, чтобы повысить яркость, иначе она просто расплавится. Яркость же синхротронного излучения выше рентгеновского в миллионы раз. Она и позволяет просветить глубинные слои вещества — органического и неорганического.
Если синхротрон — это суперфонарик, который излучает суперсвет, то экспериментальная станция — суперглаз, который помогает его увидеть. Из каждого поворотного магнита на кольце синхротрона можно вывести синхротронное излучение в отдельный канал и установить экспериментальную станцию, предназначенную для определённого направления исследований.
Всего на Курчатовском синхротроне сегодня работает 15 экспериментальных станций, ещё восемь в процессе создания. На каждой станции работает система фильтров, которая помогает настроить все параметры (например, длину волны), выбрать подходящий диапазон и сфокусировать пучок света под нужным для эксперимента углом. Сам процесс «просвечивания» проходит в отдельном помещении: интенсивность потока настолько сильна, что находиться рядом с ним небезопасно.
В первую очередь синхротронное излучение применяют в материаловедении, физике твердого тела, химии и нанобиотехнологиях, микромеханике, биологии и медицине. Синхротронное излучение помогает даже при изучении мозга живых существ. Оно позволяет избирательно визуализировать в его тканях ионы тяжелых металлов. Учёные могут пометить активно работающие клетки мозга испытуемого животного так, чтобы они накапливали ионы, и визуализировать эти работающие сети в мозге во время введения исследуемого когнитивного препарата. Эксперимент может дать ответы на целый ряд вопросов — как действует препарат, где, на какие системы памяти.
На синхротронах также изучают геологические породы, археологические артефакты, органические останки, подходящие для анализа ДНК, произведения искусства. Например, с помощью синхротрона удалось прочитать надписи на свитках, которые сгорели при извержении Везувия и дошли до нас в виде застывшего пепла.
В Курчатовском институте больше всего промышленных заказов получает станция катализаторов — это показатель высокого уровня развития химической промышленности в России. При этом учёные уверены, что для полной загрузки мегаустановки недостаточно интереса отдельных частных заказчиков — нужны вложения целых отраслей промышленности, которым важно развивать технологии будущего.
«Исследовательские возможности российских ученых не ограничиваются только Курчатовским синхротроном», — объясняет Александр Благов. — Сегодня российские ученые могут активно пользоваться возможностями Европейского синхротронного центра ESRF в Гренобле. Здесь работает источник синхротронного излучения третьего поколения, одна из самых активных научных площадок в мире, объединяющая 18 европейских стран. С вступлением России в ESRF в 2014 году российская сторона получила прямой доступ ко всему комплексу экспериментального оборудования, образовательным программам ESRF и интеллектуальной собственности, создаваемой при проведении наших исследований».
В планах у российской науки — строительство нового специализированного источника рентгеновского излучения с рекордной яркостью и длительностью импульса. Характеристики ИССИ-4 — так будет называться новый синхротрон, позволят создавать материалы для сверхбыстрых компьютеров на основе искусственного интеллекта, углублённо изучать функции мозга и генетического аппарата, создавать эффективные лекарства и методы диагностики болезней, которые раньше считались неизлечимыми. Идею этого проекта уже поддержали японские коллеги из синхротронного центра 8-SPRING, европейского синхротронного центра ESRF в Гренобле и германского синхротронного центра DESY (Гамбург). Минуя третье поколение синхротронов, российские учёные сделают скачок сразу в четвёртое.
В результате XFEL откроет принципиально новые возможности для изучения химических и физических процессов, происходящих в веществе, позволит выйти на новый уровень в исследованиях в области физики, химии, материаловедения, наук о жизни, биомедицине. При работе на полную мощность (частота повторения импульсов рентгеновского пучка до 27 000 импульсов в секунду), он будет значительно превосходить по своим техническим параметрам существующие сегодня подобные лазеры в США и Японии.
Использование пучкового времени будет осуществляться с учетом вклада каждой страны в создание установки. Доля участия России — вторая по значимости после страны-хозяйки — Германии, она составляет более четверти от общей стоимости проекта. Российские сотрудники — вторые после германских коллег по числу научных сотрудников в штате XFEL. Также россияне входят в тройку лидеров по числу заявок на первые эксперименты на пучке.
Курчатовский институт — один из немногих в мире, где на одной площадке можно исследовать археологические экспонаты, предметы искусства с применением и синхротронного излучения, и нейтронов, не говоря уже о микроскопии, химических методах. Мы выясняем химический состав наших объектов, их структуру, данные о внутреннем строении — всё это может пролить свет на время, технологии его создания и применение.
Например, недавно мы исследовали серебряные бисерины, которым почти 5000 лет. Представьте себе: бронзовый век и серебряные бисерины диаметром 2 миллиметра. Как наши предки их делали — литьём, нарезкой трубочек, был ли металл прокован или он литой? Традиционный способ это выяснить — металлографические исследования, требующие распиливания бисерин. Но это уничтожение исторического образца. Есть более гуманный метод — синхротронная томография: по набору проекций образца восстанавливается его внутренняя 3D-структура. В случае с бисеринами мы обнаружили внутри поры и наросты, а кроме того, в бисеринах оказались монолитные отверстия. Эти результаты подтвердили предположения коллег-археологов из Исторического музея, что бисер был изготовлен методом литья. В этом случае мы проверили уже имеющуюся гипотезу, но обычно интересные идеи возникают в процессе работы.
Ещё мы изучали средневековые русские кресты-энколпионы XI-XIII веков — находки Института археологии (энколпион — крест, в котором хранили реликвии: кусочки ткани, дерева, волос — прим. ред.). Определили технологию чернения этих крестов, которая доказала высокое мастерство русских умельцев, живших тысячу лет назад.
Один из поступивших энколпионов был закрыт, крепёжные отверстия сломаны, то есть вскрытие креста его бы разрушило. Коллеги-археологи попросили исследовать предмет, не открывая его, и выяснить, что внутри. На нейтронной томографии стали чётко видны и особенности крепежа, и то, что он был нарушен, и содержимое креста. К общему разочарованию выяснилось, что внутри креста в основном глина, которая забилась в него, пока крест находился в земле. Но мы уже отработали методику, впереди работа с еще несколькими подобными крестами, найденными археологами под Суздалем.
Мы работаем в «чистой комнате» — помещении со специальной вентиляцией, где количество частиц грязи в воздухе сокращено до минимума. Это нужно для того, чтобы защитить объекты. Например, если пылинка попадёт на микропроцессор, он будет безвозвратно испорчен.
Наши диапазоны для работы — это вакуумный ультрафиолет и мягкий рентген. Такое излучение подходит для космических датчиков. Получается, что мы на Земле обеспечиваем спектр, доступный только на орбите.
Метод спектроскопии позволяет изучать электронную структуру поверхности материала на глубине до трёх нанометров. Мы получаем большой объем информации о химическом составе, степени окисления, валентности и свойствах материала, таких как проводимость.
Также рентгеновское излучение использовалось для расшифровки структуры гемоглобина (Дж.К. Кендрю, М.Ф. Перутц, Нобелевская премия по химии за 1962 г.).
В 1964 году премию по химии «за определение с помощью рентгеновских лучей структур биологически активных веществ» получила Дороти Ходжкин.
Непосредственное отношение рентгеновское излучение имело и к расшифровке двойной спирали ДНК (Дж.Д. Уотсон, Ф.Х.К. Крик, 1962 г., Нобелевская премия в области физиологии и медицины).
В 1979 году Нобелевскую премию также в области физиологии и медицины за разработку метода осевой рентгеновской томографии получили А. Кормак и Г. Хаунсфилд.
В 2009 году Нобелевскую премию по химии получила Ада Йонат, совместно с Венкатраманом Рамакришнаном и Томасом Стейцем, «за исследования структуры и функций рибосомы кристаллографическими методами».
— Что такое твёрдые тела и как рентгеновское излучение помогает их изучать?
— У любого вещества есть четыре состояния: твёрдое, жидкое, газообразное и плазма. Твёрдое состояние вещества характеризуется постоянством формы (она не меняется без внешнего воздействия). Свойства твёрдого тела во многом зависят от его атомного состава и структуры, которая определяется взаимным расположением атомов — наличием или отсутствием кристаллической решетки и типом ее симметрии.
— Как работает дифракция?
— Дифракция — это рассеяние волны на периодической структуре в виде чередующихся ярких и темных полос или пятен. Причём это может быть любая волна — акустическая, волна на поверхности воды или электромагнитная. Изучая такую дифракционную картину, положение линий или пятен на ней, мы можем очень точно определить расстояние между атомами.
Когда рентгеновский пучок попадает на атомную решетку, каждый атом начинает колебаться с частотой рентгеновской волны и испускает вторичную сферическую волну, которая распространяется во всех направлениях по аналогии с кругами на воде от брошенного камня. Вращая кристалл вокруг рентгеновского пучка и регистрируя дифракционные отражения, мы можем собрать полную картину рассеяния кристалла — от всей кристаллической решетки.
Математический анализ положения и интенсивности дифракционных пятен (это очень сложная задача, состоящая из тысяч уравнений и тысяч неизвестных) позволяет определить сорта и пространственное положение всех атомов. Получается, что рентгеноструктурный анализ — это, по сути, «решение обратной задачи по восстановлению атомной структуры по дифракционной картине».
В развитие рентгеноструктурного анализа минералов, кристаллов и белков большой вклад внесли ученые Института кристаллографии. Сейчас этот метод — важнейший инструмент структурной кристаллографии и материаловедения, позволяющий исследовать новые материалы и изучать их свойства на атомарном уровне.
— На основе данных рентгеновской дифракции можно, действительно, создавать новые материалы?
— Определение структуры и атомного состава твердого тела — это первый, но очень важный шаг для синтеза новых материалов. Именно знание структуры и состава позволяют нам понимать свойства материала, его поведение при различных воздействиях. Зная это, мы можем управлять свойствами твердого тела, изменяя (иногда совсем незначительно) атомный состав или структуру, то есть создавать новые материалы с заданными или предсказанными свойствами. Вот, например, и графит, и алмаз состоят из атомов углерода, но обладают абсолютно разными свойствами. Всё дело в совершенно разных кристаллических решетках: кубической у алмаза и гексагональной у графита. Отсюда и колоссальная разница в твёрдости. Уже сегодня, манипулируя на атомном уровне, мы можем синтезировать совершенно новые материалы, обладающие уникальными свойствами — даже такими, которых нет в природе.
— Есть ещё какие-то рентгеновские методы?
— Их немало. Когда мы переходим к диагностике изделий из кристаллов, элементам микро- и наноэлектронной промышленности, то проникаем в очень тонкий приповерхностный слой, и нужны уже сверхчувствительные рентгеновские методы. Например, метод стоячих рентгеновских волн, позволяющий видеть положение и тип отдельных атомов. В таких исследованиях, при переходе на нанотехнологический уровень, интенсивности обычной рентгеновской трубки уже недостаточно, нужны гораздо более яркие источники — синхротронного излучения.
Эпопея строительства Курчатовского синхротрона совпала с очень трудными для российской науки годами. Она была долгой и непростой. Но в результате 1 октября 1999 года в присутствии тогда председателя правительства РФ В.В. Путина в Курчатовском институте нами был запущен источник синхротронного излучения. Он и по сей день остается единственным специализированным источником синхротронного излучения на всем пространстве бывшего СССР. Современный Курчатовский источник СИ — мощная междисциплинарная исследовательская установка. Мы проводим на ней самые разные исследования: от классических задач кристаллографии, материаловедения, структурной диагностики изделий наноиндустрии и электронной промышленности, до задач структурного анализа белковых молекул, молекулярной биологии, исследований предметов культурного наследия и принципиально новых гибридных материалов, комбинаций биоорганических и неорганических материалов.