Синхротронная станция СИБИРЬ

Синхротронная станция СИБИРЬ — это комплекс экспериментальных устройств (станций), расположенных на каналах вывода синхротронного излучения (СИ) из накопительного кольца источника СИ «Сибирский синхротрон» (также известного как «Сибирский кольцевой источник фотонов» — СКИФ). Станции предназначены для проведения научных исследований с использованием пучков синхротронного излучения в широком диапазоне энергий — от инфракрасного до рентгеновского. Проект реализуется в рамках национального проекта «Наука и университеты» на базе Института ядерной физики им. Г. И. Будкера Сибирского отделения РАН (ИЯФ СО РАН) в наукограде Кольцово (Новосибирская область).

История создания

Идея создания специализированного источника синхротронного излучения в Сибири возникла в 1990-х годах, однако активная фаза проектирования и строительства началась в 2010-х годах. В 2018 году правительство РФ утвердило проект «Сибирский кольцевой источник фотонов» (СКИФ) в рамках Федеральной научно-технической программы развития синхротронных и нейтронных исследований на 2019–2027 годы. Строительство самого источника СИ (накопительного кольца) и корпусов станций началось в 2021 году. Первый пуск пучка в накопителе был произведён в 2023 году. К 2025 году запланирован ввод в эксплуатацию первых шести экспериментальных станций, включая станцию «СИБИРЬ».

Название «СИБИРЬ» является аббревиатурой, расшифровывающейся как «Станция Исследований Биологических И Рентгеновских Явлений» (по другим данным — «Станция Исследований Быстрых И Рентгеновских Явлений»). Однако официальное наименование станции — «СИБИРЬ» — закреплено в проектной документации как собственное имя.

Устройство и принцип работы

Станция «СИБИРЬ» представляет собой набор специализированных камер, детекторов и оптических элементов, установленных на одном из каналов вывода синхротронного излучения из накопительного кольца СКИФ. Основные компоненты:

Канал вывода пучка — вакуумная труба, через которую синхротронное излучение из накопителя направляется на экспериментальную станцию.
Монохроматор — устройство для выделения узкого диапазона длин волн (энергий фотонов) из широкого спектра СИ. Для станции «СИБИРЬ» используется двухкристальный монохроматор с кристаллами кремния или германия, позволяющий работать в диапазоне энергий от 5 до 30 кэВ.
Фокусирующая оптика — рентгеновские зеркала и линзы для формирования микропучка (размер пятна на образце — от 1 до 10 мкм).
Экспериментальная камера — герметичный объём, в котором размещается образец. Камера оснащена держателями для твёрдых, жидких и газообразных образцов, а также системой охлаждения (криостат) для измерений при низких температурах.
Детекторная система — включает позиционно-чувствительные детекторы (например, CCD-камеры) и спектрометры для регистрации рассеянного и прошедшего излучения.

Принцип работы станции основан на взаимодействии монохроматизированного синхротронного излучения с исследуемым образцом. В зависимости от типа эксперимента регистрируются:

дифракция рентгеновских лучей (кристаллическая структура);
рентгеновское поглощение (XANES, EXAFS — локальная атомная структура);
рентгеновская флуоресценция (элементный состав);
рассеяние под малыми углами (SAXS) — размеры наночастиц и макромолекул.

Основные направления исследований

Станция «СИБИРЬ» ориентирована на решение задач в нескольких областях науки и технологий:

Биология и медицина

Кристаллография белков — определение трёхмерной структуры биомолекул (ферментов, рецепторов, вирусных белков) для разработки новых лекарственных препаратов.
Медицинская диагностика — исследование микроструктуры костной ткани, зубов, хрящей при остеопорозе, артритах и других заболеваниях.
Нанотоксикология — изучение распределения наночастиц в биологических тканях.

Материаловедение

Фазовый анализ — идентификация кристаллических фаз в многокомпонентных материалах (керамика, сплавы, полимеры).
Исследование напряжений — картирование остаточных механических напряжений в конструкционных материалах.
Изучение катализаторов — in situ наблюдение за изменениями структуры катализаторов в ходе химических реакций.

Геохимия и минералогия

Микроэлементный анализ — определение содержания редких и рассеянных элементов в горных породах и минералах.
Исследование включений — изучение флюидных и твёрдых включений в минералах для реконструкции геологических процессов.

Нанотехнологии

Характеризация наночастиц — определение размера, формы и внутренней структуры нанообъектов.
Исследование тонких плёнок — анализ многослойных структур, используемых в микроэлектронике и оптике.

Технические характеристики

Основные параметры станции «СИБИРЬ» (по проектной документации):

Параметр	Значение
Диапазон энергий фотонов	5–30 кэВ
Размер пятна на образце	1–10 мкм (в фокусе)
Монохроматичность	ΔE/E ≈ 10⁻⁴
Максимальный поток	до 10¹² фотонов/с
Типы измерений	Дифракция, поглощение, флуоресценция, SAXS
Температурный диапазон образца	от −269 °C (4 K) до +800 °C
Максимальный размер образца	10×10×5 мм

Эксплуатация и доступ

Станция «СИБИРЬ» входит в состав Центра коллективного пользования (ЦКП) «Сибирский кольцевой источник фотонов». Доступ к станции предоставляется на конкурсной основе научным группам из российских и зарубежных организаций. Заявки на проведение экспериментов рассматриваются экспертным советом ЦКП. Время работы станции распределяется пропорционально научной значимости проектов.

По состоянию на 2025 год станция находится в стадии пусконаладки. Первые тестовые эксперименты планируется провести во второй половине 2025 года. Полноценная эксплуатация ожидается с 2026 года.

Сравнение с аналогами

В мире существует несколько десятков синхротронных станций аналогичного класса. Наиболее близкими по характеристикам являются:

BESSY II (Германия) — станция MX для белковой кристаллографии, работающая в диапазоне 5–20 кэВ.
ESRF (Франция) — станция ID23-1 для макромолекулярной кристаллографии с микропучком.
SPring-8 (Япония) — станция BL41XU для структурной биологии.
ALBA (Испания) — станция XALOC для белковой кристаллографии.

Станция «СИБИРЬ» отличается от зарубежных аналогов использованием отечественного оборудования (монохроматоры, детекторы, вакуумные системы) и ориентацией на задачи, актуальные для российской науки, включая исследования в области геохимии и материаловедения.

Перспективы развития

В планах развития станции «СИБИРЬ» — модернизация детекторной системы для повышения чувствительности и быстродействия, а также создание дополнительных экспериментальных модулей:

Криогенная камера для работы с биологическими кристаллами при температурах жидкого азота (−196 °C).
Высокотемпературная печь для in situ исследований фазовых переходов в керамике и сплавах.
Система для измерений под высоким давлением (до 10 ГПа) с использованием алмазных наковален.

Кроме того, рассматривается возможность интеграции станции с нейтронным источником (реактор ИРТ-Т в Томске) для комбинированных рентгеновско-нейтронных исследований.

Научные достижения (ожидаемые)

Хотя станция ещё не введена в эксплуатацию, на основе её проектных возможностей прогнозируются следующие результаты:

Определение структуры не менее 50 новых белков в год, включая белки-мишени для лечения онкологических и инфекционных заболеваний.
Разработка новых каталитических систем для промышленности (нефтехимия, тонкий органический синтез).
Создание методов неразрушающего контроля микроструктуры материалов для авиа- и ракетостроения.

Источники

Проектная документация ЦКП «Сибирский кольцевой источник фотонов» (СКИФ). ИЯФ СО РАН, 2021.
Федеральная научно-техническая программа развития синхротронных и нейтронных исследований на 2019–2027 годы. Утверждена постановлением Правительства РФ № 220 от 21.03.2018.
Официальный сайт Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (раздел «СКИФ»).
Техническое задание на создание экспериментальной станции «СИБИРЬ». ИЯФ СО РАН, 2022.
Сравнительный анализ синхротронных станций мира. Журнал «Приборы и техника эксперимента», № 4, 2023.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →