Почему синхротрон — универсальный инструмент для изучения материи

© sbras.info. Станция СИ в ИЯФ СО РАН
Почему синхротрон — универсальный инструмент для изучения материи
12 Июн 2019, 04:49

Запуск первой очереди ЦКП «СКИФ» запланирован на 2024 год. Это ведущий проект в программе развития «Академгородок 2.0». Заведующий сектором 1-32 Института ядерной физики СО РАН Андрей Журавлев ответил для Тайги.инфо на наиболее распространенные вопросы про сибирский синхротрон.

Что же такое СИ или синхротронное излучение?

Если заряженная частица движется с ускорением, то такое движение сопровождается испусканием электромагнитного излучения. Обычный видимый нами свет, радиоволны и рентгеновское излучение — это разновидности электромагнитного излучения.

Такое явление предсказал в начале 20 века немецкий физик А. Шотт. В 1944 году советские физики Иваненко и Померанчук создали теорию излучения электрона в магнитном поле. Впервые наблюдать свет от электронов удалось на американском синхротроне «Дженерал Электрик» в 1947 году. Отсюда появилось и название этого магнито-тормозного излучения частицы, движущейся с ускорением — синхротронное излучение (СИ). Поначалу этот эффект считался неприятным побочным продуктом в ускорительном процессе, поскольку это излучение уносит немалую часть энергии, которую необходимо компенсировать. Однако впоследствии, после серьезных исследований характеристик СИ, были обнаружены его уникальные свойства как инструмента для научных исследований.

В конце 60-х годов в Новосибирском академгородке в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера были проведены первые исследования с использованием СИ.

В чем уникальность СИ? 

Синхротронное излучение в рентгеновском диапазоне наиболее востребовано для исследования различных объектов. СИ в рентгеновской области — это электромагнитное излучение с длиной волны от доли до десятков ангстрем (1 ангстрем = 10−10 метров). Источниками генерации СИ являются крупные ускорители электронов или позитронов (позитрон — это античастица электрона), которые задают его уникальные характеристики. Прежде всего — это интенсивность.

Интенсивность характеризуется несколькими величинами: количеством фотонов, потоком — числом фотонов в единицу времени, плотностью потока — числом фотонов, пролетающих за единицу времени через единицу площади.

По сравнению с обычными лабораторными источниками рентгеновского излучения интенсивность СИ выше на порядки — в миллион-миллиард раз. Для сравнения: самые первые рентгеновские трубки, которые использовал в своих экспериментах в конце 19-го века немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген, отличаются от современных обычных трубок по интенсивности максимум в 10 раз.

Что дает высокая интенсивность синхротронного излучения? Во-первых, эксперименты можно проводить во много раз быстрее. Это позволяет проводить на станциях синхротрона намного больше экспериментов, чем в лаборатории.

Следующее преимущество — можно исследовать маленькие образцы и обнаруживать более тонкие эффекты. Возьмем стандартную флюорографию, которую рекомендуется проходить каждые полгода-год — это просвечивание тканей рентгеновским пучком. Здесь контраст изображения возникает из-за разной плотности тканей — например, кости плотнее, чем мягкие ткани, поэтому они сильнее поглощают излучение, получаются более темными.

В случае синхротронного излучения возникают новые механизмы формирования контрастов — за счет того, что пучок параллельный, происходит не поглощение, а преломление. Благодаря такому контрасту, который называют фазовым, изображение будет намного более детализированным: будут видны границы не только тканей, а клеток и их составляющих, органелл.

Рентгеновское излучение, вырабатываемое синхротронами, распределяется непрерывно. У лабораторных трубок — специфический линейный спектр. Непрерывный спектр означает, что для каждого эксперимента можно выбирать длину волны, оптимальную для его условий. Это еще одна составляющая универсальности синхротрона.

Следует отметить и временные характеристики СИ. Все мы знаем об обычной телевизионной частоте 24 кадра в секунду (24 Гц), нам также известно, что человеческий глаз может заметить «мерцания» на частоте не выше 48 кадров в секунду (48 Гц). Эффект slow motion (замедленная съемка) достигается путем увеличения числа кадров в секунду в несколько раз. Некоторые современные смартфоны могут снимать видео с частотой порядка 1000 кадров в секунду (1 кГц), а профессиональные камеры 200 000 кадров в секунду (200 кГц). На современных источниках СИ возможно наблюдать за процессами на частоте в 1000 раз больше, чем на самой лучшей профессиональной видеокамере. (360 млн кадров в секунду, или 360 МГц). При таких условиях уже доступны исследования сверхбыстрых процессов, например, взрывной процесс.

В каких областях науки используется СИ?

Уникальные свойства СИ: высокая яркость и интенсивность, непрерывный спектр, узко-направленность излучения определили привлекательность источников СИ для различных областей современной науки: химия, биология, генетика, физика твердого тела, кристаллография, геология и экология, материаловедение, нанотехнологии, медицина, технические науки и пр. Центры синхротронного излучения, обеспечивающие проведение различных фундаментальных и прикладных исследований, являются также базой для разработки новых уникальных технологий.

Еще одним показателем востребованности СИ является тот факт, что за последние 20 лет 6 нобелевских премий было вручено работам, результаты которых были получены с использованием синхротронного излучения. Не удивительно, что из 50 специализированных источников СИ в мире, львиная доля приходится на Европу (16), Японию (15) и США (11). Можно утверждать, что наличие центров синхротронного излучения, наравне с ядерными исследованиями и космосом, является признаком научно-технической развитости.

В нашей стране есть 2 действующих центра СИ, на вооружении которых имеются 4 источника 1-го (ВЭПП-3, ВЭПП-4) и 2-го (Сибирь-2) поколения. Чем выше поколение источника (на данный момент всего 4 поколения), тем выше яркость пучка СИ, меньше размер пучка, больше мощность излучения. В данном случае может быть уместно сравнение с поколениями реактивных истребителей. На тех и других самолетах можно долететь до требуемого места, выполнить поставленные задачи, но на истребителях ранних поколений невозможно достичь скорости звука и добраться до тех высот, которые стали доступны современным машинам.

Весной 2018 года было принято решение о создании в России сети источников синхротронного излучения 4 поколения. В Новосибирске планируется построить источник СИ ЦКП «СКИФ» с параметрами на уровне лучших мировых источников СИ.

Проект ЦКП «СКИФ» в Новосибирске — флагман программы развития Новосибирского научного центра «Академгородок 2.0». Источник синхротронного излучения четвертого поколения станет частью отечественной сетевой инфраструктуры синхротронных и нейтронных исследований с головной установкой ИССИ-4 в НИЦ «Курчатовский институт». ЦКП «СКИФ» будет включать в себя ускорительный комплекс и развитую пользовательскую инфраструктуру: экспериментальные станции и лабораторный корпус. Запуск первой очереди проекта с шестью станциями запланирован на 2024 год, ориентировочная стоимость — 37 млрд рублей.


Комментарии:
В связи с событиями, происходящими в мире, мы призываем вас к трезвому и взвешенному комментированию материалов на нашем сайте.

Мы с уважением относимся к праву каждого человека высказывать свое мнение. В то же время Тайга.инфо не приветствует призывы к агрессии, экстремизму, межнациональной вражде.

Также просим воздерживаться от оскорблений, в частности националистического характера.

Высказанные ниже мнения могут не совпадать с мнением редакции. Редакция не несет ответственности за содержание комментариев.

Не допустимы и удаляются комментарии, которые нарушают действующее законодательство и содержат:
  1. оскорбления личного, религиозного, национального, политического, рекламного и иных характеров;
  2. ссылки на источники информации, не имеющей отношения к обсуждаемой теме.
Нажимая кнопку «Комментировать», вы безоговорочно принимаете эти условия.

Рубрика:

Тип публикации:

Компании:


Новости из рубрики:

Мнения
Власть перехватывает повестку перемен
Алексей Мазур
Путин впервые за долгое время пошел по пути популизма. Возможность поднять рейтинг отставкой Медведева была всегда, но президент ей до сих пор не пользовался. Что это значит?

© Тайга.инфо, 2004-2020
Версия: 5.0

Почта: info@taygainfo.ru

Телефон редакции:
+7 (383) 3-195-520

Издание: 18+
Редакция не несет ответственности за достоверность информации, содержащейся в рекламных объявлениях. При полном или частичном использовании материалов гиперссылка на tayga.info обязательна.

Яндекс цитирования Яндекс.Метрика