Всего в получасе езды от центра Москвы находится сверхмощный источник рентгеновского излучения, яркость которого в миллионы раз выше, чем у рентгеновского аппарата. Ничего сверхъестественного — это единственный на постсоветском пространстве специализированный источник синхротронного излучения Курчатовского института.
Большое накопительное кольцо Курчатовского синхротрона
Фото: Юрий Макаров
Для получения излучения такой яркости используются пучки электронов, которые разгоняются в кольцевом ускорителе почти до скорости света, а их энергия при этом достигает 2,5 млрд электронвольт! Вокруг этого кольцевого ускорителя располагаются экспериментальные станции рентгеновской структурной диагностики. Огромная мощность ускорителя и сверхъяркость синхротронного излучения позволяют изучать любое вещество, буквально разбирая его на отдельные атомы и молекулы. Ежедневно на Курчатовском синхротроне проводятся десятки различных экспериментов. Круг научных задач очень широк: от классической кристаллографии, материаловедения и структурной химии до белковой кристаллографии, микробиологии, медицины и даже истории.
Практическое применение нового вида излучения — рентгеновских лучей — началось в медицине сразу же после его случайного открытия в 1895 году: первый снимок запястья своей супруги с обручальным кольцом на пальце сделал Вильгельм Рентген. Но как выяснилось через несколько десятилетий, с его помощью можно изучать структуру не только макро-, но и микрообъектов вплоть до расположения отдельных атомов в кристаллической решетке. Для исследований на таком уровне надо иметь очень яркое излучение, обладающее непрерывным спектром в рентгеновской области. Такие свойства есть у синхротронного излучения — особого вида электромагнитного, теоретически предсказанного еще в 1944 году советскими физиками Дмитрием Иваненко и Исааком Померанчуком.
До начала 1960-х источниками рентгеновского излучения были специальные трубки, в которых электроны, выпущенные одним электродом (анодом), ускорялись в вакууме электрическим полем до энергий в десятки тысяч электронвольт. Затем они фокусировались и тормозились в другом электроде (катоде), порождая рентгеновское излучение. Звучит впечатляюще, но оказалось не слишком выгодно, да и для дальнейшего повышения мощности рентгеновских трубок существовал ряд принципиальных ограничений. Решением стали синхротроны — большие исследовательские установки, в которых заряженные частицы — электроны — разгоняются электрическим полем и движутся по замкнутой кольцевой орбите под действием магнитного поля. Во время криволинейного движения они излучают электромагнитные волны в широком спектре: от рентгеновского до инфракрасного. Яркость синхротронного излучения в современных машинах превышает яркость рентгеновских трубок в 10-10-10-12 раз. Это позволяет буквально просветить глубинные слои вещества — органической и неорганической природы.
Старт проекта первого в СССР специализированного источника синхротронного излучения в Курчатовском институте относится еще к 1978 году, его строительство началось в середине 1980-х при активном участии первой в стране лаборатории синхротронного излучения в Институте кристаллографии АН СССР, созданной Михаилом Ковальчуком. Но запустить синхротрон смогли только в 1999-м, что для многих стало знаком возвращения нашей страны в мир большой науки. И первым директором Курчатовского синхротрона стал Михаил Ковальчук.
В 2007-2009 годах здание Курчатовского синхротрона было значительно расширено и приобрело современные очертания. Площадь экспериментального зала и лабораторий теперь составляет почти 17 тыс. кв. м, вокруг большого накопительного кольца расположено почти два десятка экспериментальных станций. И эта инфраструктура постоянно расширяется — в настоящее время строится семь новых экспериментальных станций.
Центральное место отведено линейному ускорителю и двум циклическим ускорителям-накопителям — малому и большому. В линейном ускорителе пучкам электронов придают первоначальный импульс, а в малом и большом кольцевых ускорителях идет накопление необходимого количества электронов и поддержание их энергии на определенном уровне в течение 15-20 часов для проведения экспериментов. Один оборот пучка электронов по большому накопительному кольцу составляет миллионные доли секунды. Большое накопительное кольцо выполнено в виде многогранника — имеет линейные промежутки и поворотные секции, где установлены поворотные магниты, основные источники синхротронного излучения. Кроме поворотных магнитов в прямолинейные промежутки кольца установлены специальные генераторы синхротронного излучения — так называемые вигглеры (от англ. "wiggle" — "вихлять"). Из каждого поворотного магнита и вигглера выведен специальный канал, по которому синхротронное излучение доходит до экспериментальной станции. Каждая станция — это исследовательский инструмент различного назначения. Условно можно разделить их назначение на три большие группы: дифракционные, спектроскопические и визуализирующие станции. На Курчатовском кольце сейчас находится 15 таких рентгеновских станций и 2 станции вакуумного ультрафиолета. Одновременно на них проводится более десяти экспериментов.
Все зависит от задачи: можно точно определить тип химического соединения или предсказать свойства нового вещества по его структуре. Такие работы ведутся, например, на станции "Белок", где изучают структуры белковых макромолекул.
Экспериментальная станция "НаноФЭС" Курчатовского специализированного источника синхротронного излучения
Фото: Анатолий Жданов, Коммерсантъ
Белки определяют ход всех процессов в живых организмах. Фактически они задают параметры функционирования на молекулярном уровне. Свойства и основные функции белка зависят от его пространственной структуры. Получив методом рентгеноструктурного анализа молекулярную или атомную структуру белка, можно изучить и понять его работу в живом организме. Это очень важно для разработки новых лекарств, в том числе направленных против рака и туберкулеза, а также способов и средств их адресной доставки в клетку. Кроме того, уже в недалеком будущем детальное знание структуры, свойств и принципов работы живой материи позволит создавать искусственные природоподобные и биосовместимые системы, у которых свойства и функции повторяют природные аналоги.
На другой дифракционной станции — "Ленгмюр" — исследуют мономолекулярные органические и биоорганические пленки, сформированные на поверхности жидкости. Чтобы понять, насколько это важно, вспомним, что все клеточные мембраны — защитные оболочки и контрольно-пропускные системы клетки — представляют собой двойную липидную пленку. Созданные на станции "Ленгмюр" искусственные мембраны используются как модельный объект при разработке лекарственных препаратов. Возможности станции также широко применяются для разработки гибридных (органических и биоорганических) сенсоров нового поколения.
Другая большая группа методов — методы рентгеновской визуализации. Это и классическая рентгенография, и томография. Оба эти термина мы знаем из медицинской практики. Методы позволяют получить изображение внутренней структуры непрозрачных объектов. Преимущество синхротронного источника — в очень высоком пространственном разрешении: фактически мы имеем дело с рентгеновским микроскопом. На станциях РТ-МТ и "Медиана" визуализируют внутреннюю структуру самых разных конструкционных, функциональных материалов и изделий. Перечень их впечатляет: от композитных материалов до сверхпроводящих кабелей, реакторных материалов и изделий аддитивных технологий. Также эти методы активно используют в медицинской диагностике, исследованиях предметов культурного наследия.
Третья группа методов — спектроскопические, основанные на анализе спектров поглощения, флуоресценции и выхода фотоэлектронов.
Такими методами можно исследовать самые разные сложные химические соединения и химические процессы, например окисления, коррозии, катализа, определять элементный состав образцов, включая микропримеси, изучать оптические и электронные свойства материалов. Все это востребовано в самых разных отраслях.
Синхротронное излучение в последнее время активно применяют и в исследованиях предметов культурного наследия, археологических и палеонтологических находок. Еще одно важное достоинство синхротронных методов: образец не разрушается в процессе исследований, а это незаменимо при работе с дорогостоящими и уникальными объектами.
Одна из интересных совместных работ ученых Курчатовского института со специалистами Государственного исторического музея — изучение предметов из кургана "Черная могила", относящегося к концу X века. Вернее, предметами это назвать сложно, так как при захоронении зажгли традиционный погребальный костер и почти все погребальные предметы спеклись в огромный ком. Еще на стадии подготовки к исследованиям стало понятно, что в этом конгломерате в числе прочих есть особо интересный предмет, который долгое время считался боевым ножом. Однако метод рентгеновской томографии показал, что оба края ножа фестончатые. То есть боевым он не являлся, а имел некий сакральный смысл. Также при помощи рентгеновских изображений был обнаружен очень красивый орнамент скандинавского типа, сделанный с инкрустацией серебряной проволокой. Возможно, это род скипетра — своеобразный символ власти. И это настоящее открытие, сделанное на стыке наук, с помощью уникальных свойств синхротронного излучения.
Очень важно, что на одной площадке с Курчатовским синхротроном работает и нейтронный источник. Их возможности по структурной диагностике материалов взаимодополняют друг друга. Во всем мире всего несколько научных центров, где есть и синхротрон, и нейтронный источник. Тут же, на территории Курчатовского института, работают нанофабрика, суперсовременная лаборатория электронной микроскопии, медико-биологические лаборатории. То есть для разных исследовательских задач используются самые разные, взаимодополняющие методы. Благодаря этому появляется возможность изучать микро- и наномир с разных точек зрения, перейти на качественно новый уровень диагностики, подобно тому, как бинокулярное зрение дает людям ощущение глубины — третьего измерения.