2 ноября стартовала “Международная Балтийская школа — 2020: новые возможности установок класса “Мегасайенс” (International Baltic School 2020: New Opportunities of MegaScience Facilities) — событие, на котором обсудят статус и перспективы развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры в России.

Основателем и организатором Школы является Международный научно-исследовательский центр (МНИЦ) “Когерентная рентгеновская оптика для установок “Мегасайенс” БФУ им. Канта под руководством Анатолия Александровича Снигирева. Это уникальный пример сотрудничества учёных НТП “Фабрика” БФУ им. И. Канта с Европейскими центрами синхротронного излучения. 

Примечательно, что в этом году мероприятие проводится в преддверии 125-летия со дня открытия рентгеновского излучения немецким учёным В. К. Рентгеном (это произошло 8 ноября 1895 года). О том, чем отличается синхротронное излучение от других, какой вклад в изучение коронавируса внесла когерентная рентгеновская оптика и какие перспективы у молодых российских учёных, читайте в материале.

Синхротронное излучение

— Хотя рентгеновские лучи имеют ту же самую природу, что и видимый свет, их использование было утилитарным. Посмотреть, что же произошло внутри объекта, например, сделать снимок руки, как это сделал Вильгельм Рентген, — пояснил Анатолий Снигирёв, директор МНИЦ “Когерентная рентгеновская оптика для установок “Мегасайенс” БФУ им. И. Канта. — Это было связано с разностью в поглощении излучения различными тканями тела: кальций, содержащийся в костях, поглощает  рентгеновские лучи сильнее. Поэтому на снимке кости будут существенно выделяться на фоне мышц и мягких соединительных тканей, которые поглощают меньше лучей — на снимке они отображаются оттенками серого. Меньше всего  рентгеновских лучей поглощает воздух. Именно поэтому,  когда заполненные им лёгкие выглядят чёрными по сравнению, скажем, с костями грудной клетки, можно сделать предположение, что что-то с ними не в порядке.

Спустя полвека, в 1947 г., в США во время наладки циклического ускорителя-синхротрона Флойд Хабер впервые обнаружил принципиально другое рентгеновское излучение: его испускали электроны при  движении по окружности в магнитном поле в камере ускорителя. Это и было синхротронное излучение, ставшее мощным инструментом, применимым практически во всех областях современной науки.

Однако понимание, как можно использовать данное открытие, появилось гораздо позже, в 90-х годах прошлого столетия. Начался отчёт так называемого третьего поколения источников синхротронного излучения, которые запустили сразу три крупных научных центра: во Франции (ESRF), США (APS) и Японии (SPring-8). 

Синхротрон выглядит как комплекс из двух специализированных ускорителей и накопительного кольца, в которое ускорителем вбрасываются сгустки электронов (банчи). Это кольцо очень большого диаметра: например, построенный в Гренобле источник синхротронного излучения третьего поколения имеет периметр накопительного кольца 844 м. 

Двигаясь по кольцу, электроны испытывают поворотное ускорение, из-за которого из них выходит пучок фотонов: это и есть интенсивная генерация рентгеновского излучения. В месте выхода пучка фотонов пристраивается пользовательская экспериментальная станция.

Подобные установки позволили в корне изменить подход к диагностике и необходимым исследованиям в различных сферах науки: физике, материаловедении, химии и биологии, в том числе и в белковой криталлографии, связанной с расшифровкой вирусов.

В 1995 году в Вюрцбурге подводились первые итоги работы синхротронов третьего поколения. Представители российской команды учёных из Курчатовского института и Черноголовки, в том числе и Анатолий Александрович Снигирёв, первыми представили концепцию когерентной рентгеновской оптики: метод фазового контраста, позволяющий сократить необходимую дозу облучения, а также и линзы, преломляющие рентгеновское излучение. С тех пор соответствующие публикации набрали более двух тысяч цитирований, а составные преломляющие линзы стали основным оптическим элементом, который транспортирует излучение от источника до исследовательских станций.

— Тогда мы даже не предполагали, что предложенные нами линзы займут такое место, — поделился Анатолий Снигирёв. — А оказалось, что за 25 лет они стали настолько востребованы, что их  используют на всех синхротронах. Сейчас мы развиваем эту технологию и в России. Для этого создали малое инновационное предприятие, чтобы поставлять продукт в улучшенном виде на наши будущие установки в России. Предложенные нами подходы (двояковогнутые линзы и метод фазового контраста) позволили существенно изменить методы исследования материалов и биологических объектов. Это мы и будем обсуждать на нашей Школе.

Вклад России

Последние проектируемые поколения источников рентгеновского излучения — это источники четвёртого поколения, включая лазеры на свободных электронах. Россия принимает активное участие в масштабных международных научных проектах: является полноправным участником Европейского центра синхротронного излучения (ESRF, Франция) и Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах EuXFEL (European X-ray Free Electron Laser) в Германии, который на сегодняшний день является самым ярким и мощным источником когерентного рентгеновского излучения в мире. 

Российские исследования на европейском лазере на свободных электронах в значительной степени идут в рамках национальной программы, подготовленной под научным руководством НИЦ “Курчатовский институт”, который занимает в проекте EuXFEL роль научного координатора от России.

— Основная цель моего выступления в Школе связана с привлечением российских учёных к проведению уникальных экспериментов на EuXFEL. Вклад России в строительство и эксплуатационные расходы европейского центра на свободных электронах составляет 27% при стоимости проекта 1,5 млрд евро, — поделился Сергей Львович Молодцов, доктор физико-математических наук, профессор, научный директор Европейского XFEL (Гамбург, Германия). — Это подразумевает предоставление не менее 27% экспериментального времени российским учёным, что очень ценно не только потому, что 1 час работы стоит примерно 20 тысяч евро (в сравнении — 1 час работы на синхротроне стоит около 600 евро), но ещё потому, что синхротронов более 30 в мире, а таких мегаустановок, как наша, всего 5. Конкуренция огромна, и у России есть преимущество, которое необходимо использовать.

— На данной мегаустановке можно реализовать как минимум три класса экспериментов, которые нельзя сделать на синхротронах. Это прежде всего исследование сверхбыстрых (фемтосекундных) процессов, например, при протекании химических реакций (катализа и других) в реальном времени за счёт сверхкоротких импульсов лазерного излучения. Далее — исследование образцов в экстремальных условиях: на полной мощности луч нашей мегаустановки прожигает различные твёрдые и термостойкие материалы (медь, сталь, карбид бора, броня) со скоростью до 54 км/ч. Поэтому мы заняты ещё и разработкой приборов, которые расфокусируют луч после взаимодействия с образцом, чтобы мы смогли использовать его мощность в полном объёме, не сжигая саму экспериментальную станцию и бункер, в котором она расположена.

Ещё одним направлением работы стало исследование вирусов. Наличие в одном импульсе рентгеновского излучения громадного количества фотонов позволяет облучить им одну молекулу или биологический объект и получить информацию об их структуре до разрушения, что невозможно на синхротронах. Кроме того, объект перед исследованием не нужно кристаллизовать, как это делается на синхротронных станциях. 

Важно отметить, что на данный момент когерентное излучение играет не последнюю роль и в исследовании коронавируса. Группа МНИЦ на станции белковой кристаллографии на синхротроне PETRA III в Гамбурге разработала метод имиджинга имикроскопии, что также пригодилось в изучении коронавируса. У исследователей уже есть первые результаты и публикации.

“Мы себя не прячем”

Школа решает и проблему с подготовкой кадров: прежде российские учёные принимали участие в работе центров, но строить и развивать подобную установку на своей территории должны специалисты широкого класса.

В течение недели участникам школы будет представлено более 30 лекций, освещающих новые возможности и перспективы. Среди лекторов — уникальные специалисты из исследовательских центров и университетов России, а также Франции, Германии, Великобритании, Швеции и США. Участникам объяснят, как написать заявку, обратиться в любой из существующих международных центров. 

— Это обязательное условие всех наших школ, — подчеркнул Анатолий Александрович. — Мы объясняем: здесь нет никаких ограничений. Любой студент, любой аспирант, любой учёный может задать вопрос или попросить помощи в написании проекта. Дважды в год проекты рассматриваются на всех синхротронах.

— Перед нами стоит задача инициировать участие российских групп в проведении экспериментов на установках, — добавил Сергей Львович. — Чтобы получить предоставленное время, необходимо написать хорошие заявки (пропозалы), которые будут регулироваться специальным комитетом экспертов. Существуют специальные центры для подготовки заявок, которые уже действуют в Курчатовском институте, в Ростове, в Санкт-Петербурге. Сейчас мы работаем над созданием такого центра и в Калининграде.

Такой подход даёт свои результаты: Федеральный центр им. М. П. Чумакова и группа под управлением академика А. М. Егорова скоро начнут проводить исследования, связанные с пониманием механизма передачи и ‎клинических проявлений коронавируса. Несколько групп уже получили поддержку на измерения, сейчас готовятся статьи по их результатам.

— Мы удачно вписываемся в существующую геопозицию, — добавил Анатолий Снигирёв. — Используем мой большой опыт работы в европейских центрах и одновременно активно привлекаем учёных из Томска, Санкт-Петербурга, Гатчины, Дубны, есть ребята из Новосибирска и, естественно, калининградские выпускники. Тут развиваются те люди, которые непосредственно будут создавать новые методы и участвовать в постройке новых станций экспериментальных приборов.

Всё это снимает комплекс у молодёжи, которая думает, что работать можно только “там”. Мы себя не прячем: участвуем в международных конференциях, только в этом году подготовили более 20 публикаций в крупных научных изданиях. До пандемии мы совершали 5–10 командировок в год в Гамбург, Гренобль, Берлин для работы на установках, поэтому у ребят и времени не было задуматься, что жить и работать в Калининграде неудобно. Конечно, мы хотим, чтобы нам оказывали больше внимания и поддержки. И нам приятно, что на нашу просьбу поучаствовать очень активно откликнулись люди и из-за рубежа, и из России.

Особенный год

2020 год смело можно считать началом четвёртого поколения сразу из-за нескольких факторов. 

— В этом году европейский центр ESRF перестроил своё кольцо, и это существенно улучшило параметры излучения, поэтому учёные и назвали его четвёртым, — пояснил Анатолий Александрович Снигирёв. — Все учёные сейчас рассуждают о полной когерентности источника, что накладывает ряд важных особенностей практического применения и требует тщательного продумывания и обсуждения. В течение последних пяти лет произошли серьёзные открытия, за результаты которых были получены Нобелевские премии в области химии и биологии. Таким образом, мы смело можем утверждать, что общество восприняло наше дело как возможность сделать что-то новое. Россия поняла, что сейчас важно полноценно и эффективно включиться в процесс формирования инновационной инфраструктуры.

— Важным отличием этой Школы стало освещение не только достижений и разработок нашей научной группы, но и нейтронной тематики, которую представляют коллабораторы из крупнейших российских научных центров: Лаборатория нейтронной физики им. И. М. Франка в Дубне, ядерный реактор “ПИК” в Гатчине, представители источника синхротронного излучения четвёртого поколения (ИССИ-4) в Протвино и Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ), — продолжил Анатолий Александрович. — Мы решили представить и нейтронную физику в нашей школе, чтобы показать молодёжи, что это неизолированные, а друг друга дополняющие установки “Мегасайенс”, которые должны работать вместе. Без них нельзя сделать больших технологических и научных прорывов. Новые технологии подошли к такому моменту развития, что это стало возможным. В России не было вообще третьего поколения источников, появится сразу четвёртое! В этом есть свои недостатки, но есть и преимущества: можно не повторять ошибки, которые делали европейцы и американцы, а учесть их и сразу сделать так, как надо.

Анатолий Снигирёв также отмечает, что в данный момент Международный научно-исследовательский центр “Когерентная рентгеновская оптика для установок “Мегасайенс” БФУ им. И. Канта обладает наработанными компетенциями, которые отличаются от общего состояния дел по представленной тематике в России. За последние семь лет Центр осуществил серьёзные мегапроекты П218 и П220 в рамках реализации Постановления РФ. Кроме того, используя 20-летний стаж работы Анатолия Александровича на синхротроне в Гренобле, учёные Центра сейчас выполняют РНФ-проект (грант №19-72-30009), который направлен на разработку и создание комплексного подхода для максимально эффективной передачи рентгеновского излучения от источника к исследовательским станциям с сохранением его когерентных свойств.

— Всё произошло в 2020 году, в юбилей и открытия рентгеновских лучей, и судьбоносных решений правительства, и успехов наших исследований. Это очень знаменательно, — подводит итог Анатолий Снигирёв. — Наступил новый этап развития науки, и в этом у общества есть большая потребность.