Старая версия сайта
12+
Издаётся с 1924 года
В интернете с 1995 года
Топ 10
Наука UG.RU

Россия планирует опередить другие страны, создав лучший источник синхротронного излучения

Дата: 28 июня 2021, 20:30
Автор:

Институт ядерной физики им Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) продемонстрировал первые серийные изделия для уникального проекта ЦКП «СКИФ». Ими стали магниты бустерного синхротрона, которые созданы на экспериментальном производстве ИЯФ СО РАН.

Фото: Анна Ершова, ИК СО РАН

Сверхпроводящие магниты для инжекционного комплекса Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (ЦКП «СКИФ») являются, пожалуй, наиболее критичной частью его оборудования. Высокое качество именно их работы позволит достичь рекордных параметров этого источника фотонов последнего, четвертого поколения. Наиболее крупные элементы комплекса — дипольные магниты, вес самого массивного составляет 1,2 тонны. Электрический ток в них создает мощное магнитное поле, которое способно повернуть пучок электронов с энергией 3 млрд электрон-вольт.

Для чего нужна такая энергия, как и сам уникальный проект ЦПК «СКИФ», почему на него направляют столько сил и немалые средства — 37 млрд. рублей? Да и сроки реализации запланированы довольно сжатыми. Ответ несложен: предполагается, что эта установка класса mega science будет самой совершенной и современной в мире. Центр коллективного пользования создается на территории в 30 гектаров наукограда Кольцово в рамках нацпроекта «Наука». Основным объектом здесь является синхротрон – такой тип циклического ускорителя с кольцевой вакуумной камерой, в котором частицы разгоняют почти до скорости света. На их пути ставят мощные электромагниты, чтобы задать траекторию движения. В итоге получают синхротронное излучение — очень мощное рентгеновской излучение, с его помощью можно подробно изучать структуру вещества, вплоть до атомов.

Синхротронное излучение актуально сегодня для многих областей науки. Благодаря ему биологи и физики могут не только исследовать клетку, но и видеть, как через нее проходят вещества — лекарства, тяжелые металлы и т.д. Такое мощное излучение востребовано материаловедением, физикой твердого тела, нано- и биотехнологиями, медициной. Археологи и палеонтологи могут строить трехмерное изображение деталей объектов даже в том случае, если их невозможно увидеть в массах различных пород. Медики получают возможность расшифровывать устройство сложных белков, чтобы понимать, как появляются патологии и каким образом действуют лекарства. Эти исследования позволят лучше лечить пациентов и предотвращать различные болезни. Важны широкие возможности синхротронного излучения также для промышленности и экологии. В Великобритании, например, с его помощью удалось провести наблюдения за тем, что происходит с отработанным ядерным топливом в закрытом бетонном контейнере.

В отличие от коллайдеров, где получают новые частицы и изучают природу материи, источники синхротронного излучения позволяют вести мультидисциплинарные исследования, чтобы не только развивать фундаментальную науку, но и решать прикладные задачи.

Центры, где проводят исследования с помощью синхротронного излучения, в настоящее время существуют как за рубежом, так и в России. На территории нашей страны работают 2 его источника: в Курчатовском институте и в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН в Новосибирске. Зарубежные ускорители дают более яркий и узконаправленный пучок электронов, что делает возможным изучение более быстрых процессов и получение более точного и детального результата. При этом и в России, и за границей исследовательские комплексы с такими источниками полностью загружены работой. Например, в иностранных центрах два раза в год проходят конкурсы, по результатам которых отбирают меньше половины заявок на проведение исследований. В такой ситуации создание центра с источником синхротронного излучения с лучшими параметрами в мире является актуальной задачей.

Если учесть, что для высоких показателей синхротрона необходимы особенные  сверхпроводящие магниты, и что в их разработке опыт физиков России признан во всем мире, то важность выпуска таких первых серийных изделий становится  очевидной.

По поводу начала серийного выпуска первых изделий для ЦКП «СКИФ» в Новосибирске прошла пресс-конференция. Из рассказа создателей проекта следовало, что запуск серийного производства магнитов для ускорителя в настоящее время стал возможным благодаря эффективной работе руководства Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН. Так, Валерий Бухтияров, академик РАН, директор Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН (ИК СО РАН), отметил, что традиционно вся проектная документация первоначально отправляется в Главгосэкспертизу, после чего выдается разрешение на строительство, и затем генподрядчик заключает контракты — в том числе и на изготовление оборудования. Однако для его создания требуется значительное время. Действия по такой схеме не позволили бы проекту уложиться в отведенные сроки. Поэтому руководство ИЯФ им. Г. И. Будкера  еще в начале прошлого года сделало акцент на том, что технологическое оборудование ускорительного комплекса, которое требует длительного цикла изготовления, должно быть вынесено отдельной строкой в постановлении по Федеральной адресной инвестиционной программе. В результате уже в августе прошлого года на оборудование длительного изготовления средства были выделены отдельно. Это позволило в ноябре 2020 года, не дожидаясь Главгосэкспертизы по другим объектам проекта, заключить контракт с ИЯФ на создание инжекционного комплекса. В этом году с институтом подписан договор на изготовление основного корпуса накопителя.

Фото: Анна Ершова, ИК СО РАН

На каждой пользовательской станции на территории центра будет формироваться конкретное излучение с определенными характеристиками. Согласно проекту, в первой очереди будет 6 станций. Работа над ними шла совместно с коллегами из разных стран. Новосибирские ученые выносили предложение, затем по каждой станции из специалистов по всему миру создавался комитет, который вносил свои уточнения.

Валерий Иванович отметил, что, несмотря на передовые характеристики, ускорительный комплекс — это лишь инструмент для создания синхротронного излучения. Итоговая установка должна будет работать круглосуточно и круглогодично. Для этого предстоит сформировать круг ее пользователей. В России они есть, но чтобы полномасштабно загрузить центр коллективного пользования, следует уже сейчас работать над этим вопросом. И такая работа ведется. Например, замдиректора проектного офиса по научной работе ЦКП «СКИФ» Ян Зубавичус организовал еженедельные семинары с докладами по передовым направлениям в области использования синхротрона. Доклады делают как российские ученые, так и иностранные коллеги, в том числе создатели особенностей для станций — они рассказывают, какие эксперименты можно на них проводить. Такие семинары проходят в онлайн-режиме. В них участвуют около 200 специалистов. Это формирует круг будущих пользователей под каждую конкретную станцию. Поэтому возможные опасения по поводу недостаточной востребованности будущего комплекса не оправданы.

Конференция помогла понять, как именно наши физики планируют совершить такой научный прорыв и что необычного они придумали, чтобы синхротронное излучение установки стало самым передовым на планете по своим характеристикам.

Это в своем выступлении прояснил Евгений Левичев, доктор физико-математических наук, руководитель Проектного офиса ЦКП «СКИФ», заместитель директора ИК СО РАН по созданию ЦКП «СКИФ», заместитель директора по научной работе ИЯФ СО РАН.

По его словам, особенность магнита бустерного синхротрона четвертого поколения в том, что его полюс сделан по «хитрой» технологии. Внутри магнита создаются одновременно и однородное, и градиентное поле, которое позволяет фокусировать частицы. Дополнительно к ним в магните предусмотрена еще одна компонента, которая имеет специальные функции. Такая технология позволит сделать сам синхротрон довольно компактным и относительно недорогим, а также получить специфичные параметры. Чтобы магнит хорошо работал, точность изготовления его поверхностей должна быть очень высокой.  Евгений Борисович пояснил, что ускорительный комплекс состоит из источника электронов, их линейного ускорителя до энергий 200 млн электрон-вольт, и бустер-синхротрона. Последний за 1 секунду ускоряет пучок до энергии 3 млрд электрон-вольт и затем перепускает его в основное кольцо, где этот пучок производит синхротронное излучение.

Особенностью проекта ЦКП «СКИФ» являются максимально короткие сроки его реализации. Окончание запланировано на конец 2023 года. Ученым к этому времени предстоит продемонстрировать пучок и первую экспериментальную станцию. А в 2024 году – еще 5 рабочих станций. Чтобы соблюсти сроки, создателям пришлось выработать особую стратегию. Евгений Левичев рассказал об этом так: «Мы сказали себе, что у нас нет времени ни на какие научные исследования, изготовление прототипов, тщательную проверку, переделку и т.д. Мы должны максимально воспользоваться опытом, который уже существует в ИЯФ, чтобы сделать проект, который никто никогда не делал, с параметрами, которые никто никогда не получал, максимально исключив научную компоненту. Это парадоксально звучит. Однако опыт ИЯФ позволяет делать такие проекты». Наличие такого опыта подтверждает работа линейного ускорителя в институте, и бустерный синхротрон, который был успешно создан 10 лет назад.

К изготовлению сложного оборудования, которое сегодня выходит в серийное производство, причастно большое число специалистов — ученых, технологов, конструкторов.  Их работа была нелегкой, особенно с наложившейся на этот процесс пандемией. Как отметил Евгений Левичев, «и люди болели, и границы закрыли, мы не могли получить фуры с материалом…»

В целом над экспериментальной программой и ускорительной станцией работают ученые из разных стран. 80% оборудования планируется производить в России.  Для этого задействованы, в частности, предприятия Новосибирской области. Например, небольшая, но инновационная компания «Триада ТВ» делает для ускорителя высокочастотные генераторы. Ведутся поиски российского производителя точных подставок под магниты. Планируется сотрудничество с Воткинским заводом — из структуры Росатома; совместно со специалистами словенского предприятия «Козилаб» российские разработчики будут создавать системы управления для комплекса «СКИФ».

Для поддержки эффективности работы над ЦКП «СКИФ» с учеными регулярно взаимодействуют представители власти. Иван Гончаров, начальник департамента по инвестиционной политике и территориальному развитию аппарата полномочного представителя Президента России в Сибирском федеральном округе, напомнил, что этот один из прорывных объектов для российской науки реализуется по поручению Президента России.

В настоящее время проектирование центра закончено, проектная документация находится в Главгосэкспертизе. Подготовительные к строительству работы (подготовка площадки, котлован и т.д.) планируют начать в конце лета. В настоящее время здесь запланировано строительство 27 зданий.

Справочно.

Предполагается, что в ЦКП «СКИФ» войдут 30 экспериментальных станций. На них будут проводить свои исследования до двух тысяч ученых в год, как из России, так и из других стран. Заказчик и застройщик коллективного центра пользования — ФИЦ «Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН». Проектированием занимается Центральный проектно-технологический институт (АО «ЦПТИ», входит в топливную компанию Росатома «ТВЭЛ»). Генеральный подрядчик — «Концерн Титан-2», входящий в структуру Росатома. Единственный исполнитель по изготовлению и запуску технологически сложного оборудования для ЦКП «СКИФ» — Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН.


Читайте также
Комментарии


Выбор дня UG.RU
Профессионалам - профессиональную рассылку!

Подпишитесь, чтобы получать актуальные новости и специальные предложения от «Учительской газеты», не выходя из почтового ящика

Мы никому не передадим Вашу личную информацию
alt