Сибирский кольцевой источник фотонов: ускорительно-накопительный комплекс СКИФ

Сибирский кольцевой источник фотонов (СКИФ) — это революционный научный проект, который позиционируется как первый в мире источник синхротронного излучения поколения 4+ (4+), создаваемый в России в наукограде Кольцово Новосибирской области[1][5]. Завершение строительства этого объекта класса «мегасайенс» намечено на конец 2025 года[5].

Техническая основа и уникальные характеристики

СКИФ представляет собой ускорительно-накопительный комплекс, в котором электроны разгоняются и удерживаются в кольцевой орбите длиной 476 метров[2]. Установка работает с энергией электронов 3 ГэВ (гигаэлектронвольт)[1][2].

Главной отличительной чертой СКИФ является минимальный эмиттанс — 75 пм·рад (пикометров·радиан), что делает его наиболее совершенным источником синхротронного излучения среди всех существующих в мире[2][4]. Для сравнения: эмиттанс MAX IV, первого источника поколения 4+, составляет 320 пм[4]. Эмиттанс характеризует качество электронного пучка и напрямую влияет на яркость генерируемого излучения — чем меньше эмиттанс, тем выше качество получаемых данных[2].

Яркость синхротронного излучения СКИФ достигает одной из самых высоких в мире отметок — ~10²² фотонов/с/мм²/мрад²/0,1% полосы, что позволяет получать сверхточные экспериментальные данные[1].

Архитектурные решения

Комплекс имеет характерную кольцевую форму в плане с диаметром покрытия примерно 47 метров и высотой здания 17 метров[1]. Конструкция представляет собой смешанный каркас из железобетонных вертикальных несущих элементов с покрытием из стальных ферм[1].

Принцип работы и физика синхротронного излучения

Основной принцип СКИФ основывается на явлении синхротронного излучения. Когда легкие заряженные частицы, такие как электроны, движутся по круговой орбите с высокой скоростью, они испускают электромагнитное излучение по касательной к направлению движения[4]. Это явление обладает уникальными свойствами, которые делают его мощным инструментом для научных исследований[4].

Инжекционная система СКИФ будет работать с частотой 1 Гц, используя линейный ускоритель для разгона электронных пучков до 200 МэВ[5]. Её мощности достаточно, чтобы в течение одной минуты обеспечить в основном кольце ток 400 мА[5].

Статус поколения 4+

Классификация СКИФ как источника поколения 4+ не случайна. Существуют физические фундаментальные ограничения на увеличение яркости синхротронного излучения. В СКИФ эти ограничения уже достигаются, при этом установка находится на пределе возможного фазового объема электронного пучка[4]. Для дальнейшего развития потребуются принципиально новые идеи и технологии, которые еще не предложены научным сообществом[4].

Экспериментальные возможности

СКИФ будет оснащен уникальными современными мультидисциплинарными экспериментальными станциями, включая специализированные установки для исследования быстропротекающих процессов и биологических объектов[3]. Комплекс предоставит адаптивное пользовательское окружение для пробоподготовки и сопутствующих исследований[3].

Высокие характеристики синхротронного излучения позволят исследователям изучать:

• структуру и свойства вещества на микро- и наноуровне[3]
• композитные материалы, гибридные вещества и биополимеры[3]
• новые технологии поверхностей и тонких пленок[3]
• фундаментальные свойства материи и уравнения состояния[3]

Применение методов In situ, Operando и pump-probe откроет новые возможности для динамических исследований веществ в реальных условиях их работы[3].

Научное и прикладное значение

Уникальные характеристики СКИФ позволят проводить передовые исследования с яркими и интенсивными пучками рентгеновского излучения во множестве областей науки[6]:

• Химия и катализ — изучение структуры катализаторов и механизмов химических реакций
• Физика и материаловедение — исследование свойств новых материалов
• Биология и медицина — структурные исследования биомолекул и белков
• Геология и геохимия — анализ минеральных образцов
• Гуманитарные науки — исследование исторических артефактов и образцов

Кроме того, СКИФ поможет решить актуальные задачи инновационных и промышленных предприятий, способствуя развитию новых технологий и материалов[6].

Импортозамещение и отечественные разработки

Строительство СКИФ сопровождается разработкой отечественных компонентов. Так, новосибирская компания «ЭПОС-Инжиниринг» разработала и изготовила импортозамещающие сверхбыстрые вакуумные затворы[8]. «ВНИИА» Росатома совместно с Институтом оптики и ядерной физики СО РАН разработали диссекторы и стрик-камеры для измерения длины пучка электронов в синхротроне[8].

Место в национальной научной политике

СКИФ создается в рамках национального проекта «Наука и университеты» и входит в Федеральную научно-техническую программу развития синхротронных и нейтронных исследований на период до 2030 года[6][7]. Проект направлен на развитие современной отечественной сети источников синхротронного излучения нового поколения[6].

Заключение

Сибирский кольцевой источник фотонов представляет собой знаковый проект в развитии российской научной инфраструктуры. Благодаря рекордно низкому эмиттансу и максимальной яркости излучения, СКИФ станет универсальным инструментом для генерации научных знаний в самых разных дисциплинах[4]. По своим параметрам установка займет место в числе самых современных и мощных источников синхротронного излучения в мире, позволяя российским и международным ученым проводить передовые исследования, которые будут способствовать развитию науки и технологий будущего.

Полный список ссылок:

[1] https://ese.pro/cases/sibirskiy-koltsevoy-istochnik-fotonov-skif/

[2] https://catalysis.ru/block/index.php?ID=1&SECTION_ID=2644

[3] https://www.akademgorodok2.ru/prj-synchrotron-skif/

[4] https://new.ras.ru/activities/news/sibirskiy-koltsevoy-istochnik-fotonov-universalnyy-instrument-dlya-generatsii-nauchnykh-znaniy-inter/

[5] https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B8%D0%B1%D0%B8%D1%80%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D0%BA%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D1%86%D0%B5%D0%B2%D0%BE%D0%B9_%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%87%D0%BD%D0%B8%D0%BA_%D1%84%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%BE%D0%B2

[6] https://nauka.nso.ru/news/1206

[7] https://srf-skif.ru/index.php/%D0%A6%D0%9A%D0%9F_%C2%AB%D0%A1%D0%9A%D0%98%D0%A4%C2%BB_(%D0%BF%D0%BE%D0%BA%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_4+,_%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B8%D1%8F_3_%D0%93%D1%8D%D0%92)

[8] https://www.atomic-energy.ru/SKIF-Koltsovo

[9] https://www.inp.nsk.su/nauka/issledovatelskaya-infrastruktura/proekty/sibirskij-istochnik-si

---

*****

---