Поговорим немного о вашем проекте в сфере синхротронных исследований. Когда, где и благодаря кому начались работы по изучению и изготовлению оптики для синхротронных установок. Какие научные и повседневные задачи она решает?
Начну с того, что сама рентгеновская оптика возникла, как только Вильгельм Конрад Рентген открыл рентгеновские лучи. Он попытался сделать линзы, понимая, что ему предстоит работа с электромагнитным излучением, но у него ничего не получилось. К сожалению, Рентген выбрал неправильный подход и сделал заключение, что места для рентгеновских линз в рентгеновском излучении нет.
Чем же вообще привлекает внимание рентген? Он проходит сквозь то, во что не может проникнуть видимый свет. Именно поэтому после его открытия сразу же начали просматривать кости и даже предметы одежды и быта — например, обувь для детей, и в обувных магазинах довоенной Германии даже ставили рентгеновские аппараты – педоскопы, чтобы родители могли проверить, жмут или не жмут чаду его новые ботиночки. Ребенка ставили на «рентген», просвечивали и выбирали, что же он все-таки будет носить.
Рентген стал именно первой возможностью посмотреть, что внутри. Понятно, что его применение было особенно актуально для медицины, науки, а также технологий и промышленности, связанной с конструкционными материалами. Но это были первые опыты на обычных рентгеновских трубках, которые находились, например, в лаборатории или в медицинском кабинете.
Чем уникальна оптика для установок класса “мегасайенс”, в частности — для синхротронов?
В это же время в 1992 году был создан европейский исследовательский центр во французском Гренобле ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) с ускорительным центром, источником синхротронного излучения третьего поколения. При этом выбор оптики, которая была бы совместима со столь уникальным оборудованием, был ограничен. Со своей первой разработкой, которая называлась Брэгг-френелевской оптикой, мы как раз попали в тренд.
Исследования и разработки в области рентгеновской и синхротронной оптики мы проводили вместе с моей женой Ириной. Знакомство с ней произошло еще в студенческие годы. Мы вместе окончили один университет МИСИС, вместе работали в Институте проблем технологии микроэлектроники (ИПТМ РАН) в Черноголовке, и нам вместе посчастливилось оказаться в Гренобле на синхротроне ESRF в рамках стипендии Гумбольдта.
Мы приняли участие в использовании этого синхротрона с первых дней его запуска, как только полетел первый рентгеновский пучок, поставили нашу оптику и обнаружили массу интересных вещей, которые происходят при взаимодействии синхротронного излучения с веществом и c самой оптикой. Оказалось, что подобно лазерному свету, это излучение является когерентным — включаешь лазер, генерируешь когерентный пучок, и, вместо ровного освещения видишь, как все вокруг мерцает и мигает, образуются спеклы, потому что происходит интерференция на поверхностях оптики и окружающих ее предметах. Это был настоящий прорыв по развитию новых методов радиографии, с использованием интерференции света и формирования изображения с помощью фазового контраста. Такой подход увеличивает чувствительность изображения в сотни и даже тысячи раз по сравнению с традиционными методами, основанными на поглощении излучения, о чем мы упоминали выше.
В 1995 году мы опубликовали первую работу, которая положила начало развитию методов фазово-контрастной имиджинга, включая микроскопию и томографию, и стала самой цитируемой нашей публикацией.
Следует заметить, что в основе природы такой когерентности излучения лежит просто малый размер самого источника – области излучения, которая измеряется десятком микрон. Это в несколько раз меньше человеческого волоса. К этому предельно малому параметру добавляется и сверхмалая расходимость самого пучка излучения, которая определяется уникальными свойствами излучателей – электронов, которые летят со скоростью близкой к скорости света и излучают рентгеновский свет в очень узком угловом интервале, опять же подобно лазеру. На расстоянии 100 м от источника излучение едва выходит за границу миллиметрового пятна. Например, в обычном рентгеновском аппарате, в том же в медицинском кабинете пучок светит, почти как лампочка — у вас есть специальное окно, в котором видно, как просвечивается та или иная область человеческого тела, и вы выбираете нужную область просто экранами, чтобы вырезать этот пучок.
Собственно это свойство малой естественной расходимости позволило нам обратиться к линзам, которые забраковал сам Рентген, так как ошибочно полагал, что линзы должны быть выпуклыми как лупы, с которыми очень часто играют дети и прожигают с помощью солнечного света дырки в бумаге или выжигают что-нибудь, например, на дереве. Но выпуклые линзы не работают для рентгена, так как он имеет обратную природу и для фокусировки надо сделать вогнутые линзы или просто круглые дырки в прозрачном для рентгена материале. Что мы и сделали, насверлив несколько десятков дырок-линз в алюминии. Результаты опубликовали в «NATURE» в 1996 году. Это произвело научный взрыв, скачок в направлении развития преломляющей рентгеновской оптики, которая с этого момента заняла практически все синхротроны второго, третьего, а теперь уже, и четвертого поколения. Надо понимать, что для получения высокого субмикронного разрешения от простого сверления необходимо переходить к более точной технологии, и делать параболический профиль линз, к примеру, методом прецизионного механического прессования, или использовать уникальные методы микроструктурирования, развитые в микроэлектронике.
Оптика, на мой взгляд, является вторым главным элементом или блоком на любом синхротроне, то есть — источник это самый главный элемент, оптика — вторая важная часть, а третья часть – детекторы – осуществляет уже саму запись, регистрацию излучения.
Как правило, используются зеркала и кристаллы, которые отражают излучение. После 1996 года началось бурное развитие преломляющей оптики. Теперь же получилось, что во многих случаях отражать необходимости нет, так как можно работать на просвет. Сама конструкция экспериментальных станций и установок стала проще, включая и методы диагностики.
Давайте немного поговорим об импортозамещении и использовании вместо зарубежных технологий и материалов российских. Какая оптика используется — наша или зарубежная? Ни для кого не секрет, что ранее ученые сотрудничали с зарубежными странами в этих исследованиях — например, с той же Германией. Опережаем ли мы по технологическим характеристикам мировые лаборатории, в которых также есть синхротронные установки?
Сегодня мы живем в прекрасном времени, когда Россия особенно активно развивает собственные установки класса “мегасайенс” и строит синхротроны уже четвертого поколения, к которым относятся и СКИФ в Новосибирске и проектируемая Курчатовским Институтом суперустановка СИЛА в подмосковном Протвино. Как я понимаю, они будут превосходить те машины, которые были построены ранее в Гренобле (ESRF), Гамбурге (DESY: Deutsches Elektronen-Synchrotron), Чикаго (APS: Advanced Photon Source) и других зарубежных центрах.
Отличается ли оптика друг от друга на разных установках — например, на строящихся СКИФ, СИЛА и других? На каждой из них будут стоять одни и те же линзы или же это принципиально разные установки именно с точки зрения оптики? Можете ли вы отметить уникальные разработки?
Такая оптика опирается на новейшие инновационные методы микро- и нано- структурирования. С одной стороны, вы делаете полезное дело — создаете инструмент, чтобы сканировать образец, изучать его свойства, например, химический или структурный состав, а с другой — вокруг этого возникает определенный класс новых научных и технологических задач развития оптики. Кроме того, это, безусловно, и образовательный процесс. Такая оптика привлекательна, легко воспринимается студентами и тем, кто только входит в эту тему, потому что начальную оптику все знают со средней школы. Кроме того, важно, что оптика сама стимулирует свое развитие: она использует новейшие методы. Требования к ее изготовлению также двигают технологии. В частности, нам, к примеру, изготовления линз в кремнии потребовало разработки методов глубокого прецизионного травления, которое, в свою очередь, продвинуло MEMS технологии для оптоэлектроники.
Получается, по технологическим характеристикам Россия опережает мировые лаборатории, в которых также установлены синхротронные аппараты? Импортозамещение получается в данной отрасли не требуется или же сейчас мы все-таки переходим с зарубежных линз на отечественную оптику и восстанавливаем ее производство в нашей стране?
Отвечая на этот вопрос, нужно понимать, о какой оптике конкретно идет речь. Если говорить про оптику металлическую, которую мы делаем с помощью механической обработки, здесь мы полностью разработали весь цикл производства и надеемся, что будем его продолжать, так как мы же ее, собственно, в Европе и придумали, и в Европе помогали технологически решить вопрос, как ее использовать. В данном случае слово “импортозамещение” следует переобозначить как “импортоопережение”. Мы здесь ничего ни у кого не отбираем, а просто делаем свое дело лучше, и мы полностью самостоятельны в данном вопросе.
Если же говорить о микротехнологии создания кремниевых нанолинз, в России мы первые, кто начал это делать. Исследования проходили на базе института проблем технологии микроэлектроники (ИПТМ РАН) в Черноголовке. Впоследствии эти нанолинзы стали воспроизводить во всем мире и стали создавать микроскопы-нанопробы на базе этих линз. Качество наших линз оказалось выше, чем те, которые пытаются делать в Германии, в Америке и других странах. Нельзя не отметить, что здесь была своя специфика: научный опыт, который мы в свое время приобрели при создании Брэгг-френелевской оптики, с которой мы ворвались в международное синхротронное сообщество 30 лет назад.
Кроме линз в рентгеновской оптике используются зеркала, и здесь у России есть, некоторое отставание. Для когерентного рентгеновского излучения нужны зеркала с атомарно чистой поверхностью, и, к примеру, лучшие зеркала для этих задач сегодня делают японцы. Но в России, к счастью, существуют огромный опыт создания зеркал для космических задач в институте физики микроструктур (ИФМ РАН) в Нижнем Новгороде. Нет сомнения, что наши специалисты справяться с поставленной задачей.
Для понимания — линзы, созданием которых мы занимаемся, не решают всех задач в рентгеновских исследованиях, но они являются наиболее используемыми. Их функционал неизбежно расширяется. Они присутствуют на всех новых установках класса “мегасайенс”.
Здесь я повторюсь, мы предлагаем рассматривать использование алмазной оптики. Мы надеемся, что в этой сфере будем впереди, потому что алмазы, которые выращивают в России, являются лучшими и доступными. Лазерные технологии обработки прямого структурирования в нашей стране также имеют свою историю. Достаточно сказать, что советские физики Александр Прохоров и Николай Басов за разработку лазера в 1964 году получили Нобелевскую премию по физике.
Среди людей бытует мнение, что излучение (рентгеновское или любое другое) вредно для здоровья. В массовом сознании ядерный реактор — «страшно, ужасно, страшно опасно». Миф это или правда — расскажите, пожалуйста, поподробнее? Действительно ли, что рентгеновское излучение не содержит радиацию и безопасно для окружающей среды и человека?
Вопрос этот абсолютно правильный. Как я уже упоминал, я окончил Институт стали и сплавов, и у нас там было много рентгеновской тематики — эта область физики была самым нелюбимым моим предметом, так как с молоком матери у меня, как и у большинства людей, был предрассудок, что рентген что-то страшное. Когда я оказался в рентгеновской лаборатории на академической практике, я сказал: “Я не хочу, я не могу”. Но — хорошо, мне повезло. Я попал на уникального, не побоюсь этого слова — великого человека и ученого — физика и оптика Виталия Васильевича Аристова, — который из голографии – оптики видимого света пришел в рентген. Он сделал много прорывных открытий. Мне он объяснил, что это абсолютно безопасно, а также исключительно интересно, потому что больше всего Нобелевских премий получили именно в области рентгена. Он рассказал, что в его лаборатории у всех были семьи, дети, и при этом все жили нормально, без каких-либо заболеваний и негативного эффекта от излучения. Рентгеновское излучение опасно при прямом воздействии на вас, на ваше тело без какой-либо защиты. В лабораториях же все достаточно хорошо защищено – продумано это еще на этапе конструкции рентгеновских аппаратов.
В отличии от ядерного реактора рентгеновские источники излучение работаютт по принципу электрических лампочек. Вы их включили — свет есть, выключили — все исчезло, излучения нет. Синхротрон не дает наведенной и остаточной радиации. На европейских синхротронах требования к безопасности очень высокие. На моих глазах после создания синхротронных установок на них отказались от дозиметров, которые раньше использовались каждым сотрудником для проверки дозы облучения. Естественно, никто никакой дозы там не набирал, но эта процедура была обязательной и входила в регламент проведения исследований на установках. Позже, в силу обеспечения электронной и физической безопасности установок, от дозиметров и вовсе отказались. Заходить на синхротрон также разрешили обычным людям. Например, на установку в Гамбурге разрешено приходить даже детям: как с экскурсией, так и просто к родителям-ученым, которые проводят исследования с использованием синхротронного излучения. В отличие от ядерных реакторов, там нет пропускного режима. Просто вы не войдете в ту точку, где происходит эксперимент — она закрыта, но никакого радиационного фона там нет. Обычно люди получают дозу рентгеновского излучения гораздо большую, просто находясь на улице.
Много ли молодежи работает в рамках проекта?
С каждым годом мы вовлекаем все больше и больше молодых людей, которые интересуются наукой. В том числе благодаря программе “Приоритет-2030” национального проекта “Наука и университеты” Минобрнауки России. К слову, наша лаборатория, где сейчас исследуется и производится оптика для установок класса “мегасайенс” была создана по программе мегагрантов и со временем выросла в научный центр. Это прекрасно, что государство оказывает поддержку действительно важных и прорывных исследований. Безусловно, мы ощущаем полную поддержку со стороны университета БФУ им. И. Канта.
Сегодня Россия взяла курс на инновационный прорыв. Наука стала сферой, где талантливая молодежь может найти себя и успешно развиваться. Благодаря национальному проекту «Наука и университеты», реализуемому Минобрнауки России, создаются новые лаборатории, появляются новые технологии, проводятся новые исследования.
Национальный проект «Наука и университеты» направлен на привлечение талантливой молодежи в науку, повышение вовлеченности профессионального сообщества в эффективное решение стратегически важных вопросов в научной сфере, а также формирование у граждан страны полного представления о прорывных достижениях российской науки при взаимодействии государства, научного сообщества и бизнеса.
