Иследователи БФУ им. И. Канта вместе с коллегами из ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН, ИПТМ РАН и НИЦ «Курчатовский институт» выиграли грант в конкурсе междисциплинарных научных исследований «Фундаментальные проблемы структурной диагностики функциональных материалов с применением источников синхротронного излучения с ультрамалым эмиттансом» (РФФИ). Проект рассчитан на 3 года и направлен на развитие методов формирования пучков синхротронного излучения (СИ) нанометрового поперечного сечения на основе преломляющей оптики, а также методов когерентной дифракции с использованием нанофокусированных пучков, генерируемых источниками СИ с ультрамалым эмиттансом.
Создание синхротронных источников со сверхмалым эмиттансом сегодня является мировым трендом. Решение многих практических научных задач, прорывные достижения в важнейших областях научно-технических разработок и исследований возможны только с использованием синхротронного излучения, обладающего предельно высокой пространственной когерентностью, ультравысокой яркостью. Заложенный потенциал и технические параметры современных установок открывают принципиально новые возможности для исследования молекулярно-биологических структур, для разработки новых технологий синтеза, диагностики наноструктурированных, гибридных и природоподобных материалов, а также для изучения вещества в экстремальных условиях. Кроме того, это еще и возможность перехода от классических дифракционных методов исследования атомной структуры, к трехмерной визуализации атомной структуры разупорядоченных и частично упорядоченных субмикронных объектов на основе анализа картины когерентного рассеяния и многое другое.
Очевидно, что создание отечественных Мегаустановок продемонстрирует уровень научно-технологического развития государства, обеспечит достижение принципиально новых рубежей в фундаментальной науке, предоставит новые возможности международного сотрудничества на прорывных исследовательских направлениях и послужит залогом конкурентноспобности российской науки. Задача создания и использования таких установок на территории Российской Федерации поставлена в национальном проекте «Наука», в рамках которого разрабатывается Федеральная научно-техническая программа синхротронных и нейтронных исследований в РФ. Цели нацпроекта – обеспечить присутствие Российской Федерации в числе пяти ведущих стран мира, осуществляющих научные исследования и разработки в приоритетных областях научно-технологического развития. Наука впервые включена в приоритетные национальные проекты РФ. Реализация рассчитана на ближайшие 5 лет и уже в 2020 запланированы международные исследования в центре нейтронных исследований на базе высокопоточного реактора ПИК, в 2022 – на комплексе сверхпроводящих колец на встречных пучках тяжелых ионов (NICA) на базе Объединенного института ядерных исследований, а в 2025 – на источнике синхротронного излучения четвертого поколения (ИССИ 4). Причем к 2027 году Центр должен будет выйти на проектную мощность. Сейчас завершается обсуждение технических параметров будущих установок.
Для того чтобы эти установки решали практические задачи, должна появиться не только специальная программа проведения исследований, где будут определены те научные направления, для решения которых и должны быть созданы такие уникальные установки. Уже сейчас для последующей эффективной реализации необходимо решить ряд фундаментальных научных проблем. Это в первую очередь вопросы исследования динамики пучков электронов, обладающих сверхмалым эмиттансом. Кроме того, успешная эксплуатация подобных установок требует разработки новой методологии рентгеновского эксперимента, включая не только изучение процессов взаимодействия ярких коротких рентгеновских импульсов с веществом и изучение принципов формирования рентгеновского изображения, с последующим анализом и интерпретацией полученных данных, но и развитие самих подходов к фокусировке излучения.
В настоящее время имеются сообщения о получении на источниках синхротронного излучения 3-го поколения сфокусированных пучков с поперечными размерами в диапазоне 12 – 35 нм например, на станция ID16 Европейского источника ESRF (Франция) или о фокусировке пучка в размер 7 нм на источнике Spring 8 (Япония). На станции NanoMAX источника 4-го поколения MAX IV (Швеция) заявлен пучок с поперечными размерами 10 нм, но пока достигнуты размеры пучка порядка 50 нм. Размер пучков в 5 нм еще не достигнут, хотя такие намерения указаны в программе модернизации источника APS (США), реализация которой начнется в 2022 г. Подобные пучки нужны для визуализации и получения структурной информации о наноразмерных системах. Причем нанофокусировка позволит минимизировать потери интенсивности, увеличить степень когерентности пучка, повысить локальность и разрешение структурных методов. Проблемы формирования таких пучков при взаимодействии с элементами рентгеновской оптики для источника СИ с ультрамалым эмиттансом не изучены в полной мере.
Анатолий Снигирев, директор МНИЦ «Когерентная рентгеновская оптика для установок «Мегасайенс»:
«В Российской Федерации запланировано создание источника СИ 4+ -поколения, в связи с чем, развитие методов нанофокусировки рентгеновских пучков источников СИ с ультрамалым эмиттансом и когерентных методов изображения наноструктур является весьма важной и актуальной задачей, которая представляет интерес для исследователей российского научного сообщества. Наш совместный проект с коллегами из института «Кристаллографии и фотоники», Института проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов и Курчатовского института направлен не только на разработку схем формирования когерентных пучков синхротронного излучения нанометрового поперечного сечения, но и на исследование дифракционных эффектов, возникающих при взаимодействии излучения с оптическими элементами этих схем и на развитие методов использования получаемых нанофокусированных пучков в исследованиях нанообъектов когерентными методами, что позволит внести вклад в развитие научно-технологической инфраструктуры синхротронных исследований в Российской Федерации как при проектировании, конструировании новых станций на источнике СИ 4/4+ -поколения, так и при проведении новых экспериментальных исследований на будущих источниках»
Вячеслав Юнкин, с.н.с Лаборатории Рентгеновской Акустооптики «Института проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской академии наук»:
«В работе будет использована предложенная в ИПТМ РАН концепция планарных преломляющих линз в комплексе с кремниевой технологией микроэлектроники и микроэлектромеханических систем (МЭМС или MEMS). Благодаря ее применению впервые в мировой практике были разработаны и созданы кремниевые планарные линзы с параболическим преломляющим профилем, которые оказались наиболее перспективными из-за возможности формирования с высокой точностью параболических профилей. Вследствие корректировки процессов микроструктурирования в рамках проекта мы ожидаем хорошего качества структурных элементов и связанного с этим отсутствия следов диффузного рассеяния. Подобные структуры могут использоваться для субмикронной фокусировки, а также множественной фокусировки в широком диапазоне энергий рентгеновских лучей, сохраняя при этом высокую эффективность проходящего излучения»
Результаты совместной работы будут востребованы для проведения научных исследований, связанных с анализом структуры и элементного состава широкого круга наноразмерных систем на источниках синхротронного излучения 4-го поколения (источников с ультрамалым эмиттансом). К наноразмерным системам относятся, прежде всего, биологические объекты, имеющие важное значение в медицине, биологии и смежных областях наук о жизни. Также, информация о структуре на нанометровом уровне весьма важна при создании новых материалов с заранее заданными свойствами – функциональных, конструкционных, композитных материалов, гибридных органо-неорганических систем и т.д., что представляется актуальным в парадигме развития природоподобных технологий.
