Научно-технологическое развитие Российской Федерации

Взрывное кино. «СКИФ» поможет запечатлеть изменения в структуре материалов

Рентгенодифракционное кино – так романтически называется метод, позволяющий изучать in situ быстропротекающие процессы. В Институте ядерной физики СО РАН работы по использованию синхротронного излучения (СИ) в научных экспериментах ведутся с 1970-х годов. Начало положили пионерские исследования в области биологии – в 1973-м команда Марка Мокульского из Института молекулярной биологии сделала с помощью СИ первый в мире рентгеноструктурный анализ тяжелых цезиевых солей ДНК. А в 1974 году группа Альвины Вазиной из Института биофизики АН СССР изучала с помощью СИ, как меняется структура мышцы лягушки в процессе сокращения. Это было первое стокадровое рентгенодифракционное кино с длительностью кадра 2 миллисекунды. Словом, 50 лет назад в Институт ядерной физики для экспериментов ехали первопроходцы со всего мира. К сожалению, за прошедшие годы установки ИЯФ устарели, в связи с чем, например, исследования в области биологии пришлось прекратить.

Сегодня на накопителях ВЭПП-3 и ВЭПП-4 работают 13 пользовательских станций, поскольку для химиков, материаловедов, геологов, археологов СИ по-прежнему остается незаменимым инструментом исследований. Строящийся в наукограде Кольцово под Новосибирском источник 4-го поколения «СКИФ» будет включать в себя развитую пользовательскую инфраструктуру (30 станций), что даст старт новым коллаборациям вокруг синхротронного излучения.

“С помощью СИ можно кадр за кадром запечатлеть, например, как идет реакция в процессе горения, – рассказывает руководитель научного направления «Синхротронное излучение» в ИЯФ СО РАН академик Геннадий Кулипанов. – Мы нашли свою нишу в таких исследованиях, хотя работаем на источниках 2-го поколения”.

Например, до сих пор не побитый рекорд: команде профессора Бориса Толочко и его коллег из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН, Института гидродинамики СО РАН и наших ядерных центров (Снежинск, Саров) удалось сделать рентгеноструктурный анализ взрывных и детонационных процессов. На установке ВЭПП-4 один кадр получают за 100 пикосекунд, уникальный детектор, разработанный в ИЯФ, позволяет через 50 наносекунд регистрировать следующий кадр. С помощью столь скоростной съемки удалось уточнить процессы, происходящие во время взрыва. Так, впервые в мире сибирские ученые разработали метод малоуглового рентгеновского рассеяния с наносекундным временным разрешением – очень красиво смотрится эксперимент по исследованию пыли, образующейся в процессе взрыва. Полученные данные важны для корректировки кодов теоретических расчетов.

Начаты работы с «Росатомом» по исследованию процессов расплава и сварки многокомпонентных разнородных материалов (здесь участвуют специалисты Института теоретической и прикладной механики СО РАН). Команда Алексея Аракчеева (на фото) из ИЯФ решает проблему защиты стенок термоядерных реакторов от воздействия раскаленной плазмы, участвуя в международном проекте ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Сейчас в качестве материала первой стенки токамака планируется использовать вольфрам. Для испытания его ставят под пучок СИ на ВЭПП-4, нагревают импульсным лазером и регистрируют большую серию дифрактограмм. Картинка распространения фронта тепловой волны вполне достойна настоящего кинематографа.

“Мне очень нравится понятие «дифракционное кино», когда поэтапно и быстро фиксируют процесс, происходящий при нагреве или охлаждении материала”,

– добавляет ректор Новосибирского государственного технического университета доктор технических наук Анатолий Батаев.

По его словам, до сих пор при защите диссертаций по материаловедению приводятся десятки дифрактограмм. Они часами снимаются на стендовых приборах – рентгеновских дифрактометрах. К сожалению, многие российские исследователи просто не имеют доступа к такому инструменту, как СИ.

“Специалисты НГТУ давно работают на установках ИЯФ. Однако машинного времени не хватает. Поэтому мы участвуем в конкурсах на проведение исследований на зарубежных источниках ESRF и DESY. Так, аспиранты-материаловеды НГТУ два года назад отработали 54 смены на ESRF в Гренобле. И до сих пор обрабатывают полученные результаты – такое количество информации дает этот мощный инструмент. Более того, мы разработали оборудование – машины трения – для одной из станций ESRF”,

– рассказывает Батаев.

“Конкурсы на проведение исследований на современных источниках СИ организуются не даром – победителям даже оплачивают перелет и гостиницу, лишь бы загрузить установку мегасайенс высококлассными экспериментами, – поясняет академик Кулипанов. – На ESRF постоянно работают многие наши ученые. России давно необходим свой источник мирового класса. В процессе проектирования «СКИФа» команды Евгения Левичева и Николая Мезенцева заложили рекордные параметры по жесткости, интенсивности и яркости излучения”.

По словам Кулипанова, эти параметры будут достигнуты благодаря рекордно малому эмиттансу электронного пучка в «СКИФе», а также разработанным в ИЯФ вигглерам и ондуляторам – устройствам для генерации синхротронного излучения. Первый сверхпроводящий ондулятор оригинальной конструкции, созданный в ИЯФ, будет поставлен в этом году на английский источник DIAMOND.

“Надеюсь, с запуском «СКИФа» такой современный инструмент исследования, как синхротронное излучение, станет доступен российским материаловедам, – продолжает профессор Батаев. – НГТУ в ЦКП «СКИФ» планирует участвовать в трех ипостасях”.

Во-первых, речь идет о подготовкеинженеров, в том числе исследователей, для работы на источнике.

“Во-вторых, разрабатываем часть оборудования, так называемые гирдеры – устройства, обеспечивающие механическую устойчивость ускорителя, а также коллиматоры (совместный с ИЯФ проект получил поддержку РФФИ). В-третьих, собираемся курировать одну из пользовательских станций: учить студентов на реальных задачах и проводить исследования”, – говорит профессор.

Поскольку «СКИФ» будет работать как центр коллективного пользования и должен быть загружен сотнями исследовательских задач, решение которых продвинет науку вперед, НГТУ надеется создать вокруг себя коллаборацию материаловедов.

“Мы разослали предложение о сотрудничестве сорока университетам и академическим институтам, и восемнадцать организаций, среди которых Бауманский, Волгоградский технический, Томский политехнический и другие университеты, уже согласились участвовать в работе. Сейчас еще возможна «настройка» станции под будущих пользователей. Предполагается проведение исследований на различных уровнях – от нано- до макромасштабного”, – резюмирует Батаев.

Несомненно одно: исследования с использованием синхротронного излучения ведутся сегодня в первую очередь молодыми учеными. НГТУ вместе с НГУ должен стать центром подготовки кадров для будущего синхротрона. И мы уже запустили три магистерских программы для будущих исследователей и инженеров для «СКИФа»: две – на физико-техническом факультете (ФТФ) и одну – на механико-технологическом, как раз по материаловедению. В этом году состоится первый выпуск магистрантов на ФТФ.

С запуском «СКИФа» Новосибирск вновь станет точкой притяжения первопроходцев. И можно сказать с уверенностью: материаловеды среди них непременно будут.

Источник

Подписка на новости и события
Введите ваш email