Синхротронное излучение — это универсальный исследовательский инструмент, позволяющий получать информацию об атомарном устройстве материалов и объектов в самых разных областях знаний: физике, химии, биологии, медицине и даже археологии.
Сегодня Курчатовский источник синхротронного излучения "КИСИ-Курчатов" — это уникальная научная установка класса "мегасайенс", единственный специализированный источник синхротронного излучения на всем постсоветском пространстве.
Официальное открытие "КИСИ-Курчатов", на котором присутствовал В.В. Путин (в то время председатель Правительства РФ), состоялось 1 октября 1999 года. Первым директором Курчатовского синхротрона был Михаил Валентинович Ковальчук – один из ведущих ученых в области рентгеновской физики, стоявший у истоков развития в России исследований с применением синхротронного излучения еще с начала 1980-х годов. Под его руководством был введен в эксплуатацию Курчатовский источник синхротронного излучения и создано новое поколение прецизионного рентгеновского оборудования мирового класса. В 2009 году "КИСИ-Курчатов" был серьёзно модернизирован: была увеличена площадь экспериментального зала, значительно расширено само здание, благодаря чему стало возможным строительство новых станций. Примечательно, что НИЦ «Курчатовский институт» – единственное в России и одно из нескольких мест в мире, где на одной площадке сосредоточены специализированный источник синхротронного излучения и исследовательский нейтронный реактор ИР-8, что дает возможность использовать уникальное сочетание их экспериментальных возможностей и добиться принципиально нового качества фундаментальных и прикладных исследований.
Современный "КИСИ-Курчатов" является центром коллективного пользования, междисциплинарной установкой, на которой одновременно проводятся исследования в области нанодиагностики, биотехнологий и живых систем, материаловедения, метрологии, изучаются объекты культурного наследия и другие.
На сегодняшний день на "КИСИ-Курчатов" работает 16 экспериментальных исследовательских станций разной направленности. Идет модернизация существующих экспериментальных линий и вводятся в эксплуатацию новые станции. Ежегодно на синхротроне проводится более 200 экспериментов исследовательскими группами из примерно 60 российских и зарубежных организаций. По результатам исследований, проведенных на "КИСИ-Курчатов", каждый год публикуется около 150 научных статей.
"КИСИ-Курчатов" – самый большой инфраструктурный объект среди тех, кто получил поддержку РНФ. Он помогает множеству исследовательских групп из разных городов России и областей науки находить ответы на самые сложные вопросы об устройстве окружающих нас явлений и создаваемых объектов, систем и устройств.
Каждая экспериментальная станция представляет собой специализированную и по-своему уникальную исследовательскую установку, использующую яркое синхротронное излучение для того, чтобы в разном масштабе, от макроскопического до атомарного, изучать под разными углами внутреннее строение разных соединений, веществ и предметов. Результаты исследований помогут создавать лекарственные препараты нового поколения, солнечные батареи, устройства для микроэлектроники, приборостроения, металлургии и машиностроения, энергетики, космоса и многих других. О том, как устроен и как работает синхротронный источник, как выглядит исследовательская инфраструктура, внутрь каких объектов она позволяет «заглянуть», и что в результате из этого получается, узнайте в этом туре.
Как и свет, рентгеновские лучи представляют собой электромагнитные волны, только с меньшей длиной волны (на шкале спектра они находятся между ультрафиолетовым и гамма-излучением).
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.
Для того чтобы электроны могли долго циркулировать в кольце синхротрона, используют специальные устройства, называемые высокочастотными резонаторами, которые на каждом обороте восполняют у электронов потери энергии на синхротронное излучение. Можно провести аналогию с качелями: для того чтобы амплитуда колебания качелей не затухала, их необходимо регулярно толкать в нужный момент. Так и резонаторы придают новую энергию электронам на каждом новом их обороте в основном накопителе. Именно потому, что резонаторы должны давать толчок электронам в нужный момент, синхронно, накопительное кольцо называют синхротроном.
Прогуляйтесь по залу основного накопителя и узнайте, как он устроен.
Инжекционный комплекс – источник электронов для основного накопителя-источника синхротронного излучения. Здесь получают, накапливают и ускоряют электронные пучки, чтобы перенаправить в основной накопитель.
Инжекционный комплекс состоит из электронной пушки, линейного ускорителя, бустерного синхротрона и каналов перепуска электронного пучка из линейного ускорителя в бустерный синхротрон и из бустерного синхротрона в основной накопитель.
Проследите за частицами, путешествующими по залу, посетив этот тур.
Из помещения главной пультовой управляют Курчатовским источником синхротронного излучения. Несмотря на автоматический режим работы, ключевые решения принимаются оператором в этом помещении. Кто и как управляет единственным в России специализированным источником синхротронного излучения, можно узнать во время этой экскурсии.
На экспериментальной станции «Фаза» с помощью уникального набора дифракционных и фазочувствительных методик проводят нанодиагностику различных объектов, включая приповерхностные слои, тонкие пленки, границы раздела, многослойные структуры, полупроводниковые сверхрешётки и структуры с квантовыми точками. Возможности станции позволяют исследовать процессы образования дефектов, а также изучать реальную структуру кристаллов.
Достоинства станции широко востребованы в материаловедении, микро- и наноэлектронике, рентгеновской оптике. Получение новых знаний о материалах на наноуровне позволяет оптимизировать технологические процессы формирования наносистем, управлять их свойствами и осуществлять контроль их качества.
Результаты исследований, проведенных на станции, могут быть использованы при разработке новых материалов с заданными параметрами (в том числе, композитных материалов и органо-неорганических, гибридных систем). Такие материалы могут быть базовой платформой для создания принципиально новых приборов и устройств с улучшенными характеристиками. Поэтому исследования на станции потенциально интересны для промышленности: микроэлектроники, приборостроения, металлургии, машиностроения, энергетики и космических технологий.
Посетите станцию, чтобы узнать, чем эта необычная установка отличается от других.
На экспериментальной станции «Медиана» проводят биомедицинскую и материаловедческую диагностику объектов с помощью 2D- и 3D-визуализации. На станции можно в деталях изучить внутреннюю структуру объектов размером от 10 до 50 миллиметров с разрешением, позволяющим в деталях рассмотреть структурные особенности размером до 15 микрометров (тысячных долей миллиметра).
Здесь с помощью синхротронного излучения создают 3D-картину внутреннего строения объектов, представляющих интерес как для биомедицинских, так и для социогуманитарных наук. Например, ученые проводят томографические исследования ископаемых животных, археологических артефактов, объектов культурного наследия.
Использование способов визуализации, основанных на преломлении излучения в образце (рефракционной или фазоконтрастной интроскопии), позволяет значительно снизить радиационную нагрузку на образец, что открывает дополнительные возможности проведения исследований биологических объектов в режиме in vitro.
На станции изучают воздействие лекарств на форму и объем онкологических новообразований. Исследования внутренней структуры и механических напряжений в кристаллических материалах важны при отработке технологии выращивания кристаллов, используемых в разных изделиях. Реализуемые на станции методы позволяют неразрушающим образом изучать реальную структуру кристаллических элементов в условиях их работы, не извлекая их из приборов и систем, в которых они используются.
Посмотреть на археологические находки можно, заглянув на станцию.
Лазерный комплекс позволяет проводить эксперименты с одновременным использованием излучений уникального лазера и синхротронного пучка. Лазерная установка генерирует сверхкороткие фемтосекундные (1 фемтосекунда – одна миллионная одной миллиардной секунды) импульсы с пиковой мощностью в 200 тераватт. Для сравнения, мощность самой сильной атомной электростанции в мире – чуть меньше 10 гигаватт, это в 20 тысяч раз меньше, чем пиковая мощность лазерного комплекса. Однако, АЭС работает в непрерывном режиме, а лазер развивает такую мощность только на сверхкороткое время.
Сочетание излучений уникального петаваттного фемтосекундного лазера и синхротронного пучка дает возможность наблюдать за процессами с высоким временным разрешением. Сверхбыстрый лазерный импульс активирует определенные физические процессы, а синхротронное излучение в режиме быстрой съемки позволяет получить серию кадров с информацией о поведении атомов после начала лазерного воздействия.
Также с помощью таких импульсов можно ускорять электроны и другие частицы, а значит, комплекс может частично заменить линейный ускоритель, синхротрон или лазер на свободных электронах (которые требуют гораздо больше пространства). Так, генерация электронных и протонных пучков находит применение в современной медицине.
Пройдитесь по лаборатории и взгляните на этот невероятный комплекс.
Экспериментальная станция «БиоМУР» позволяет определять структуру биологических объектов в том состоянии, в котором они находятся в организме человека или животного. На станции успешно исследуются био- и синтетические полимеры, растворы белков и биологических макромолекул, фибриллярные структуры, липидные наноструктуры и наноструктуры в твердых телах. Кроме того, на станции могут проводиться уникальные исследования молекулярной и наноструктурной динамики биологических тканей под влиянием внешних электромагнитных и температурных воздействий.
Основное направление прикладных исследований, проводимых на станции, связано с биомедициной. Методы, реализованные на станции, позволяют изучать структурную организацию сложных неупорядоченных объектов и систем: молекул белка, полимеров и других, имеющих практическую значимость для медицины объектов. Методики изучения образцов в растворе открывают возможность проведения исследований биологических объектов в естественных условиях.
Чтобы больше узнать об установке и проводимых на ней исследованиях, посетите экскурсию по станции.
Уникальная рентгенооптическая схема экспериментальной станции «Ленгмюр» позволяет проводить рентгеновские исследования структуры тонких пленок на поверхности жидкости. Здесь можно изучать, например, воздействие противоракового препарата на клеточную мембрану человека или процесс самосборки монослоя (слоя толщиной в один атом) молекул, имеющих перспективы применения для создания органических покрытий солнечных батарей.
Реализуемые на экспериментальной станции методы позволяют определять с точностью до тысячных долей ангстрема профиль распределения атомов по глубине структуры, кристаллическую структуру двумерных систем, химический состав приповерхностных слоев. Это делает станцию востребованной среди научных групп, исследующих процессы самоорганизации низкоразмерных наносистем, и групп, разрабатывающих новые способы адресной доставки лекарств в организм.
Поверхностно-чувствительные рентгеновские методики, реализуемые на станции, позволяют получать информацию об элементном составе и структурной организации динамичных двумерных объектов, что необходимо при разработке новых гибридных систем для наноэлектроники, энергетики, устройств искусственного интеллекта и при биомедицинских исследованиях.
Посетив тур, вы сможете взглянуть на установку и послушать, какие исследования проводят на ней ученые из разных городов страны.
Экспериментальная станция «РСА» (рентгеноструктурного анализа) – уникальная синхротронная станция, позволяющая проводить эксперименты по структурной диагностике кристаллических образцов с помощью монокристальной и порошковой рентгеновской дифракции. По сути, в результате эксперимента на этой станции получает с высоким разрешением трехмерную картинку распределения атомов в кристаллическом материале любой природы, будь то перспективный материал для микроэлектроники или человеческий белок. Использование синхротронного излучения для проведения такого типа экспериментов позволяет получать структурные данные высокого качества за кратчайшее время.
На станции ежедневно проводят большое количество экспериментов по определению 3D атомной структуры и фазового состава различных веществ. Использование дифракционных методик позволяет проводить исследования образцов из таких областей науки и техники как структурная химия, биология, физика магнитных и сверхпроводящих материалов, экология, археология, объекты культурного наследия, материалы для водородной энергетики.
Послушайте почти детективные истории об исследовании разных материалов, зайдя на эту станцию.
На экспериментальной станции фотоэлектронной спектроскопии «НаноФЭС» исследуют электронную структуру вещества. Анализируя спектры фотоэлектронов, выбиваемых из образца пучком синхротронного излучения, можно определить, в каком состоянии эти электроны находились в исследуемом объекте и, как следствие, структуру электронных уровней атомов, из которых состоит образец.
Именно электронная структура окружающих нас предметов определяет все их свойства: цвет, твердость, химическая активность, электрическая проводимость и т.п. Знание об электронной структуре позволяет лучше понять природу тех или иных свойств вещества, разработать пути направленного изменения этих свойств, а также создавать новые объекты и системы с уникальными характеристиками.
Ученые фокусируют внимание на исследовании наноразмерных объектов, применяемых в микроэлектронике, каталитической химии и совместимых с организмом системах. С какими интересными образцами работают ученые, узнайте в этом туре.
На экспериментальной станции «Микрофокус» исследуют внутреннюю структуру объектов на микроуровне с помощью фокусировки рентгеновского излучения до микронных и субмикронных размеров. Объектами исследований являются произведения искусства, объекты культурного наследия, твердотельные образцы минералогического, геологического и археологического происхождения. На станции может проводиться аттестация различных элементов и схем фокусирующей рентгеновской оптики.
Результаты исследований востребованы в атомной промышленности (томография частиц топлива), микроэлектронике (томография микросхем с субмикронным разрешением, исследования остаточных напряжений чипов), биомедицине (такие слабоконтрастированные образцы как мозг), а также в области гуманитарных наук (изучение состава старинных картин, скульптур, керамики, петроглифов).
Вместе с сотрудником пройдитесь по станции, чтобы познакомиться с его работой.