ЦКП «СКИФ». Центр коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов». Не раз каждый из нас слышал, насколько значим этот проект не только в рамках Кольцово, России, но и мира. А почему важен? Зачем его строят? Как он работает? Наука — сфера сложная, но интересная, и мы уверены, что очень даже понятная. Пресс-служба Кольцово поговорила с главным научным сотрудником СКИФа Яном Зубавичусом, чтобы рассказать жителям наукограда, что стоит за этими четырьмя буквами.
СКИФ — большая современная установка класса «мегасайенс», которая «приземлилась» именно в Кольцово. Заказчик и застройщик — Институт катализа СО РАН, генеральный конструктор и изготовитель технологического оборудования ускорительного комплекса — Институт ядерной физики СО РАН. Администрация Кольцово с самого начала поддерживает проект и всячески содействует его успешной реализации.
СКИФ — необычная и сложная установка, которую часто сравнивают с большим микроскопом, но больше он напоминает гигантский рентгеновский аппарат.
— Ян Витаутасович, СКИФ — это источник синхротронного излучения. А что это такое простыми словами, с чем мы его можем сравнить?
— Можно придумать разные аналогии, в зависимости от того, на чем мы акцентируем внимание. С одной стороны, источник синхротронного излучения — это большой рентгеновский аппарат. Излучение, которое он вырабатывает, в основном рентгеновское. Хотя есть исключения из этого правила. По принципу работы — это ускорительный комплекс. Синхротронным излучением мы можем просвечивать различные объекты, научные образцы и получать информацию о них. Можно и другую аналогию провести, которая мне даже больше нравится: СКИФ — это цифровая видеокамера с бесконечным зумом. Можно рассмотреть объект целиком в большем масштабе, а можно «увеличить» изображение вплоть до атомных размеров, сделать фотографию расположения атомов и даже заснять кино, как протекают какие-либо процессы, изучать их развитие.
СКИФ, как уже выше писали, — проект мирового масштаба, а многие его ласково называют «бублик». Тот самый «бублик», большое кольцо с «дыркой» посередине, — здание основного накопительного кольца. Ускорительный комплекс состоит из следующих объектов: линейный ускоритель, кольцевой предускоритель — бустер, основное накопительное кольцо. Из них синхротроном (кольцевым циклическим ускорителем заряженных частиц. — Прим. ред.) является только бустер, а источником синхротронного излучения — накопительное кольцо. Там накапливаются электроны, они вращаются по постоянной кольцевой орбите и удерживаются на ней при помощи магнитов. Электроны двигаются по кругу со скоростью, приближенной к скорости света, на участках криволинейного движения и рождается то самое необходимое синхротронное излучение.
— Электрон — заряженная частица, двигается с ускорением. Заряженная частица, движущаяся с ускорением, вынуждена излучать свет — это принцип электродинамики Максвелла. Еще одно определение СКИФа — источник фотонов. Электроны в накопителе излучают свет, поток или пучок фотонов, который мы называем синхротронным излучением. Есть такой научный термин — эмиттанс. Он определяет, насколько узко будет направлен пучок фотонов, то есть пучок света. Чем ниже эмиттанс, тем более узкий и яркий поток света мы можем направить на удаленный объект, чтобы его в мельчайших деталях рассмотреть. Объект стоит на пути пучка, просвечивается этим излучением, мы регистрируем картинку и понимаем, как устроен этот объект, — рассказывает про принцип работы СКИФа Ян Зубавичус.
— Как пришли к тому, чтобы создать источники синхротронного излучения?
— Источники первого поколения появились где-то в 60-х годах XX века, и там излучение называлось паразитным. Эти установки создавались как установки физики высоких энергий. Задача была разогнать электроны до максимальной скорости, столкнуть их с чем-нибудь и исследовать фундаментальные законы строения материи. Люди поняли, что это очень мощный универсальный инструмент для исследования самых разных объектов, решения научных задач. Затем начали строить специализированные комплексы, чтобы ускоритель генерировал только синхротронное излучение, которое попадало бы на экспериментальные станции, и там проводить следом научные исследования. Это второе поколение, примерно с 1980-х годов начали применять. Развитие не останавливалось. Позже придумали специальные устройства генерации, источники синхротронного излучения стали делать более крупными. Между поворотами, на которых находятся магниты, оставляли большие прямолинейные промежутки, туда вставляли многополюсные магнитные структуры, в них электрон двигается по сильно искривленной орбите. И такие устройства способны генерировать синхротронное излучение с улучшенными характеристиками.
Ян Зубавичус рассказал, что есть такое устройство — ондулятор, в котором создается периодическое магнитное поле, действующее на движущиеся по нему электроны. Они являются самыми передовыми, сложными, генерируя яркие и интенсивные фотонные пучки:
— Магниты стоят плотно друг к другу, электроны по очень искривленной орбите двигаются и выделяют очень яркое излучение, которое еще можно назвать ондуляторным. Когда основными устройствами генерации света стали эти ондуляторы, появилось третье поколение. А следом появилось и четвертое поколение, самые совершенные источники синхротронного излучения в мире. Первым появился в Швеции ускорительный комплекс MAX IV в Лунде.
— Почему у СКИФа звание четвертого поколения идет с плюсом?
— Проект развивался, шла стройка, и мы поняли, что по эмиттансу, который равен 75 пикометр · радиан, наш СКИФ — самый лучший в своем классе. Как мы уже выяснили, очень важен этот параметр. Нужен яркий и узконаправленный свет, чтобы рассматривать исследуемый объект. У комплексов предыдущих поколений значение эмиттанса в десятки и сотни раз больше. Даже появившиеся источники четвертого поколения не опускались ниже значения 100 (у шведского MAX IV эмиттанс 200–330 пикометр · радиан, у бразильского SIRIUS — 250 пикометр · радиан), а мы преодолели этот рубеж, поэтому добавили себе «+». Мы достигли значения, в результате которого эмиттанс очень низкий, в результате чего можем исследовать на синхротронном пучке сложные, быстропротекающие процессы или рассматривать в мельчайших подробностях маленькие объекты.
— Какие сферы науки затрагивает СКИФ?
— Синхротронное излучение эффективно может использоваться в самых разных науках: физике, биологии, химии. Очень много синхротронных исследований нацелено на решение биомедицинских задач. Мы сможем расшифровать структуру какой-нибудь белковой молекулы, особенно интересны вредоносные, патологические. К примеру, вирусный белок, который отвечает за проникновение вируса внутрь клетки, за ее инфицирование. Имея трехмерную модель этого белка, можно подобрать такую молекулу, которая будет мешать вирусу распространяться. А это лекарственный эффект. Раньше ученые случайным образом находили молекулы с фармацевтически значимыми свойствами, путем длительного подбора искали белки-мишени в вирусах, а теперь они будут наглядно видеть, как устроен белок-мишень, действия которого необходимо заблокировать. Это сильно ускорит процесс поиска новых лекарственных препаратов.
Синхротронным излучением можно просвечивать любой объект. Палеонтологи смогут в подробностях изучать строение ископаемых останков динозавров, восстановить цвет кожи, наличие перьев. Объектами исследования могут быть предметы культурного наследия: картины или находки из археологических раскопок. Увеличится количество способов реставрации, консервации объекта, чтобы он сохранялся в музее. СКИФ будет закрывать задачи самых разных сфер и направлений.
Исследования будут проходить на экспериментальных станциях, куда поступает синхротронное излучение, сгенерированное в накопительном кольце. На разных станциях ученые смогут работать параллельно и независимо друг от друга.
— Электроны крутятся, излучают свет на каждой кривой линии на орбите. Эти фотонные пучки синхротронного излучения расходятся на каждую станцию, которая решает свои собственные задачи: кто-то может просвечивать лабораторных животных для биомедицинских задач, кто-то — шестеренки автомобилей, турбинные лопатки авиационных двигателей, кто-то исследует катализаторы или создает новые фармацевтические препараты и так далее, — продолжает рассказ главный научный сотрудник ЦКП «СКИФ».
В конце этого года появятся семь экспериментальных станций, к 2035 году планируется, что общее их число будет достигать 30. Ян Зубавичус отметил, что строительство завершится в этом году, но первые эксперименты запланированы на 2026 год:
— Всё созданное оборудование нужно «подружить» друг с другом, заставить всё работать синхронно, как единый комплекс. Это непросто, потому что разные команды трудились над СКИФом. Несколько месяцев уйдет на комплексные пусконаладочные работы. Мы рассчитываем, что первый эксперимент в 2026 году обязательно состоится. Но сначала, повторюсь, еще нужно отладить работу ускорительного комплекса. Этим будут заниматься специалисты Института ядерной физики. Уже работает бустер, линейный ускоритель. Получено стабильное циркулирующее движение электронов в бустере. Сейчас стоит задача — вывести бустер на рабочую энергию электронов: 3 гигаэлектронвольт (ГэВ). Параллельно идет сборка элементов основного накопительного кольца.
— А кто первый встанет за «руль» СКИФа и начнет проводить исследования?
— Первыми приедут дружественные пользователи — это специалисты с опытом работы на международных источниках синхротронного изучения, — чтобы в режиме обмена мнениями можно было проверить комплекс, обсудить, что можно улучшить, где какие-то есть технические недоработки, проблемы. В результате все ошибки будут выявлены. А потом время эксперимента на пучках синхротронного изучения будет распределяться по конкурсу заявок. Будет специализированный портал, функционал которого сейчас прорабатывается. Любая научная группа будет в состоянии написать заявку с описанием научной задачи, выбрать, на какой станции и каким методом ее задачи могут быть решены. И независимая группа экспертов будет оценивать заявку. В зависимости от этого рейтинга будет выделяться время, составляться расписание. Группа может приезжать на сутки, на неделю со своими образцами и научными задачами, проводить исследования. Не зря у названия СКИФ есть еще первые три буквы — ЦКП, Центр коллективного пользования.
СКИФ — невероятно важный проект в России. В области структурной биологии и исследования белков за 25–30 лет было вручено семь Нобелевских премий за работы с использованием синхротронного излучения. Мировой опыт вдохновляет. И российские ученые не стоят в стороне, а мечтают, стремятся и создают свой яркий во всех смыслах комплекс.
СКИФ — большая современная установка класса «мегасайенс», которая «приземлилась» именно в Кольцово. Заказчик и застройщик — Институт катализа СО РАН, генеральный конструктор и изготовитель технологического оборудования ускорительного комплекса — Институт ядерной физики СО РАН. Администрация Кольцово с самого начала поддерживает проект и всячески содействует его успешной реализации.
СКИФ — необычная и сложная установка, которую часто сравнивают с большим микроскопом, но больше он напоминает гигантский рентгеновский аппарат.
— Ян Витаутасович, СКИФ — это источник синхротронного излучения. А что это такое простыми словами, с чем мы его можем сравнить?
— Можно придумать разные аналогии, в зависимости от того, на чем мы акцентируем внимание. С одной стороны, источник синхротронного излучения — это большой рентгеновский аппарат. Излучение, которое он вырабатывает, в основном рентгеновское. Хотя есть исключения из этого правила. По принципу работы — это ускорительный комплекс. Синхротронным излучением мы можем просвечивать различные объекты, научные образцы и получать информацию о них. Можно и другую аналогию провести, которая мне даже больше нравится: СКИФ — это цифровая видеокамера с бесконечным зумом. Можно рассмотреть объект целиком в большем масштабе, а можно «увеличить» изображение вплоть до атомных размеров, сделать фотографию расположения атомов и даже заснять кино, как протекают какие-либо процессы, изучать их развитие.
СКИФ, как уже выше писали, — проект мирового масштаба, а многие его ласково называют «бублик». Тот самый «бублик», большое кольцо с «дыркой» посередине, — здание основного накопительного кольца. Ускорительный комплекс состоит из следующих объектов: линейный ускоритель, кольцевой предускоритель — бустер, основное накопительное кольцо. Из них синхротроном (кольцевым циклическим ускорителем заряженных частиц. — Прим. ред.) является только бустер, а источником синхротронного излучения — накопительное кольцо. Там накапливаются электроны, они вращаются по постоянной кольцевой орбите и удерживаются на ней при помощи магнитов. Электроны двигаются по кругу со скоростью, приближенной к скорости света, на участках криволинейного движения и рождается то самое необходимое синхротронное излучение.
— Электрон — заряженная частица, двигается с ускорением. Заряженная частица, движущаяся с ускорением, вынуждена излучать свет — это принцип электродинамики Максвелла. Еще одно определение СКИФа — источник фотонов. Электроны в накопителе излучают свет, поток или пучок фотонов, который мы называем синхротронным излучением. Есть такой научный термин — эмиттанс. Он определяет, насколько узко будет направлен пучок фотонов, то есть пучок света. Чем ниже эмиттанс, тем более узкий и яркий поток света мы можем направить на удаленный объект, чтобы его в мельчайших деталях рассмотреть. Объект стоит на пути пучка, просвечивается этим излучением, мы регистрируем картинку и понимаем, как устроен этот объект, — рассказывает про принцип работы СКИФа Ян Зубавичус.
— Как пришли к тому, чтобы создать источники синхротронного излучения?
— Источники первого поколения появились где-то в 60-х годах XX века, и там излучение называлось паразитным. Эти установки создавались как установки физики высоких энергий. Задача была разогнать электроны до максимальной скорости, столкнуть их с чем-нибудь и исследовать фундаментальные законы строения материи. Люди поняли, что это очень мощный универсальный инструмент для исследования самых разных объектов, решения научных задач. Затем начали строить специализированные комплексы, чтобы ускоритель генерировал только синхротронное излучение, которое попадало бы на экспериментальные станции, и там проводить следом научные исследования. Это второе поколение, примерно с 1980-х годов начали применять. Развитие не останавливалось. Позже придумали специальные устройства генерации, источники синхротронного излучения стали делать более крупными. Между поворотами, на которых находятся магниты, оставляли большие прямолинейные промежутки, туда вставляли многополюсные магнитные структуры, в них электрон двигается по сильно искривленной орбите. И такие устройства способны генерировать синхротронное излучение с улучшенными характеристиками.
Ян Зубавичус рассказал, что есть такое устройство — ондулятор, в котором создается периодическое магнитное поле, действующее на движущиеся по нему электроны. Они являются самыми передовыми, сложными, генерируя яркие и интенсивные фотонные пучки:
— Магниты стоят плотно друг к другу, электроны по очень искривленной орбите двигаются и выделяют очень яркое излучение, которое еще можно назвать ондуляторным. Когда основными устройствами генерации света стали эти ондуляторы, появилось третье поколение. А следом появилось и четвертое поколение, самые совершенные источники синхротронного излучения в мире. Первым появился в Швеции ускорительный комплекс MAX IV в Лунде.
— Почему у СКИФа звание четвертого поколения идет с плюсом?
— Проект развивался, шла стройка, и мы поняли, что по эмиттансу, который равен 75 пикометр · радиан, наш СКИФ — самый лучший в своем классе. Как мы уже выяснили, очень важен этот параметр. Нужен яркий и узконаправленный свет, чтобы рассматривать исследуемый объект. У комплексов предыдущих поколений значение эмиттанса в десятки и сотни раз больше. Даже появившиеся источники четвертого поколения не опускались ниже значения 100 (у шведского MAX IV эмиттанс 200–330 пикометр · радиан, у бразильского SIRIUS — 250 пикометр · радиан), а мы преодолели этот рубеж, поэтому добавили себе «+». Мы достигли значения, в результате которого эмиттанс очень низкий, в результате чего можем исследовать на синхротронном пучке сложные, быстропротекающие процессы или рассматривать в мельчайших подробностях маленькие объекты.
— Какие сферы науки затрагивает СКИФ?
— Синхротронное излучение эффективно может использоваться в самых разных науках: физике, биологии, химии. Очень много синхротронных исследований нацелено на решение биомедицинских задач. Мы сможем расшифровать структуру какой-нибудь белковой молекулы, особенно интересны вредоносные, патологические. К примеру, вирусный белок, который отвечает за проникновение вируса внутрь клетки, за ее инфицирование. Имея трехмерную модель этого белка, можно подобрать такую молекулу, которая будет мешать вирусу распространяться. А это лекарственный эффект. Раньше ученые случайным образом находили молекулы с фармацевтически значимыми свойствами, путем длительного подбора искали белки-мишени в вирусах, а теперь они будут наглядно видеть, как устроен белок-мишень, действия которого необходимо заблокировать. Это сильно ускорит процесс поиска новых лекарственных препаратов.
Синхротронным излучением можно просвечивать любой объект. Палеонтологи смогут в подробностях изучать строение ископаемых останков динозавров, восстановить цвет кожи, наличие перьев. Объектами исследования могут быть предметы культурного наследия: картины или находки из археологических раскопок. Увеличится количество способов реставрации, консервации объекта, чтобы он сохранялся в музее. СКИФ будет закрывать задачи самых разных сфер и направлений.
Исследования будут проходить на экспериментальных станциях, куда поступает синхротронное излучение, сгенерированное в накопительном кольце. На разных станциях ученые смогут работать параллельно и независимо друг от друга.
— Электроны крутятся, излучают свет на каждой кривой линии на орбите. Эти фотонные пучки синхротронного излучения расходятся на каждую станцию, которая решает свои собственные задачи: кто-то может просвечивать лабораторных животных для биомедицинских задач, кто-то — шестеренки автомобилей, турбинные лопатки авиационных двигателей, кто-то исследует катализаторы или создает новые фармацевтические препараты и так далее, — продолжает рассказ главный научный сотрудник ЦКП «СКИФ».
В конце этого года появятся семь экспериментальных станций, к 2035 году планируется, что общее их число будет достигать 30. Ян Зубавичус отметил, что строительство завершится в этом году, но первые эксперименты запланированы на 2026 год:
— Всё созданное оборудование нужно «подружить» друг с другом, заставить всё работать синхронно, как единый комплекс. Это непросто, потому что разные команды трудились над СКИФом. Несколько месяцев уйдет на комплексные пусконаладочные работы. Мы рассчитываем, что первый эксперимент в 2026 году обязательно состоится. Но сначала, повторюсь, еще нужно отладить работу ускорительного комплекса. Этим будут заниматься специалисты Института ядерной физики. Уже работает бустер, линейный ускоритель. Получено стабильное циркулирующее движение электронов в бустере. Сейчас стоит задача — вывести бустер на рабочую энергию электронов: 3 гигаэлектронвольт (ГэВ). Параллельно идет сборка элементов основного накопительного кольца.
— А кто первый встанет за «руль» СКИФа и начнет проводить исследования?
— Первыми приедут дружественные пользователи — это специалисты с опытом работы на международных источниках синхротронного изучения, — чтобы в режиме обмена мнениями можно было проверить комплекс, обсудить, что можно улучшить, где какие-то есть технические недоработки, проблемы. В результате все ошибки будут выявлены. А потом время эксперимента на пучках синхротронного изучения будет распределяться по конкурсу заявок. Будет специализированный портал, функционал которого сейчас прорабатывается. Любая научная группа будет в состоянии написать заявку с описанием научной задачи, выбрать, на какой станции и каким методом ее задачи могут быть решены. И независимая группа экспертов будет оценивать заявку. В зависимости от этого рейтинга будет выделяться время, составляться расписание. Группа может приезжать на сутки, на неделю со своими образцами и научными задачами, проводить исследования. Не зря у названия СКИФ есть еще первые три буквы — ЦКП, Центр коллективного пользования.
СКИФ — невероятно важный проект в России. В области структурной биологии и исследования белков за 25–30 лет было вручено семь Нобелевских премий за работы с использованием синхротронного излучения. Мировой опыт вдохновляет. И российские ученые не стоят в стороне, а мечтают, стремятся и создают свой яркий во всех смыслах комплекс.
