ЦКП «СКИФ» позволит получить когерентное излучение для нанотомографии

Установку класса мегасайенс Центр коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (ЦКП «СКИФ») – источник синхротронного излучения (СИ) поколения «4+» с энергией 3 ГэВ – планируется использовать для исследований в области структурной вирусологии, кристаллографии белков, материаловедении и многих других. Благодаря беспрецедентно малому эмиттансу – параметру, определяющему уровень яркости СИ, на установке будет возможна генерация и использование когерентных рентгеновских лучей. С помощью когерентного излучения исследователи из различных областей науки смогут воссоздать трехмерную структуру объектов с нанометровым разрешением. В Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) разработана магнитная структура особой конструкции, которая позволит достичь таких параметров. Результаты были представлены на конференции Synchrotron and Free electron laser Radiation: generation and application (SFR-2020).

- Сегодня во многих областях науки и техники крайне актуальной является задача неразрушающей визуализации трехмерной структуры объектов с нанометровым разрешением, – рассказывает старший научный сотрудник Института геологии и минералогии им. В. С. Соболева, кандидат геолого-минералогических наук Сергей Ращенко. – В биологии – это субклеточная структура живой клетки, в компьютерных технологиях – архитектура микросхем, недавно перешагнувших рубеж в 10 нанометров, в авиастроении – трехмерная наноструктура сплавов и сварных швов, отвечающая за прочность деталей. Обычная микроскопия для таких объектов не годится, поскольку, во-первых, может «заглянуть» только внутрь прозрачных объектов, а во-вторых, не может «разглядеть» детали менее сотни нанометров.

Проводить неразрушающую «нанотомографию» любых объектов с детализацией на уровне нескольких нанометров возможно с помощью когерентного рентгеновского излучения. По словам Сергея Ращенко, при рассеянии на наноструктурированных объектах такое излучение дает дифракционную картину – особый «пятнистый» узор, который каждый может увидеть, посмотрев на рассеянный шершавой поверхностью свет лазерной указки. «С помощью специальной математической обработки можно на основе такого узора с очень высокой точностью реконструировать структуру рассеивающего излучение объекта», – добавляет специалист. Генерировать и использовать когерентные рентгеновские лучи будет возможно в ЦКП «СКИФ» благодаря малому эмиттансу ускорительного комплекса источника СИ (электронный пучок будет иметь диаметр меньше человеческого волоса и при этом сохранять рекордно малую расходимость).

- Степень когерентности излучения зависит от величины эмиттанса установки, значение которого, в свою очередь, формируется благодаря магнитной структуре основного кольца ускорительного комплекса, – рассказывает помощник директора ИЯФ СО РАН по перспективным проектам, кандидат физико-математических наук Яков Ракшун. – Разработанная специалистами Института магнитная структура сделает излучение на нашем источнике когерентным в более широком диапазоне энергий: у нас будет полностью когерентный пучок в низкоэнергетической области и значительно вырастет доля когерентного излучения в жесткой рентгеновской области. Мы значительно расширим экспериментальные возможности ЦКП «СКИФ».

Принципы получения малого эмиттанса на специализированных источниках СИ третьего и четвертого поколения и магнитные структуры для этих машин были описаны еще в 90-х г. XX в., но в силу технологического развития достичь его было невозможно.

Сегодня, благодаря технологическому прогрессу в области металлообработки, которая позволяет изготавливать огромные по размерам магниты с точностью до двадцати микрон, электроники, создающей супербыстрые и чувствительные системы диагностики, и других высокотехнологичных областях, стало возможным создание специализированных источников СИ поколения «4+». На таких машинах можно получать рентгеновское излучение с высокой когерентностью.

- Эмиттанс или фазовый объем источника СИ определяется последовательностью фокусирующих и поворачивающих магнитов, – добавляет младший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Григорий Баранов. – Нам удалось, после довольно длительного и интенсивного поиска моделирования сложного движения частиц, подобрать такую магнитную структуру, которая позволила получить рекордно малый эмиттанс и при этом получить все остальные характеристики установки: время жизни пучка, эффективную инжекцию, нужную стоимость элементов и т.д. Наша магнитная структура простая, гибкая и изящная, но при этом с очень хорошими параметрами. То, что она простая, позволяет уложиться в довольно жесткие сроки реализации проекта». По словам специалиста, в подходе к созданию магнитной структуры для ЦКП «СКИФ» есть еще одно отличие, которое дает установке преимущество в получении малого эмиттанса.

- Чтобы получить малый эмиттанс, пучок нужно сильно сжать сильными магнитными линзами, в том числе – нелинейными. Нелинейное движение частиц резко уменьшает область устойчивого движения, если частица попадает за ее пределы (например, столкнувшись с атомом остаточного газа в вакуумной камене), она погибает, и так может погибнуть весь пучок. Нам удалось найти такую расстановку небольшого числа нелинейных магнитов, которая обеспечивает достаточную область устойчивости. Эта задача сложная и требует серьезных вычислительных мощностей», – поясняет Григорий Баранов.

На данный момент магнитная структура ускорительного комплекса источника СИ ЦКП «СКИФ», которая будет формировать малый эмиттанс пучка, полностью разработана. Проект ЦКП «СКИФ» создается в рамках национального проекта «Наука» с целью реализации современной отечественной сети источников синхротронного излучения нового поколения в России, и является флагманом программы развития Новосибирского научного центра, известной как «Академгородок 2.0».

ЦКП «СКИФ» – это центр коллективного пользования, который будет включать в себя не только ускорительный комплекс, но и развитую пользовательскую инфраструктуру: экспериментальные станции и лабораторный комплекс. Создание источника СИ планируется завершить в 2023 г., что позволит начать проведение научных исследований уже в 2024 г. Ориентировочная стоимость проекта оценивается в 37,1 млрд. руб. Первый транш в размере 774,1 млн рублей на создание технологически сложного оборудования ускорительного комплекса должен поступить в 2020 г.