Advanced Photon Source

Advanced Photon Source — это синхротронный источник рентгеновского излучения третьего поколения, расположенный в Аргоннской национальной лаборатории (штат Иллинойс, США). Он представляет собой ускорительный комплекс, генерирующий интенсивные пучки рентгеновских лучей для научных исследований в области физики, химии, биологии, материаловедения, геологии и других дисциплин. APS является одним из наиболее мощных и востребованных источников синхротронного излучения в мире.

История

Проект Advanced Photon Source был одобрен Министерством энергетики США в 1987 году. Строительство началось в 1990 году, а ввод в эксплуатацию состоялся в 1995 году. Создание APS стало частью программы по развитию источников синхротронного излучения третьего поколения, которые отличались от предшественников (второго поколения) использованием вставных устройств (ондуляторов и вигглеров) для получения более яркого и когерентного излучения.

Первоначально APS работал с энергией электронов 7 ГэВ. В 2010-х годах была проведена масштабная модернизация комплекса (проект APS Upgrade), завершившаяся в 2023 году. В ходе модернизации был заменён накопитель, установлены новые вставные устройства и улучшена система управления. Это позволило увеличить яркость излучения более чем в 500 раз по сравнению с первоначальной конфигурацией.

Устройство и принцип работы

Ускорительный комплекс

APS состоит из нескольких ключевых компонентов:

• Линейный ускоритель (LINAC): разгоняет электроны до энергии около 400 МэВ.
• Бустерный синхротрон: увеличивает энергию электронов до 7 ГэВ.
• Накопительное кольцо: кольцевой ускоритель диаметром около 1104 метров, в котором электроны циркулируют с постоянной энергией, теряя её на излучение. В APS используется накопительное кольцо с многопериодной магнитной структурой, обеспечивающей высокую стабильность пучка.

Генерация излучения

Рентгеновское излучение возникает при движении электронов по криволинейной траектории в магнитных полях. В APS используются два типа источников:

• Поворотные магниты: создают широкий спектр излучения (от инфракрасного до жёсткого рентгена).
• Вставные устройства (ондуляторы и вигглеры): периодические магнитные структуры, которые заставляют электроны совершать колебания, генерируя интенсивное, квазимонохроматическое излучение. Ондуляторы обеспечивают высокую яркость и когерентность, вигглеры — более широкий спектр.

Экспериментальные станции

Излучение из накопительного кольца выводится через каналы вывода (лучевые линии) на экспериментальные станции. В APS насчитывается более 70 действующих экспериментальных станций, каждая из которых специализируется на определённых методах исследований:

• Рентгеновская дифракция: для определения кристаллической структуры материалов.
• Рентгеновская спектроскопия: для изучения электронного строения и химического состава.
• Рентгеновская микроскопия: для визуализации структуры на микро- и наноуровне.
• Рентгеновская томография: для получения трёхмерных изображений объектов.
• Рассеяние рентгеновских лучей под малыми углами (SAXS): для изучения структуры наноматериалов, биополимеров и коллоидов.
• Рентгеновская флуоресценция: для элементного анализа.

Характеристики

Основные параметры APS после модернизации (APS Upgrade):

• Энергия электронов: 7 ГэВ.
• Ток пучка: до 200 мА.
• Яркость излучения: до 10²² фотонов/(с·мм²·мрад²·0,1% BW) в жёстком рентгеновском диапазоне.
• Энергия фотонов: от 1 кэВ до 100 кэВ (в зависимости от источника и станции).
• Число экспериментальных станций: более 70.
• Длина волны излучения: от 0,01 нм до 1 нм (жёсткий и мягкий рентген).

Применение

Advanced Photon Source используется для широкого круга научных и прикладных задач:

Материаловедение

• Изучение структуры и свойств новых материалов (металлов, сплавов, керамики, полимеров, композитов).
• Исследование фазовых переходов, деформаций и разрушения материалов.
• Разработка катализаторов и аккумуляторных батарей.

Биология и медицина

• Определение трёхмерной структуры белков, вирусов и других биомолекул (рентгеновская кристаллография).
• Изучение механизмов действия лекарственных препаратов.
• Визуализация биологических тканей и клеток (рентгеновская томография).

Химия

• Исследование химических реакций в реальном времени (in situ и operando).
• Изучение каталитических процессов, электрохимии, фотохимии.
• Анализ структуры и свойств наноматериалов.

Геология и науки о Земле

• Изучение минералов, горных пород и процессов в недрах Земли.
• Исследование поведения материалов при высоких давлениях и температурах (алмазные наковальни).

Физика

• Исследование квантовых явлений, магнетизма, сверхпроводимости.
• Изучение структуры и динамики конденсированного состояния.

Археология и палеонтология

• Неразрушающий анализ артефактов, окаменелостей и музейных экспонатов.

Значение и влияние

Advanced Photon Source является одним из ключевых инструментов для фундаментальных и прикладных исследований в США и мире. Ежегодно на APS проводят эксперименты тысячи учёных из университетов, национальных лабораторий и промышленных компаний. Результаты исследований, выполненных на APS, публикуются в ведущих научных журналах, таких как Nature, Science, Physical Review Letters и других.

Модернизация APS (APS Upgrade) значительно расширила его возможности, позволив проводить эксперименты с ранее недоступной яркостью и разрешением. Это открыло новые направления в науке, такие как изучение быстропротекающих процессов (фемтосекундная динамика) и получение изображений с нанометровым разрешением.

Критика и ограничения

Как и любой крупный научный объект, APS сталкивается с рядом ограничений и критических замечаний:

• Высокая стоимость эксплуатации и модернизации: APS требует значительных бюджетных ассигнований (сотни миллионов долларов в год), что может вызывать дискуссии о приоритетах финансирования науки.
• Конкуренция с другими источниками: В мире существует несколько аналогичных синхротронов (ESRF в Европе, SPring-8 в Японии, SSRF в Китае), что создаёт конкуренцию за время пучка и ресурсы.
• Ограниченный доступ: Время работы на экспериментальных станциях распределяется на конкурсной основе, и не все заявки удовлетворяются.
• Технические сложности: Поддержание стабильной работы ускорительного комплекса и экспериментальных станций требует высокой квалификации персонала и постоянного технического обслуживания.

Перспективы развития

В будущем планируется дальнейшее развитие APS, включая создание новых экспериментальных станций, разработку более мощных вставных устройств и внедрение методов машинного обучения для автоматизации экспериментов и анализа данных. APS также рассматривается как прототип для создания источников синхротронного излучения четвёртого поколения, основанных на лазерах на свободных электронах (XFEL).

Источники

• Argonne National Laboratory. (2023). Advanced Photon Source Upgrade: A New Era of X-ray Science.
• Winick, H. (1994). Synchrotron Radiation Sources: A Primer. World Scientific.
• Bilderback, D. H., et al. (2000). Review of third-generation synchrotron radiation sources. Journal of Synchrotron Radiation, 7(3), 103-110.
• Министерство энергетики США. (2023). Advanced Photon Source: User Guide.