СИ-2004

Как изобразить широту спектра работ с синхротронным излучением (СИ) на маленькой эмблеме конференции? Мне кажется, что это удачно сделали физики ИЯФа, ограничившись знаменитой елочкой на фоне разноцветных спектральных полос. На самом деле елочка — это траектория электронов в вигглерах, ондуляторах и других устройствах — генераторах СИ. А спектр символизирует широкополосное синхротронное излучение. Этот «побочный продукт» физики высоких энергий за 30 лет превратился в необходимый инструмент из разряда непреходящих ценностей современной науки. Поэтому в любой уважающей себя стране существует свой «синхротронный спектр» и, разумеется, свое синхротронное сообщество исследователей. В мире работают десятки тысяч специалистов, а в Новосибирск приехали те, кто заинтересован в разработках Института ядерной физики и Сибирского отделения РАН. Они участвовали в работе юбилейной XV Международной конференции по использованию синхротронного излучения — СИ-2004.

Галина Шпак,
«НВС»

В белом спектре

Традиционно конференции проводятся в Новосибирском научном центре, в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, где, как известно, исследовались свойства синхротронного излучения и построены станции СИ для пользователей. О самой конференции, которая состоялась в июльские дни, о широком диапазоне ее тематики и результатах уже сообщалось в «НВС». Я выбрала для себя конкретные пленарные доклады, связанные с диагностикой горения, а также дифракцией и рассеянием СИ, тем более, что именно в Новосибирске были выполнены первые эксперименты по исследованию горения методами СИ. Интересно было узнать — до каких глубин вещества удалось проникнуть исследователям; как преобразились инструменты для съемки рентгеновского дифракционного кино… Нелишне напомнить и о пользе кулуаров больших международных конференций. Можно сказать, что в кулуарах я познакомилась с Мариной Андреевой, доктором физико-математических наук, ведущим научным сотрудником физического факультета МГУ. В разговоре выяснилось, что московская группа работала на источнике СИ в Гренобле и таким образом я перестроилась на французскую линию спектра СИ, встретилась с профессором университета Анри Пуанкаре в г. Нанси Жан-Клодом Гашоном и его коллегой по совместной работе доктором физико-математических наук Александром Рогачевым, заведующим лабораторией Института структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН. А. Рогачев помогал нам общаться с профессором Гашоном. Как в белом спектре синхротронного излучения наши кулуарные обсуждения были разноцветными в широком диапазоне.

Квантовые «биения»

Пленарный доклад М. Андреевой «Ядерно-резонансная рефлектометрия магнитных мультислоев с использованием СИ» оказался единственным в своей области, так как такие работы в России пока проводить невозможно. И сама она впервые приехала на конференцию в Новосибирск.

Профессор А. Артемьев (Курчатовский источник синхротронного излучения), профессор М. Андреева (МГУ), директор SOLEIL профессор D. Raoux (Париж).

— Для меня было очень приятно сделать этот доклад в этом институте, — сказала М. Андреева. — Именно в Институте ядерной физики были проанализированы первоначальные теоретические и экспериментальные условия проведения экспериментов, связанных с ядерно-резонансным рассеянием синхротронного излучения, и намечены пути развития этого замечательного метода. Предложен и экспериментально реализован совместно с Курчатовским институтом метод монохроматизации с использованием чисто ядерных отражений, который сейчас используется во всем мире. С тех пор за 30 лет произошел гигантский скачок в реализации этой идеи. В мире появилась масса экспериментальных методик, связанных с ядерно-резонансным возбуждением. Обнаружено множество интереснейших физических эффектов. Метод стал рабочим в исследовании магнитной и электронной структуры твердых тел.

— Марина Алексеевна, может быть, вы поясните, в чем особенности синхротронного излучения и его всеохватность. Тем более, что вы, кроме научной работы читаете лекции студентам…

— Синхротронное излучение существенно отличается от других видов источников по целому ряду параметров. Это излучение широкополосное. Синхротрон излучает белый спектр. И для многих приложений можно использовать такое замечательное свойство, поскольку возникает возможность выбрать нужную для вас длину волны и исследовать нужный эффект. Для возбуждения ядерных резонансов широкополосность спектра СИ была большим препятствием для наблюдения подобных эффектов, поскольку ширина ядерных резонансов на десятки порядков меньше энергетической ширины спектра СИ. Потребовалось много времени, чтобы преодолеть препятствия. Надо сказать, что реализация метода существенным образом отличается от первоначально планируемой. Сначала многие думали, что синхротрон заменит радиоактивный источник, а метод будет работать как обычная мессбауэровская спектроскопия твердых тел. Однако оказалось, что потребуются чрезвычайно сложные экспериментальные ухищрения, которые в массовом использовании не имеют смысла. Поэтому ядерно-резонансные эффекты исследуются на синхротронах по принципиально новой схеме. Распад ядерных уровней и информацию о сверхтонких расщеплениях и электронной структуре твердых тел уже получают не из положений линий в спектре, а из частот «биения» между соответствующими сверхтонкими переходами, так называемыми «квантовыми биениями». В принципе, информация такая же, но получена иным способом. К тому же — СИ, по сравнению с другими источниками ядерной спектроскопии, обладает уникальной коллимированностью — это остронаправленное излучение. Свойство остронаправленного луча позволяет с большим успехом проводить эксперименты по дифракции и зеркальному отражению, где требуется угловое разрешение для исследования тонких структурных эффектов. В частности, рефлектометрия ядерно-резонансного рассеяния позволяет исследовать распределение сверхтонких магнитных полей и градиентов электрического поля; или химических сдвигов, которые существенны для многофазных систем. В области полного отражения мы имеем диапазон исследуемых глубин от одного-двух и до десятка нанометров, когда в эксперименте изменяют угол скольжения от области полного внешнего отражения до нескольких угловых минут. Если имеем дело с периодическими пленками, возникает возможность исследовать структуру отдельного би-слоя. С разрешением по глубине. Иначе говоря, — в такой геометрии для подобных образцов можно исследовать так называемое брэгговское отражение искусственно созданной структуры…

— То есть дифракции? Извините, вы сказали — искусственно созданные структуры?

— Да, многослойные периодические пленки создаются с помощью специального напыления. Можно напылить большое количество слоев. Дело в том, что это новые физические объекты, обладающие новыми физическими свойствами. Например, магнитные мультислои могут иметь гигантское магнитосопротивление. Искусственно созданные в последние годы многослойные периодические структуры — новые объекты для исследований. Раньше создавались моноатомные слои. Например, напылялись железо и кобальт, железо и никель. Многослойные структуры используются и в рентгеновской оптике, и в микро-оптоэлектронике. На их основе создаются различные измерительные приборы, элементы памяти, чипы, считывающие устройства для компьютеров. Знаете, в последние годы вместо электроники даже появился термин «спинтоника».

— Это от слова «спин»?

— Это значит, что проводящие свойства, как правило, магнитной гетероструктуры, как мы говорим — магнитные мультислои — зависят от спина электрона, участвующего в соответственном процессе. Этим обусловлен интерес к периодическим искусственным слоям. Они зачастую обладают свойствами, не известными в природе. Более того, эти свойства можно прогнозировать, подстраивать в процессе технологического изготовления. Это не просто изготовление и тестирование пленок. Технологи стремятся уже в самом процессе закладывать будущие свойства материалов, варьировать толщину, технологию параметров напыления, температуру, плотность. Существует целая наука технологии напыления пленок. Но для того, чтобы эта наука была эффективной, необходимо иметь инструменты по исследованию новых материалов. Нельзя ничего делать вслепую, надо видеть, что ты делаешь. Развитие методов, способных характеризовать структурные совершенства подобных объектов, в буквальном смысле углубляется. Физические свойства таких объектов являются функциями их глубины. Структуры испытывают периодические изменения, и поэтому необходимо не только характеризовать эти пленки в целом, но и знать, как различные свойства распределяются по глубине структуры. Как я уже говорила, мы используем одновременно и дифракционную геометрию, и спектральный метод. В совокупности такой подход позволяет получать селективную информацию по глубине. Я занимаюсь анализом спектров зеркального отражения ядерно-резонансного рассеяния.

— Так вы — физик-теоретик?

— Для меня расчеты более важная вещь, чем аппаратура.

— Редкий случай, между прочим. Не так уж много женщин физиков-теоретиков.

— Я бы так не сказала. Когда у нас в стране экспериментальная база находится не на лучшем уровне, компьютерного обеспечения вполне достаточно, чтобы проводить разнообразные теоретические исследования. И вы знаете, у женщин голова как раз очень хорошо работает.

— Не сомневаюсь.

— У женщин много недостатков (мы засмеялись), но женщины могут хорошо заниматься решением уравнений и теоретических вопросов.

— Марина Алексеевна, вы сказали, что за 30 лет далеко ушли и теория, и техника, и эксперимент. На ваш взгляд, что вы считаете наиболее интересным в близкой вам области исследований?

— Мне представляется, что это резонансные исследования с рентгеновским излучением. Десятилетиями считалось, что рентгеновское излучение очень слабо чувствует магнитную структуру. И основным методом исследования магнитных материалов была нейтронография. В последние годы рентгеновское резонансное рассеяние продемонстрировало блестящие возможности, поскольку по сравнению с магнитной нейтронографией оно имеет такую замечательную особенность, как элементно-селективность. Возникает возможность исследовать магнитные моменты, которые индуцируются соседними атомами, например, в переходной области между двумя слоями. Недавно были обнаружены магнитные моменты немагнитных атомов церия и лантана. Если из этих элементов сделать периодическую структуру с чередующимися магнитными слоями, то на этих атомах индуцируются магнитные моменты, и с помощью резонансного рентгеновского рассеяния вблизи краев поглощения, соответственно, лантана или церия эти магнитные моменты могут быть измерены с очень хорошей точностью. И можно измерить их пространственное распределение. Считаю, что это самое интересное исследование.

Недавно открыта измеренная визуализированная доменная структура пленок с помощью резонансного рентгеновского рассеяния. Чувствительность к магнитной структуре рентгеновского излучения я считаю одним из самых замечательных результатов использования синхротронного излучения в исследованиях современной физики твердого тела.

— Где проводятся исследования?

— На всех источниках СИ третьего поколения. Их всего три: на Европейском источнике синхротронного излучения (ESRF) в Гренобле (Франция), на APS в Argonne National Laboratory (США) и на Spring-8 (Япония).

— А вы, ваша группа, где работали?

— Мы проводили несколько экспериментов в Гренобле во Франции, в Европейском центре СИ. Надеемся, что когда-нибудь и в России можно будет проводить подобные исследования, но пока накапливаем опыт там, где это возможно. К сожалению, яркости сибирского источника СИ не хватает для наших экспериментов.

— Скажите, на Западе стремятся строить специализированные источники?

— Да, современные, специализированные. Причем их параметры пытаются максимально адаптировать к целям физического исследования. Например, одной из больших проблем было получение рентгеновского излучения с круговой поляризацией. После того, как на ускоритель электронов поставили вигглеры, которые способны давать излучение любой поляризации, оказалось, что магнитные измерения делать очень просто.

— Кстати, в ИЯФе известные специалисты по этим ондуляторам и вигглерам.

— Да, ИЯФ снабжает ондуляторами и вигглерами («змейками», как говорят в России), чуть ли не весь мир. Например, они установлены в Берлине (Германия), Spring-8 (Япония), Триесте (Италия), APS (США), Duke University (США).

И сейчас многие центры заказывают новую аппаратуру в Институте ядерной физики. ИЯФ строит источники СИ 3-го поколения за границей, а себе построить не может. Как сапожник без сапог.

— Марина Алексеевна, вы сказали, что впервые участвовали в работе сибирской конференции. Ваши впечатления о ней, с кем вы познакомились?

— Мне нравится творческая атмосфера этой конференции, а это вдохновляет всех ее участников. Чувствуется, что успех будет. Здесь собралось очень много людей с синхротронов разных стран. Германия, Испания, Франция, Швейцария, США, Корея. Интересно было узнать подробности строительства нового французского синхротрона недалеко от Парижа, магнитная структура которого тоже будет, вероятно, сделана в ИЯФе. Этот источник вводится в строй, заработает через пару лет. Я как раз плодотворно беседовала с профессором Дэни Рау (D. Raoux, SOLEIL, France). Он занимается исследованиями магнитных моментов в периодических структурах. Мы с ним обсуждали перспективы развития этого метода и некоторые детали теоретических расчетов. Для меня это было очень важно и очень интересно.

Рентгеновское дифракционное кино

Проект синхротрона SOLEIL в пригороде Парижа заинтересовал многих экспериментаторов, пользователей, работающих на станциях синхротронного излучения. Статусный доклад профессора D. Raoux «Status of the SOLEIL project» (France) открывал второе пленарное заседание «Центры синхротронного излучения», а за ним начиналась секция «Диагностика горения и детонации». Как выяснилось, научные группы «горельщиков» планируют поработать на источнике СИ SOLEIL. Об этом я узнала из разговоров с Жаном Клодом Гашоном, профессором университета Анри Пуанкаре города Нанси (Франция) и Александром Сергеевичем Рогачевым, доктором физико-математических наук, заведующим лабораторией Института структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН (г. Черноголовка).

Когда общаешься с человеком через посредника, обостряется слух и мысль, а для более ясного понимания можно использовать немудрящий рисунок на грифельной доске, чем и воспользовались мои собеседники. Я попросила профессора Ж. К. Гашона прокомментировать его доклад «Состояние исследований в области СВС с использованием синхротронного излучения во Франции». Ключевые буквы — СВС — самораспространяющийся высокотемпературный синтез. Этот процесс горения без пламени, как мне пояснили, был открыт академиком А. Мержановым и его сотрудниками (Институт структурной макрокинетики, г.Черноголовка, Московской области).

— Идет волна горения, ярко светится, очень быстро происходит реакция, но пламени нет, потому что и исходные компоненты, и все продукты — конденсированные, твердые или расплавленные…

— Что-то подобное бенгальскому огню или точнее, тлеющему стержню?

— Похоже, да, но бенгальский огонь — все-таки горение с кислородом и к тому же, искры летят, разбрызгиваются. Но суть в том, что в процессе СВС образуется тугоплавкий продукт, который может быть использован как новый материал. Он довольно широко применяется. Это карбиды, силициды, бориды, твердые сплавы. Заводы СВС работают в Испании, в Китае, существовали такие производства и в СССР, но в связи с большими переменами и экономическими трудностями производство было свернуто. Сейчас понемногу оно возрождается в России и в странах ближнего зарубежья. Мы, естественно, производством не занимаемся, — сказал А. Рогачев. — Суть наших совместных исследований с профессором Гашоном…

— Так вы вместе работаете?

— Да, у нас общая программа с группой Гашона и с новосибирцами. Так вот, суть наших исследований в том, чтобы понять механизм изменения структуры вещества в процессе СВС, иначе говоря, в процессе безгазового горения, как его еще называют. Это очень быстрый процесс. Структура исходных материалов быстро разрушается, и возникает абсолютно другая, новая структура продуктов. Как это происходит, трудно изучить. Препятствуют высокие температуры, короткие времена, поэтому синхротрон и нужен для изучения быстропротекающих процессов. Мощный пучок СИ позволяет очень быстро получать так называемое рентгеновское дифракционное кино. Собственно, идею использования рентгеновского кино также предложил академик А. Мержанов еще в семидесятые годы прошлого столетия. Но реализовать идею всегда очень сложно. Впервые такие уникальные эксперименты с использованием СИ реализованы здесь, в Институте ядерной физики и в Институте химии твердого тела. Авторский коллектив работы: В. Александров, В. Болдырев, Н. Ляхов, Б. Толочко, М. Корчагин и другие. Они в начале восьмидесятых годов XX века опубликовали статью в ДАН о результатах экспериментов. Эта работа стала классической и вошла во все монографии по СВС. А потом уже американцы начали использовать такую же методику. Во Франции первые эксперименты, связанные с СВС и синхротронным излучением, проводил Жан-Клод. У профессора накопился большой опыт в исследовании сложных систем.

— Назовите, какие системы исследовались?

— Самые разные. Из наиболее интересных — взаимодействие металла с металлом: никеля с алюминием, титана с никелем. Получались необычные структуры. — Мои собеседники перемолвились, и профессор Ж. К. Гашон дополнил, уточнил сказанное:

— А первую систему никель-цирконий изучали французские исследователи. В экспериментах наблюдалось очень сильное влияние кислорода, что и помешало опубликовать результаты. Но потом мы друг друга нашли и дело пошло на лад.

— Какие научные группы объединились?

— Во-первых, Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения, где я работаю, — отметил А. Рогачев, — и университет Анри Пуанкаре в Нанси. Затем Сибирский центр сихротронного излучения. В основном мы сотрудничаем с лабораторией Бориса Толочко (ИХТТМ СО РАН). И еще одна московская группа. Мы создали международный коллектив и пытаемся вместе изучать процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, о чем и рассказал в своем докладе Ж. К. Гашон.

— Александр Сергеевич, назовите, пожалуйста, свой доклад и прокомментируйте вкратце.

— «Эволюция структуры при безгазовом горении микрои наногетерогенных систем». Если вкратце — то мы начали изучать не порошковые микрогетерогенные системы, а наносистемы, то есть многослойные пленки с тысячью слоёв. Толщина каждого слоя — 10-50 нанометров. Реакция между такими очень тонкими слоями еще слабо изучена. И вообще свойства вещества в наносостоянии мало известны: как происходит диффузия, перенос вещества, перенос тепла, теплопроводность…

— Нанотехнологии развиваются очень бурно. — Это уже в два голоса говорят мне об актуальности исследований. — Ведь существуют очень маленькие устройства, а предстоит делать наноразмерные машины, не говоря уже о микроэлектронике. И если свойства вещества окажутся другими… Например, реакция между металлами в обычных смесях тех же СВС начинается при 700 градусах Цельсия, а в наносистеме — при 300 градусах. Нам же надо это знать, чтобы не попасть впросак, когда начнут строить наномашины. Многослойные нанопленки оказались очень удобными объектами для исследования.

— Вы уже говорите о совместной программе?

— Да, мы ведем работы по исследованию безгазового горения в рамках международного проекта, который поддерживается Российским фондом фундаментальных исследований — РФФИ. Помогает нам и Российская академия наук, есть поддержка от ИНТАС и других фондов. Работа продвигается, есть уже результаты, полученные в Новосибирске. Более двух лет проводились эксперименты на синхротронах Франции (уточнил Ж. К. Гашон). Результаты полученные на станции Сибирского центра синхротронного излучения мы начали обрабатывать вместе с сотрудниками Бориса Толочко.

Я приезжал в новосибирский Академгородок в июне, а мои сотрудники работали на каналах СИ буквально накануне конференции СИ-2004. В первой серии экспериментов во Франции мы получили скорость съемки 40 миллисекунд на один кадр рентгеновского дифракционного кино, а здесь удалось сократить время до одной миллисекунды! Это принципиально, так как вся реакция длится несколько миллисекунд. Поэтому в Новосибирске мы можем исследовать кинетику реакции, а во Франции и США не могут. Для исследования таких процессов, как СВС, методами дифракции — это абсолютный рекорд в мире. Никто с такими временами не работает. Техника отличная и очень квалифицированная команда — детекторщики (Г. Савинов, С. Бару — ИЯФ), программисты (О. Евдоков, Б. Пирогов — ИХТТМ СО РАН), физики и химики (Б. Толочко, М. Шарафутдинов — ИХТТМ СО РАН). На установке работает очень быстрый двухкоординатный детектор ДЕД-5. В других центрах такого нет. Возможности для экспериментов уникальные. Мы получили большое количество данных. Теперь надо их понять, осмыслить и, думаю, опубликовать.

— Жан-Клод тоже работал в ИЯФе?

— Он побывал на станциях, но, к сожалению, синхротрон уже выключили, он в «отпуске». Жан-Клод будет участвовать в обработке новых результатов.

— Мы эти многослойные образцы исследуем всесторонне.

— Вы сами делаете или получаете готовый материал?

— В нашей международной группе участвует лаборатория плазменного напыления Московского технического университета, которой руководит Петр Цыганков. Мы получаем эти пленки и исследуем. Скажем, во Франции очень хороший сканирующий микрокалориметр. И очень удобно исследовать кинетику тепловыделения, стадии реакции на медленном нагреве. Хорошее оборудование для просвечивающей электронной микроскопии. Строится источник СИ SOLEIL. В моей лаборатории мы используем различные методы плюс изучаем сам процесс распространения волны горения, потому что мы сами «горельщики». С помощью высокоскоростной микровидеосъемки смотрим, изучаем волну горения, от чего зависит ее скорость.

— Вы видите на экране, как бежит волна…

— Если снимать со скоростью 1000 кадров в секунду, волна бежит довольно быстро, может и метр в секунду. Для твердотельной реакции это довольно высокие скорости. Скоростная видеосъемка нужна для того, чтобы изучать особенности процесса. В нашей программе комплексный подход к реализации международного проекта. Думаю, наш рабочий коллектив увеличится. Скорее всего, будут привлечены к работе ученые Австрии, Словакии. У нас с ними хорошие контакты. Результаты своих исследований мы публикуем в различных международных журналах. Здесь, в Новосибирске, мы с Жан-Клодом отдали совместную статью по нашим докладам на конференции.

— Вы работаете так, чтобы всё горело синим пламенем? Кстати, какого цвета пламя, когда бежит волна?

— Температура в системе титан-алюминий около тысячи градусов по Цельсию, и фронт, который бежит, оранжевый, но есть системы более горячие и они действительно горят синим пламенем.

— Вот я и желаю вам, чтобы всё горело синим пламенем! Не в смысле известной поговорки, а в смысле — больше новых ярких результатов и новых мировых рекордов.

стр. 4-5