синхротрон СКИФ

Сибирский кольцевой источник фотонов (СКИФ) — это синхротрон поколения 4+, строящийся в наукограде Кольцово Новосибирской области, входящий в состав Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (ЦКП «СКИФ»). СКИФ представляет собой ускорительный комплекс, генерирующий синхротронное излучение (СИ) — высокоинтенсивные пучки рентгеновских лучей и ультрафиолета, используемые для исследований структуры вещества на атомном и молекулярном уровне. Проект реализуется в рамках национального проекта «Наука и университеты» и является одним из ключевых объектов инфраструктуры класса мегасайенс в России.

История создания

Идея создания в России современного источника синхротронного излучения нового поколения возникла в начале 2010-х годов. Существующие установки — Курчатовский специализированный источник синхротронного излучения (КИСИ) в Москве и ВЭПП-4 в Новосибирске — морально и физически устарели, не соответствуя мировым стандартам по яркости и энергии пучка. В 2018 году по поручению Президента РФ была начата проработка проекта нового центра, а в 2019 году утверждена концепция строительства в Новосибирском научном центре.

Официально строительство ЦКП «СКИФ» началось в 2021 году. Генеральным подрядчиком выступило АО «Концерн Титан-2» (Санкт-Петербург), а научным руководителем — Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН), который разработал и изготавливает основное ускорительное оборудование. В 2022 году были завершены работы по сооружению фундаментов и зданий основного кольца, а в 2023 году — монтаж технологического оборудования. Первый запуск ускорительного комплекса в тестовом режиме планировался на конец 2023 года, но из-за санкционных ограничений и сложностей с поставками импортных компонентов сроки были скорректированы. В декабре 2023 года был осуществлён запуск линейного ускорителя (линка), а в марте 2024 года — вывод пучка на бустерное кольцо. Полноценный вывод пучка на основное накопительное кольцо и получение первого синхротронного излучения ожидаются в 2025 году, а ввод в эксплуатацию — в 2026 году.

Устройство и принцип работы

СКИФ относится к синхротронам поколения 4+ — это означает, что его конструкция основана на технологии мультибендовых ахроматических магнитов (MBA), обеспечивающих рекордно малый эмиттанс (поперечный размер и расходимость) пучка. Основные элементы ускорительного комплекса:

Инжекционный комплекс

• Линейный ускоритель (линк) — разгоняет электроны до энергии 200 МэВ.
• Бустерное кольцо — промежуточный ускоритель, где электроны дополнительно разгоняются до энергии 3 ГэВ и накапливаются.

Основное накопительное кольцо

• Периметр — 476 метров, форма — 24 ячейки с поворотными магнитами и прямолинейными промежутками.
• Энергия пучка — 3 ГэВ (гигаэлектронвольт).
• Эмиттанс — не более 75 пикометров·радиан (для поколения 4+ характерны значения менее 100 пм·рад).
• Ток пучка — 300 мА (в режиме топ-ап — постоянная подпитка).
• Количество каналов вывода излучения — 30 (до 40 в перспективе), из которых 6 — для пользовательских станций первой очереди.

Система магнитных элементов

• Поворотные магниты — создают магнитное поле, заставляющее электроны двигаться по круговой траектории; при этом генерируется синхротронное излучение.
• Ондуляторы и вигглеры — специальные магнитные устройства, установленные на прямолинейных участках, которые «раскачивают» электроны, вызывая генерацию когерентного, яркого и узконаправленного рентгеновского излучения. Для СКИФ разработаны сверхпроводящие и криогенные ондуляторы.

Система вакуума и охлаждения

Вакуум в ускорительном кольце поддерживается на уровне 10⁻⁹ — 10⁻¹⁰ мм рт. ст., чтобы минимизировать рассеяние электронов на молекулах газа. Мощная система водяного и криогенного охлаждения отводит тепло, выделяемое при прохождении пучка.

Параметры и характеристики

СКИФ является источником синхротронного излучения с уникальными для России и одними из лучших в мире характеристиками:

Для сравнения: яркость СКИФ в 10–100 раз превышает яркость существующих российских синхротронов и сопоставима с ведущими мировыми установками (ESRF-EBS во Франции, APS-U в США, SPring-8 в Японии).

Пользовательские станции

Первая очередь включает шесть экспериментальных станций, каждая из которых предназначена для определённого типа исследований:

1. «Микрофокус» — рентгеновская микроскопия и микротомография с разрешением до 100 нм.
2. «Дифрактометрия» — порошковая и монокристальная дифракция для определения кристаллических структур.
3. «XAFS-спектроскопия» — изучение локальной атомной структуры и электронного состояния элементов.
4. «Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS)» — анализ химического состава поверхности.
5. «Малоугловое рассеяние (SAXS)» — исследование наночастиц, полимеров, белков.
6. «Терагерцовая и инфракрасная спектроскопия» — изучение молекулярных колебаний и электронных переходов.

В перспективе планируется создание станций для биокристаллографии, томографии высокого разрешения, фотоэмиссионной микроскопии и других методов.

Научные и прикладные направления

СКИФ позволит проводить исследования в широком спектре областей:

• Материаловедение — изучение структуры и дефектов металлов, сплавов, керамики, полимеров, композитов.
• Катализ и химия — in situ наблюдение за химическими реакциями, анализ катализаторов.
• Биология и медицина — определение трёхмерной структуры белков, вирусов, ДНК; диагностика заболеваний (включая онкологические) с помощью рентгеновской микротомографии.
• Фармацевтика — дизайн лекарственных препаратов на основе данных о молекулярных структурах.
• Геология и геохимия — изучение минералов, руд, включений в породах.
• Археология и палеонтология — неразрушающий анализ артефактов, окаменелостей.
• Нанотехнологии — контроль размеров, формы и состава наночастиц.
• Энергетика — исследование материалов для аккумуляторов, топливных элементов, солнечных батарей.

Значение для России и мира

СКИФ призван стать ключевой научной инфраструктурой для российских исследователей, которые ранее вынуждены были работать на зарубежных синхротронах (ESRF, DESY, ALS) или довольствоваться устаревшими отечественными установками. Запуск СКИФ позволит:

• Развивать собственные компетенции в области ускорительной физики и рентгеновской оптики.
• Создать условия для прорывных исследований в материаловедении, биологии, химии.
• Привлекать международных пользователей (при снятии санкционных ограничений).
• Укрепить научно-технологический суверенитет России в области аналитического приборостроения.

Проект также стимулирует развитие смежных отраслей: производство сверхпроводящих магнитов, прецизионной механики, вакуумной техники, детекторов.

Критика и сложности

Реализация проекта столкнулась с рядом проблем:

• Санкционное давление — ограничения на поставки высокоточных компонентов (сверхпроводящие кабели, вакуумные насосы, электроника) из стран ЕС, США и Японии. Частично решается импортозамещением и параллельным импортом.
• Сроки и бюджет — первоначально запуск планировался на 2024 год, но сдвинут на 2025–2026. Стоимость проекта оценивается в 47 млрд рублей (на 2023 год), возможен перерасход.
• Кадровый дефицит — нехватка специалистов по ускорительной технике, рентгеновской оптике, пользователей станций.
• Инфраструктура — необходимость строительства жилья и социальной инфраструктуры в Кольцово для приезжих учёных.

Тем не менее, большинство экспертов признают, что СКИФ — необходимый и своевременный проект, способный вывести российскую науку на новый уровень.

См. также

• Синхротронное излучение
• Ускоритель заряженных частиц
• Мегасайенс
• Институт ядерной физики СО РАН

Источники

• Официальный сайт ЦКП «СКИФ» (skif.su)
• Материалы Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН
• Паспорт национального проекта «Наука и университеты» (2019–2024)
• Статья «Сибирский кольцевой источник фотонов: от идеи до реализации» // Успехи физических наук, 2023, т. 193, № 5.
• Интервью директора ИЯФ СО РАН П. В. Логачёва // ТАСС, 2022.
• Доклад «СКИФ: текущее состояние и перспективы» на конференции SYNCHROTRON-2023.