Курчатовский источник синхротронного излучения

Курчатовский источник синхротронного излучения (КИСИ) — специализированный ускорительный комплекс класса источников синхротронного излучения (СИ), расположенный в Москве на территории Национального исследовательского центра «Курчатовский институт». Является единственным действующим в России специализированным источником синхротронного излучения, предназначенным для проведения научных исследований в области физики конденсированного состояния, материаловедения, биологии, химии, нанотехнологий и смежных дисциплин.

История создания

Предпосылки

Необходимость создания отечественного источника СИ была осознана в СССР в 1970-х годах, когда стало очевидно отставание от мировых лидеров (США, Япония, страны Западной Европы) в области использования синхротронного излучения для структурных исследований. Первые эксперименты с СИ в СССР проводились на ускорителях, изначально спроектированных для физики высоких энергий (например, на синхротроне «Пахра» в ФИАН и на накопителе ВЭПП-3 в Новосибирске), однако их параметры не обеспечивали необходимой яркости и стабильности пучка для широкого круга задач.

Проектирование и строительство

Решение о строительстве специализированного источника СИ было принято в 1980-х годах. Проект получил название «Сибирский синхротрон» (планировалось размещение в Новосибирске), однако из-за экономических трудностей конца 1980-х — начала 1990-х годов реализация была отложена. В 1991 году было принято решение о создании источника на базе Курчатовского института, где уже имелась инфраструктура ускорительного комплекса.

Строительство началось в 1994 году. Основой стал переоборудованный ускорительный комплекс, ранее использовавшийся для исследований в области физики высоких энергий. Первый пуск накопительного кольца состоялся в 1999 году. На этапе ввода в эксплуатацию были проведены работы по оптимизации магнитной структуры, вакуумной системы и систем управления.

Ввод в эксплуатацию

Регулярная работа для пользователей началась в 2000-х годах. Первоначально источник работал в режиме так называемого «первого поколения» — использовалось излучение от поворотных магнитов. В 2005–2010 годах была проведена модернизация, в результате которой были установлены вигглеры и ондуляторы, что позволило перейти к режиму источника «второго поколения» с существенно более высокой яркостью излучения в рентгеновском диапазоне.

Устройство и характеристики

Ускорительный комплекс

КИСИ представляет собой комплекс, состоящий из трёх основных частей:

• Линейный ускоритель (линк) — источник электронов с энергией около 80 МэВ.
• Бустерный синхротрон — промежуточное накопительное кольцо, разгоняющее электроны до энергии 2,5 ГэВ.
• Основное накопительное кольцо — кольцо периметром около 120 метров, в котором электроны движутся по замкнутой траектории, излучая синхротронное излучение.

Основные параметры

• Энергия электронов: 2,5 ГэВ.
• Ток пучка: до 100 мА (в режиме многопучковой работы).
• Критическая длина волны излучения: около 0,2 нм (для поворотных магнитов).
• Число каналов вывода излучения: 15–20 (в зависимости от конфигурации).
• Режим работы: непрерывный (до нескольких суток) или импульсный (для экспериментов с временным разрешением).

Источники излучения

Излучение генерируется в трёх типах магнитных структур:

• Поворотные магниты — обеспечивают широкий спектр излучения (от инфракрасного до жёсткого рентгеновского).
• Вигглеры — устройства, создающие сильное магнитное поле и генерирующие интенсивное рентгеновское излучение.
• Ондуляторы — периодические магнитные структуры, дающие квазимонохроматическое излучение высокой яркости.

Научные станции

На КИСИ оборудовано несколько десятков экспериментальных станций, каждая из которых предназначена для определённого типа исследований. Наиболее значимые:

Станция «Рентгеновская дифракция и малоугловое рассеяние»

Используется для определения кристаллической структуры материалов, изучения фазовых переходов, анализа наночастиц и биополимеров (белков, вирусов). Позволяет проводить измерения в диапазоне углов рассеяния от 0,1° до 60°.

Станция «Рентгеновская спектроскопия поглощения (EXAFS/XANES)»

Предназначена для изучения локального атомного окружения в неупорядоченных системах (аморфные материалы, растворы, катализаторы). Используется для определения координационных чисел, межатомных расстояний и степени окисления элементов.

Станция «Рентгеновская микроскопия и томография»

Позволяет получать трёхмерные изображения внутренней структуры объектов с пространственным разрешением до 1 мкм. Применяется в материаловедении (дефекты в композитах), палеонтологии (окаменелости) и биологии (ткани растений и животных).

Станция «Фотоэлектронная спектроскопия (XPS)»

Используется для анализа элементного и химического состава поверхности твёрдых тел. Чувствительность — до 0,1 атомного процента, глубина анализа — 1–10 нм.

Станция «Инфракрасная спектроскопия»

Обеспечивает высокую яркость в инфракрасном диапазоне, что позволяет изучать колебательные спектры молекул, исследовать биологические ткани (например, раковые клетки) и тонкие плёнки.

Применение

Фундаментальные исследования

• Физика конденсированного состояния: изучение электронной структуры, магнитных свойств, фазовых переходов в сверхпроводниках, магнитных материалах и сегнетоэлектриках.
• Биология и медицина: структурная биология (кристаллография белков), изучение конформационных изменений макромолекул, диагностика заболеваний (рак, остеопороз) с помощью спектроскопии.
• Химия: исследование каталитических процессов, механизмов химических реакций, строения комплексных соединений.

Прикладные задачи

• Материаловедение: разработка новых конструкционных материалов (композиты, керамика, сплавы), контроль качества полупроводниковых пластин, анализ дефектов в микроэлектронике.
• Нанотехнологии: характеризация наночастиц, наноплёнок, квантовых точек и нанопроводов.
• Экология и геология: анализ состава загрязнителей в почве и воде, изучение минералов и горных пород.
• Археология и искусствоведение: неразрушающий анализ артефактов, красок, керамики, металлов.

Модернизация и перспективы

В 2010-х годах была начата программа модернизации КИСИ, направленная на повышение яркости и стабильности пучка. В 2020-х годах планируется переход к режиму «третьего поколения» за счёт установки дополнительных ондуляторов и улучшения вакуумной системы. Также рассматривается возможность создания нового источника СИ четвёртого поколения на базе лазера на свободных электронах (LCLS-подобный проект) в рамках программы развития Курчатовского института.

Международное сотрудничество

КИСИ участвует в международных проектах, таких как European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) во Франции и SPring-8 в Японии, в формате обмена данными и совместных экспериментов. Российские учёные регулярно проводят исследования на зарубежных источниках СИ, а иностранные исследователи — на КИСИ (в рамках соглашений о научном обмене).

Критика и ограничения

Основными недостатками КИСИ по сравнению с современными источниками СИ третьего поколения (например, ESRF, APS, SPring-8) являются:

• Относительно низкая яркость (на 1–2 порядка ниже, чем у лучших мировых аналогов).
• Ограниченное число каналов вывода излучения (не более 20 против 40–60 у зарубежных центров).
• Недостаточная автоматизация и устаревшая система управления.
• Сложности с доступом для внешних пользователей из-за ограниченного бюджета и бюрократических процедур.

Тем не менее, КИСИ остаётся важным инструментом для российской науки, особенно в условиях санкционных ограничений, затрудняющих доступ к зарубежным синхротронным центрам.

Источники

1. Курчатовский источник синхротронного излучения: состояние и перспективы // Успехи физических наук, 2010, т. 180, № 10.
2. Синхротронное излучение: методы и применение / под ред. Г. Н. Кулипанова. — М.: Физматлит, 2015.
3. Отчёт о деятельности НИЦ «Курчатовский институт» за 2020–2023 гг. — М.: НИЦ КИ, 2024.
4. Синхротронные источники России: история и современность // Журнал технической физики, 2018, т. 88, № 5.
5. Официальный сайт НИЦ «Курчатовский институт» (раздел «Синхротронные исследования»).