| ФОТОРЕПОРТАЖ | УЧАСТНИКИ -- О КОНФЕРЕНЦИИ |
Двадцать пять лет назад, в июле 1973 г. в новосибирском Институте
ядерной физики был впервые выведен пучок рентгеновского
синхротронного излучения (СИ) из накопителя ВЭПП-3. Вскоре
коллективом профессора М.Мокульского из Московского института
молекулярной биологии были получены первые СИ-дифрактограмы с
целью определения структуры ДНК.
Прошла четверть века. Синхротронное излучение стало привычным
инструментом для исследований в самых различных областях науки --
химии, физики, биологии, геохимии, материаловедения и многих
других. Построены новые накопители. Образованы центры по
использованию СИ в Новосибирске и Москве. Чем же живет российское
синхротронное сообщество сегодня и каковы ближайшие перспективы
исследований? Об этом шел разговор на XII Российской конференции
по использованию синхротронного излучения СИ-98, которая
проходила в июле этого года в Институте ядерной физики им.
Г.И.Будкера СО РАН. Конференция посвящалась 25-летию работ с
синхротронным излучением в Новосибирском научном центре и явилась
продолжением Всесоюзных совещаний и Международных конференций по
использованию синхротронного излучения (СИ), проводимых с 1975
года.
1998 год для российских исследователей отмечен вводом в строй действующих двух новых источников СИ. Вышел на проектные параметры накопитель-источник СИ второго поколения "Сибирь-2" Института атомной энергии им.И.В.Курчатова (Москва). В своем вступительном слове на открытии конференции академик С.Беляев отметил, что запуск "Сибири-2" -- это большой успех коллектива ИЯФ, сотрудниками которого проведена основная работа по проектированию и производству систем этого накопителя. "Сибирь-2" с энергией 2,5 ГэВ предназначена, в основном, для экспериментов с рентгеновским излучением. А для работ с мягким рентгеновским и ультрафиолетовым излучением уже многие годы используется накопитель "Сибирь-1", также спроектированный и изготовленный в Новосибирске.
В Сибирском центре СИ начаты эксперименты с использованием жесткого рентгеновского излучения из модернизированного накопителя ВЭПП-4М с максимальной энергией электронов до 6 ГэВ.
А как обстоят дела в окружающем мире? В Японии начал работать самый лучший на сегодняшний день источник синхротронного излучения SPring-8 на энергию 8 ГэВ, оснащенный несколькими десятками специальных периодических магнитных систем для генерации СИ с заданными свойствами -- вигглеров и ондуляторов. Это безусловный лидер среди источников СИ как по яркости, так и по жесткости излучения. О выходе на проектные параметры (ток 100 мА при энергии 8 ГэВ) накопителя SPring-8 и планируемой программе экспериментов рассказали в своих докладах профессор М.Хара и профессор С.Кикута.
Будут ли такие источники СИ в России? Нет, без этого нужно пока обойтись, и без больших потерь для будущего российских синхротронных центров, -- ответил в своем докладе директор Сибирского центра синхротронного излучения, член-корреспондент РАН Г.Н.Кулипанов. Источник СИ третьего поколения SPring-8 стоит миллиард долларов. Всем понятно, что сейчас Россия неспособна осуществить подобный проект. Мы должны сознательно пропустить этот этап и сразу делать источник следующего поколения, основанный на новых принципах, относительно дешевый и превышающий по яркости SPring-8 на три-четыре порядка. Новая концепция источника СИ четвертого поколения, названного MARS, была представлена новосибирскими физиками на прошлогодней конференции в Японии. Ее детальное обсуждение было продолжено и на СИ-98. Это вполне реальный проект, без чрезмерных затрат за десять лет его можно осуществить и иметь в России источник СИ четвертого поколения, превышающий SPring-8 по яркости на три-четыре порядка.
Прежде чем синхротронное излучение может быть использовано для проведения эксперимента, его практически всегда необходимо подвергнуть некоторым преобразованиям -- монохроматизировать, сфокусировать, направить в нужную точку. Достигается это с помощью рентгенооптических элементов, основанных на отражении и дифракции рентгеновских лучей. Можно сказать, что качество пучка СИ является произведением качества источника СИ на качество используемой рентгеновской оптики.
Сразу же после открытия в 1895 г. рентгеновских лучей был найден удачный объект, позволяющий делать с этими лучами нечто подобное тому, что в оптике достигается с помощью линз, призм и зеркал. Таким объектом является кристалл. С помощью отражения от кристалла можно выделить рентгеновское излучение с заданной длиной волны и сфокусировать его. Однако возможности оптики, основанной на кристаллах, весьма ограничены. Поэтому, начиная с 1976 г., ведутся работы по созданию синтетических слоистых структур для применения в экспериментах с СИ рентгеновского и ультрафиолетового диапазонов.
Большое внимание в докладах уделялось рентгенооптическим элементам на основе многослойных зеркал. Эти элементы получают путем напыления в вакууме чередующихся слоев из двух различных материалов, например, вольфрам -- углерод, с периодом 10--50 ангстрем. В этом преимущество синтетических многослойных структур по сравнению с кристаллами. Их можно напылять на подложки с произвольной формой поверхности, а также получать наперед заданные межплоскостные расстояния и ширину области длин волн, отражаемых данной структурой. Последнее достигается путем постепенного изменения толщины слоев в процессе напыления -- это так называемые градиентные многослойные структуры, не существующие в природных кристаллах.
Сейчас интерес ученых сконцентрировался в области создания и исследования двух- и даже трехмерных многослойных микроструктур. Возможность управления всеми тремя степенями свободы позволяет создать целый класс новых рентгенооптических элементов, о которых раньше можно было только мечтать. В их числе можно отметить Брэгг-Френелевские линзы и многослойные дифракционные решетки.
На конференции были представлены последние достижения всех ведущих центров России по развитию и использованию многослойной рентгеновской оптики. Профессор Н.Салащенко (ИФМ РАН, Нижний Новгород) доложил о результатах использования эффекта аномального рассеяния в создании многослойников с селективно усиленным отражением для возбуждения и регистрации флуоресценции легких элементов. Профессор А.Виноградов (ФИ РАН, Москва) рассказал о феноменальных результатах в создании так называемых "срезанных" многослойных решеток для спектроскопии высокого разрешения ВУФ диапазона. Размеры спектрографа, использующего эти решетки, не превышают размеров пачки сигарет. Н.Коваленко (ИЯФ СО РАН, Новосибирск) представил последние результаты в создании и исследовании другого типа многослойных решеток, представляющих особый интерес для использования в жестком рентгеновском диапазоне. Их появление разбило монополию кристаллов как единственных дисперсионных элементов высокого разрешения, существовавшую до сих пор в этой области.
Другое направление развития рентгеновской оптики -- разработка дифракционных линз, ведущих свое начало от линзы Френеля. О статусе и перспективах дифракционной рентгеновской оптики рассказал член-корреспондент РАН В.Аристов. В частности, уже создана реальная дифракционная линза для рентгена в области энергий до 30 КэВ. Вместе с разработанным устройством для управления рентгеновским пучком на основе использования поверхностных акустических волн, это позволяет создать сканирующий микроскоп для жесткой рентгеновской области. Такой прибор, в отличие от электронного микроскопа, позволит изучать не только поверхность, а и внутренние области неразрушенного объекта, даже живого организма, без помещения его в вакуум и напыления проводящего покрытия. В режиме микроанализа рентгеновский микрозонд позволит определять содержание элементов в микрообъекте при концентрациях от одной стотысячной доли процента, то есть на три порядка меньших, чем доступные электронному микрозонду.
Большое количество докладов посвящалось разработке новой аппаратуры для экспериментов с использованием СИ. Ее важнейшая часть -- детекторы рентгеновского излучения, позволяющие определить угловое распределение и энергию рентгеновских квантов при облучении образца пучком СИ. Детектор является источником той информации, ради которой проводится эксперимент.
От качества детектора, его быстродействия, пространственного и энергетического разрешения во многом зависит реализация тех преимуществ, которые дает синхротронное излучение в сочетании с хорошей рентгеновской оптикой. Детектор может иметь вид линейки и фиксировать лишь процессы, происходящие в одной плоскости (спектроскопия, дифрактометрия в монохроматическом пучке СИ). В других экспериментах необходима регистрация двумерного рентгеновского изображения (Лауэ-дифрактометрия, рентгенография, микроскопия).
На конференции специалисты ИЯФ им.Г.И.Будкера представили новые модели тех и других детекторов, снова подтвердив свое лидирующее положение в мире в области разработки подобной аппаратуры.
Однокоординатный детектор рентгеновского излучения -- ОД-3.3 -- (руководитель проекта профессор В.Аульченко) имеет рекордные параметры по быстродействию (10 Мгц). Лучшие однокоординатные детекторы такого типа, выпускаемые в мире, отстают от него на два порядка по быстродействию. Этот детектор позволяет зарегистрировать одну рентгенограмму за несколько микросекунд. Использование ОД-3.3 открывает новые возможности для исследователей -- теперь можно изучать кинетику быстропротекающих структурных изменений в микросекундном диапазоне времен.
Один детектор этого типа в настоящее время работает на накопителе ВЭПП-3, второй установлен в японском центре СИ в г.Цукуба. К детектору проявляют большой интерес и другие зарубежные центры СИ: SPring-8 (Япония), HASYLAB (Германия), Daresbury Laboratory (Англия). В настоящее время эти центры обратились в ИЯФ с просьбой провести совместные тестовые эксперименты c использованием данного детектора.
В этом году проведены первые испытания на пучке СИ нового двухкоординатного детектора ДЕД-5 (руководитель проекта профессор С.Бару). Этот детектор будет использоваться в экспериментах по исследованию структуры кристаллов.
Специалистам известно, как медленно проходит съемка прецизионной дифрактограммы с помощью механической развертки на гониометре, когда шаг сканирования порядка угловой секунды, а общее число шагов измеряется сотнями тысяч. В настоящее время разрабатывается однокоординатный детектор ОД-160 для одновременной регистрации квантов в секторе 160 градусов с разрешением 0.005 градуса и быстродействием в 3.3 ГГц. На пучке СИ испытан прототип этого детектора. Установка ОД-160 уменьшит время прецизионного дифракционного эксперимента с нескольких часов до секунд.
С началом работ на накопителе ВЭПП-4 потребовалась разработка новых детекторов, работающих в жестком рентгеновском диапазоне спектра при большом потоке квантов. В лаборатории профессора С.Бору создана оригинальная позиционно -- чувствительная ионизационная камера с разрешением 0,2 мм, не имеющая ограничения по потоку квантов и работающая в диапазоне энергий 30--80 КэВ. Прототип этой камеры с разрешением 0,4 мм уже прошел испытания. В следующим году детектор планируется сначала установить на ВЭПП-4, а затем -- на SPring-8 в Японии.
В газетной статье невозможно отразить содержание более полутора сотен докладов, посвященных исследовательским и технологическим применениям СИ, поэтому мы остановимся только на нескольких новых направлениях в постановке эксперимента.
Прекрасный обзор "Синхротронное излучение как основа для развития рентгеновской кристаллографии" сделал новый директор Института кристаллографии РАН (Москва) М.Ковальчук.
Эксперименты по дифракции рентгеновского излучения в Сибирском центре СИ проводятся на пяти станциях более чем 50-ю организациями. Не меньшее внимание уделяется им и в мире. Достаточно сказать, что при создании новых лекарств без рентгеноструктурного анализа на синхротронном излучении сейчас не обходится ни одна американская или европейская фармацевтическая фирма. С обзорным докладом по использованию дифракционных методов на пучках СИ в химии твердого тела выступил директор ИХТТМ СО РАН, член-корреспондент РАН В.Ляхов.
Многие экспериментаторы используют метод дифракционного кино -- последовательную съемку серии дифрактограмм, которая позволяет наблюдать структурные превращения в веществе в процессах деформации, плавления, кристаллизации, синтеза и т.д. Высокая интенсивность монохроматических пучков СИ и прогресс в увеличении быстродействия детекторов привели к возможности получения рентгенограмм за время порядка микросекунды. В классической схеме регистрации это близко к пределу, который определяется временем сбора заряда и релаксации в детекторе. А можно ли снимать дифрактограммы еще в тысячу раз быстрее?
Совместно с ИЯФ сотрудникам ИХТТМ удалось реализовать оригинальную схему эксперимента, позволяющую регистрировать серию рентгенограмм с разрешением до 5 наносекунд. Об этом рассказал в своем докладе руководитель работы Б.Толочко. Суть схемы состоит в том, что электронный пучок в накопителе, состоящий из отдельных сгустков (банчей), следующих друг за другом с интервалом несколько наносекунд, быстро отклоняется так, что каждый следующий банч излучает СИ на образец с возрастающим углом наклона. Пучки СИ от различных банчей, пройдя образец под разными углами, продолжают расходиться. Если на большом расстоянии от образца поставить рентгеновский запоминающий экран, то на нем будет зарегистрирована последовательность расположенных одна над другой полосок-рентгенограмм, число которых равно числу банчей в накопителе. Эта схема позволяет приступить к исследованию нового класса быстропротекающих процессов. В частности, проведены первые тестовые эксперименты по исследованию состояния вещества во взрывной детонационной волне и кинетике синтеза алмазов взрывом. Эта же схема может быть использована не только для рентгеновской дифракции, но и для быстрой регистрации EXAFS-спектров.
СИ позволяет получать принципиально новую информацию о процессах образования минералов, происходящих под землей на глубине нескольких километров. Для этих целей создана новая экспериментальная станция "Энергодисперсионная дифрактометрия" на накопителе ВЭПП-4. Здесь в рамках совместного российско-индийского проекта планируется продолжить работы по исследованию структуры вещества при сверхвысоких давлениях. Подробно об этом нестандартном эксперименте рассказал Б.Фурсенко (ИМиП СО РАН).
В качестве примера успешного применения EXAFS-спектроскопии в материаловедении можно привести доклад сотрудника Института катализа СО РАН В.Чернова -- об исследовании атомной структуры кобальт-палладиевых магнитных сверхрешеток -- тончайших многослойных структур с ферромагнитными свойствами. Такие покрытия позволяют увеличить плотность магнитной записи и будут применяться в следующем поколении магнитооптических дисков памяти, используемых в компьютерах.
Толщина исследуемых пленок крайне мала -- от 30 до 100 ангстрем. Развитая в Сибирском центре СИ методика регистрации EXAFS-спектров позволила получить высококачественные спектры очень малых, около нанограмма, количеств образца. Тесное сотрудничество материаловедов и физиков привело к пониманию влияния структуры пленок на их магнитооптические свойства и, более того, позволило предсказать и осуществить получение покрытий более дешевым способом и с лучшими характеристиками. Уже получены предложения к сотрудничеству со стороны Университета Тохоку (Япония) и компании IBM (США).
Много лет назад директор Лимнологического института СО РАН (г.Иркутск), член-корреспондент РАН М.Грачев привлек внимание российских и зарубежных исследователей к тому факту, что в восьмикилометровом слое донных осадков озера Байкал записана история Земли за 20 миллионов лет, а именно таков возраст Байкала. Нужно только поднять керн бурения, что само по себе весьма непросто, и расшифровать заключенную в нем информацию. Большой интерес вызвал доклад Е.Гольдберга (Лимнологический институт СО РАН, Иркутск) о сигналах орбитального форсинга в геохимических записях донных осадков озера Байкал.
Климат последних 1.5 млн. лет характеризуется периодическими сменами ледниковых и межледниковых эпох. Современная теория связывает глобальные изменения климата с периодическими вариациями параметров земной орбиты: эксцентриситета, прецессии, угла наклона земной оси. Как же менялся континентальный климат в далеком прошлом? Идеальным объектом исследования для ответа на этот вопрос становятся осадки озера Байкал.
Используя высокочувствительные методы анализа -- рентгенофлуоресцентный с возбуждением синхротронным излучением и нейтронно-активационный, удалось выделить более 40 сигналов палеоклимата в керне осадков озера Байкал. Полученные данные описывают изменения наземной обстановки и химических процессов в самом озере. Абсолютная уран-ториевая датировка реперных точек керна показала, что отклик Байкала на орбитальные изменения опережает на 8--12 тысяч лет отклик полярного ледника и практически совпадает по фазе с глобальными изменениями в содержании атмосферного углекислого газа и изменениями температуры воздуха. Другими словами, сигналы осадков озера Байкал несут информацию не только о глобальных изменениях палеоклимата, но и о специфических особенностях локального континентального климата.
Сейчас готовится следующий шаг -- специальная станция на ВЭПП-4, где керн донных осадков без разрушения, целиком, шаг за шагом, будет просматриваться пучком СИ с использованием сразу трех методов -- элементного анализа состава, томографии, чтобы видеть, что находится внутри керна, и рентгеноструктурного анализа, чтобы отслеживать изменение концентрации биологического кремнезема.
Разработка новых технологий, основанных на использовании пучков синхротронного излучения, традиционно остается одним из основных направлений работ с СИ как в мире, так и в России. Более того, для этих целей уже свыше 5 лет постоянно используется специализированный компактный источник СИ в фирме IBM (США), строится специализированный накопитель ANKA в Карлсруэ (Германия), разработан и с большой вероятностью начнет сооружаться в ближайшее время накопитель NANOHANA в Японии.
В России, начиная с 1982 года, Институт ядерной физики начал разрабатывать и изготавливать специализированный источник СИ -- накопитель ТНК (технологический накопительный комплекс), а Научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф.В.Лукина в Зеленограде в кооперации с другими организациями -- строить для него специальные помещения и оснащать их технологическим оборудованием. Несмотря на то, что необходимые здания, помещения и все элементы накопительного комплекса были подготовлены к 1992 году, завершение работ все еще откладывается из-за нехватки финансирования.
Классическим примером технологических работ, представленных на конференции бывшим сотрудником предприятия "Восток" (Новосибирск), а ныне одним из ведущих сотрудников фирмы IBM -- А.Красноперовой, является использование рентгеновской литографии на СИ для разработки и изготовления интегральных микросхем следующего поколения. Рентгеновская литография не стала еще реальным инструментом для выпуска коммерческих микросхем, и все чипы, выпускаемые сегодня в массовом масштабе ведущими мировыми фирмами, по-прежнему производятся с помощью оптической литографии (в массовом выпуске находятся микросхемы с размером зазоров 0.25 мкм, микросхемы памяти 64 Мбита, и близки к массовому выпуску микросхемы 256 Мбит). Нацеленность же рентгеновской литографии -- на изготовление микросхем с размерами элементов 0.1 мкм и меньше. Интересно, что даже уже сейчас при изготовлении реальных микросхем с использованием рентгеновской литографии, стоимость специализированного источника СИ составляет лишь около 10 процентов от стоимости остального технологического оборудования.
Другое перспективное направление -- разработка технологий создания микромеханических устройств на основе глубокой рентгеновской литографии. В докладах были представлены новые разработки регулярных микропористых мембран с высокой прозрачностью и однородными субмикронными порами, рентгенлюминофорных экранов с улучшенным пространственным разрешением, оптических элементов с улучшенными или качественно новыми свойствами, шаблонов для производства интегральных схем.
Три года назад было подписано соглашение о научном сотрудничестве между ИЯФ и японским центром SPring-8 в осуществлении проекта генерации ярких пучков медленных позитронов с помощью СИ. Идея, высказанная сибирскими физиками еще десять лет назад, состоит в следующем. Если поставить сверхпроводящую магнитную систему -- вигглер, с максимально возможным полем, около 10 Тесла, на накопитель с энергией 8 ГэВ, мы получим генератор СИ с энергией фотонов более 1 МэВ, которые можно конвертировать в электрон-позитронные пары и замедлить полученные позитроны. Расчеты показывают, что такой источник позитронов будет иметь яркость, на несколько порядков выше, достигаемой любыми существующими источниками.
В этом году впервые проведен семинар по получению и применениям пучков медленных позитронов в научных исследованиях. Были заслушаны доклады профессора В.Беляева (МИФИ, Москва) -- о применении медленных позитронов в физике твердого тела, Н.Мезенцева (ИЯФ, Новосибирск) -- о настоящем статусе российско-японского проекта, и В.Плохого (ВНИИТФ, Снежинск) -- о системе конвертации и замедления, которая предлагается для генерации медленных позитронов с помощью синхротронного излучения.
Пучок медленных позитронов -- уникальный инструмент в атомной физике, физике твердого тела, физике и химии поверхности и тонких пленок, материаловедении. Он может использоваться как зонд Ферми-поверхности, дефектоскоп для обнаружения дефектов и примесей в полупроводниковых материалах и металлах, зонд для исследования поверхности материалов и, наконец, как позитронный микроскоп. С получением яркого позитронного пучка могут быть реализованы сразу несколько видов микроскопов: просвечивающий позитронный микроскоп, сканирующий позитронный микроскоп, позитронный микроскоп вторичного излучения, туннельный позитронный микроскоп. Например, позитронный микроскоп вторичного излучения может использоваться для анализа структуры, элементного состава и дефектов поверхности с субмикронным разрешением.
Традиционно в рамках конференции по синхротронному излучению проводятся пленарные заседания по лазерам на свободных электронах (ЛСЭ). На этот раз был проведен семинар на тему "Мощные ЛСЭ и их применения". Заведующий сектором ИЯФ, доктор физико-математических наук Н.Винокуров в своем докладе изложил преимущества ЛСЭ перед другими источниками излучения и состояние дел по созданию мощного ЛСЭ инфракрасного диапазона в создаваемом в Академгородке Центре фотохимических исследований. Автор подчеркнул, что, несмотря на недостаточное финансирование, в этом году был запущен инжектор электронов на энергию 2 МэВ и есть надежда в 2000 году получить циркулирующий электронный пучок в микротроне-рекуператоре, являющемся основным элементом ЛСЭ. В рамках конференции была проведена экскурсия в строящийся Центр фотохимических исследований ИХКиГ СО РАН. После завершения работ Центр может стать первым в мире исследовательским центром подобного направления. Заместитель директора ИХГиК, доктор химических наук А.Петров представил доклад "Перспективы использования ИК излучения ЛСЭ для физико-химических исследований", особо выделяя возможность использования ЛСЭ для изменения скоростей протекания химических реакций, разделения изотопов, исследований по многофотонной диссоциации и другие.
Аналогичный проект мощного ЛСЭ на базе микротрона-рекуператора ИЯФ разрабатывает для Корейского исследовательского института атомной энергии, где также запущен в работу инжектор электронов.
Были представлены результаты работ по разделению изотопов в университете Дюк (США) с использованием излучения ЛСЭ ближнего ИК диапазона. Профессор Минехара из Японии рассказал о ЛСЭ на базе сверхпроводящего линейного ВЧ ускорителя в Японском исследовательском институте атомной энергии и проект модернизации ускорителя с использованием рекуперации энергии электронов по Новосибирскому варианту. Профессор Исояма из университета в Осака (Япония) в своем докладе изложил ход работ по получению генерации ЛСЭ на базе индукционного линейного ускорителя в области длин волн выше 150 микрон. Сотрудник Лаборатории лазеров на свободных электронах университета Дюк (США) И.Пинаев изложил последние результаты, достигнутые в рамках совместного с ИЯФ проекта по получению самой коротковолновой генерации ЛСЭ. Подчеркивалось, что в этом году с использованием привезенного из Новосибирска ондулятора был побит девятилетний рекорд ИЯФ СО РАН -- генерации ультрафиолетового излучения с длиной волны 0,24 микрона и получено излучение на 0,226 микрона. Готовится система для получения когерентного излучения на длине волны 0,193 микрона.
На конференции было представлено 68 пленарных и 162 стендовых доклада. Пятнадцать зарубежных ученых приехали с докладами из США, Японии, Германии, Италии и Южной Кореи. Восемьдесят иногородних участников представили работы научных организаций Москвы и Подмосковных научных центров (Дубна, Черноголовка, Пущино), а также Санкт-Петербурга, Екатеринбурга, Томска, Иркутска, Ижевска, Нижнего Новгорода, Челябинска и ближнего зарубежья (Харьков и Баку).
Основная цель конференции состояла в поддержке контактов российских ученых, использующих национальные источники СИ и развивающих методы его генерации. Безусловно, цель была достигнута. Приглашение иностранных гостей позволило конференции не замкнуться на собственные региональные достижения, а подтвердить традиционно высокий уровень работ в области синхротронного излучения, ведущихся в России.
Следует отметить, что важным условием проведения такой представительной конференции явилась финансовая поддержка, оказанная Министерством науки и технической политики Российской Федерации, Российским Фондом фундаментальных исследований и Президиумом Сибирского отделения РАН.
Г.КУЛИПАНОВ,
член-корреспондент РАН;
В.БАРЫШЕВ,
кандидат физико-математических наук.
Институт ядерной физики СО РАН.