ИСЭ СО РАН готов принять участие в разработке станций второй очереди Сибирского кольцевого источника фотонов

В августе президент России Владимир Путин торжественно открыл источник синхротронного излучения СКИФ – Сибирский кольцевой источник фотонов. Благодаря его запуску ученые получат качественно новые возможности для изучения материи на атомном уровне. Эта установка класса «мегасайенс» стала настоящим вызовом для российской науки, так как для нее впервые в истории современной России было спроектировано и изготовлено оборудование ускорительного комплекса, а также ряд уникальных исследовательских станций. Институт сильноточной электроники СО РАН в кооперации с соисполнителями и субподрядчиками внес свой значимый вклад: командой специалистов созданы сразу две станции – «Структурная диагностика» и «XAFS-спектроскопия и магнитный дихроизм». В будущем накопленные коллективом ученых компетенции будут востребованы при проектировании станций второй очереди.

Все ключевые узлы

– Институт создал многие ключевые узлы станций: от устройств, коллимирующих и фокусирующих тонкий рентгеновский луч, до систем, визуализирующих его положение, прецизионной механики и измерительных модулей. Благодаря этому ученые смогут проводить уникальные эксперименты по исследованию фазового состава и параметров структуры веществ в режиме реального времени, – рассказал доктор технических наук Владимир Денисов, руководитель работ по созданию станций, заведующий лабораторией пучково-плазменной инженерии поверхности ИСЭ СО РАН.

Станция «Структурная диагностика» нужна для детального изучения состава веществ и материалов с помощью методов рентгеновской дифракции. На ней будут реализованы два основных метода исследования объектов – рентгеновская дифракция высокого разрешения и монокристальный рентгеноструктурный анализ органических и неорганических кристаллов. Метод дифракции позволит определить фазовый состав и локальную атомную структуру материалов, а также отследить структурные превращения. Второй метод предназначен для расшифровки структур неорганических соединений, белков, ферментов и других органических молекул.

Станция «Структурная диагностика»

Разработанные в институте трансфокаторы неохлаждаемого типа и с отводом тепла водой позволяют сначала сделать расходящийся пучок параллельным, а затем, после монохроматизации (выделения из пучка излучения только одной, строго определенного «цвета» – энергии), сфокусировать этот тонкий и мощный пучок размером примерно 10×10 микрон именно там, где нужно, точно в месте выбранного мельчайшего участка кристалла.

Группа специалистов разработала также мониторы положения пучка флуоресцентного типа, позволяющие визуально определить линию пучка и настроить положение рентгенооптических элементов в многометровом вакуумном тракте. Это необходимо, чтобы синхротронное излучение попало точно в нужную точку образца. Когда на специальный кристалл (иттрий-алюминиевый гранат с церием или алмаз) попадает луч, он начинает светиться; именно это свечение и показывает, где именно проходит рентгеновский луч внутри вакуумного тракта длиной около 50 метров. Кроме этого, томские ученые сконструировали для станции «Структурная диагностика» мониторы положения пучка ножевого типа, вакуумную систему станции, а также позиционно-чувствительный детектор для дифракционных исследований in situ и operando, который регистрирует результаты экспериментов в режиме реального времени, фиксируя изменения фазового состава и параметров структуры поверхности материалов при воздействии температуры, давления и других факторов.

Нанизать бусины

Станция «XAFS-спектроскопия и магнитный дихроизм» предназначена для изучения локальной пространственной и электронной структуры кристаллических и аморфных материалов с помощью рентгеновского излучения. Она позволит получить уникальную информацию о том, как расположены атомы в веществе, какие химические связи они образуют и как ведут себя их электроны. В ИСЭ СО РАН создали систему подавления высших гармоник – это специальное устройство, состоящее из длинных зеркал (40 сантиметров), которые «очищают» рентгеновский луч от всех ненужных длин волн, мешающих повторяемости и точности проводимых экспериментов. Для этой станции также разработали мониторы положения пучка и вакуумную систему. Кроме этого, коллективом ИСЭ СО РАН созданы многоуровневая система автоматизации и комплексное программное обеспечение, позволяющие дистанционно контролировать работу всех устройств станции, проводить эксперименты по заранее заданному алгоритму и обеспечивать безопасность людей, находящихся на станции.

– Еще одной интересной и сложной конструкторской задачей стала разработка для обеих станций уникальных пятикоординатных систем позиционирования различных устройств вдоль оптической оси длиной около 50 метров и узлов прецизионной механики. Представим себе, что рентгеновский луч – это тончайшая леска, на которую нужно «нанизать бусины»: многочисленные приборы и элементы, участвующие в эксперименте. Если одна из «бусин», например трансфокатор, собьется более чем на десяток микрон и уйдет в сторону, то пучок не попадет на образец. Вес некоторых «бусин» – различных приборов, установленных на системах позиционирования и расположенных вдоль оптической оси, – составляет от 50 килограммов до полутонны, а управлять их перемещениями во время эксперимента можно только дистанционно из контрольной кабины, – пояснил Владимир Викторович.

Кадры

Действующий на базе ИСЭ СО РАН Научно-исследовательский центр «Томский центр компетенций в области пучково-плазменной инженерии и синхротронных исследований» при участии ТПУ, ТГУ и ТУСУРа в течение трех лет, с 2021 по 2024 год, осуществил подготовку более 150 специалистов (аспирантов, ученых, инженеров) по специальным программам, знакомящим с методами проведения синхротронных исследований. Уже сегодня эти знания востребованы при организации исследований целого ряда сильных научных команд. Другая важная задача, которую курирует НИЦ ТЦК, – это обеспечение связи между ЦКП «СКИФ» и заказчиками, представляющими реальный сектор экономики. Как пояснил В.В. Денисов, сотрудники центра формируют технические задания на научные эксперименты в интересах промышленных предприятий, результаты которых помогут создать передовые отечественные продукты различного назначения – от новых материалов до современного производственного оборудования.

Вторая очередь

До конца года команда из ИСЭ СО РАН должна завершить этап пусконаладки. Необходимо продемонстрировать корректную работу каждого элемента станций и системы управления ими при приемо-сдаточных испытаниях, дабы выйти на проектные параметры станции и обеспечить ее стабильную работу для проведения научных экспериментов. В будущем накопленные научным коллективом (в его составе более 60 сотрудников) компетенции и сложившиеся коллаборации со многими российскими организациями и партнерами будут востребованы при проектировании станций второй очереди, среди которых и станция «Поверхность».

Ключевым методом диагностики для станции «Поверхность» станет in situ-дифрактометрия, которая позволит увидеть, что происходит на глубине до нескольких десятков микрон, как протекают процессы синтеза покрытий и модификации слоев на поверхности материалов при вакуумно-дуговом, магнетронном напылении, электронно-лучевом испарении, импульсной электронно-лучевой и других видах пучково-плазменного воздействия. Она поможет добиться прорывных результатов ученым не только из томских научных и образовательных организаций, но и из многих других регионов России – Урала, Башкирии, Татарстана, Красноярского края, Новосибирской области и т.д., работающим по этим направлениям. Кроме этого, томские научные организации и вузы (ТНЦ СО РАН, ИФПМ СО РАН, ТПУ, ТГУ, ТУСУР) уже сформировали первичный набор задач для этой станции; официальную заинтересованность в ней уже выразил и целый ряд отечественных предприятий авиационной, инструментальной и машиностроительной отраслей.

© Пресс-служба ТНЦ СО РАН