СКИФ призывает индустриальных партнеров

19 февраля очередное заседание Делового клуба руководителей «Содружество – Эффективность – Развитие» состоялось на площадке Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов». Инициатором мероприятия выступил руководитель Центра искусственного интеллекта НГУ Александр Люлько. Представители крупных предприятий познакомились с возможностями, которые открываются перед промышленностью благодаря СКИФу, и смогли проникнуться масштабами и мощью нового объекта научной инфраструктуры.

Напомним, создание ЦКП «СКИФ» завершается сейчас в наукограде Кольцово под Новосибирском. На данный момент строительная готовность объекта составляет 97 процентов, смонтировано оборудование инжекционного комплекса, в нем получены проектные параметры электронного пучка, который в декабре прошлого года был успешно перепущен в накопительное кольцо – тот самый «бублик», по которому все узнают СКИФ. Предполагается, что к июню текущего года в накопителе будет достигнута устойчивая циркуляция пучка электронов, а также состоится первый эксперимент с использованием генерируемого синхротронного излучения, и в конце лета – осенью состоится полноценное открытие. К ноябрю же будут смонтированы и протестированы все станции первой очереди, и можно будет выйти на штатное проведение экспериментов.

Хотя о СКИФе в Новосибирской области безостановочно говорят с 2018 года, когда Президент России Владимир Путин на заседании Совета по науке и образованию в новосибирском Академгородке поддержал идею строительства в регионе «самого лучшего в мире» синхротрона, пока далеко не все четко понимают, что это такое, и зачем он нужен. Кто-то даже до сих пор думает, что это ускоритель по типу Большого адронного коллайдера, необходимый для фундаментальных исследований в физике элементарных частиц. На самом же деле синхротрон – это прикладной инструмент, по принципу действия больше всего похожий на большой рентгеновский микроскоп. Благодаря ему можно рассмотреть в глубочайших подробностях структуру различных материалов, мельчайших объектов и проанализировать быстропротекающие процессы. Например, при помощи синхротронного излучения изучают вирусы, взрывы и химические реакции, атомарную структуру вещества, кристаллические решетки и многое другое. В частности, можно проверить работу нового лекарства, буквально увидев, как оно проникает в ткани живого организма и запускает дальнейшие процессы, или, например, как приживаются импланты. Синхротроны позволяют искать микротрещины в лопатках турбин, дефекты в микроэлектронике размером менее 10 нанометров или изучать поведение катализаторов в реальных условиях. Также они могут применяться в геологоразведке, энергетике, в экологии и множестве других сфер.

Например, компания Rolls-Royce изучает лопатки авиадвигателей, подвергая их различным внешним воздействиям и исследуя ответную реакцию на синхротроне. Еще один известный всем пример – во многом благодаря синхротронному излучению были быстро разработаны лекарства от коронавируса, потому что исследователи смогли расшифровать структуры нескольких его белков.

СКИФ в России действительно нужен, причем потребность в национальном источнике синхротронного излучения назрела давно. Сейчас они есть почти во всех развитых странах. У нас же пока всего два. Один – первого поколения (он был практически первым в мире) до сих пор работает в Институте ядерной физики СО РАН, одновременно используется и как коллайдер, и как синхротрон. Другой – второго поколения – был изготовлен и запущен ИЯФ СО РАН в Курчатовском институте в Москве в 90-е годы. Поэтому, чтобы оставаться на переднем крае, необходим новый синхротрон. Без него сохранять достойные места в мировой научной гонке невозможно.

Польза синхротронного излучения в том, что оно обладает большой проникающей способностью и высоким пространственным разрешением, буквально позволяя увидеть, «что происходит между атомами». Одна из его особенностей заключается в том, что оно имеет широкий спектр, то есть состоит из фотонов различных длин волн. Поэтому из него можно выделять излучение необходимой энергии и использовать для реализации рентгеновских методик: различных видов дифракции и спектроскопии. На источниках синхротронного излучения реализуются и различные методы визуализации, например, рентгеновская микроскопия и томография. При этом возможная скорость получения изображений достигает десятков наносекунд на кадр. Самые быстрые детекторы на СКИФе будут расположены на станции 1-3 «Быстропротекающие процессы», где изучаются взрывы. Там же находится самая большая взрывная камера из всех, установленных на синхротронах в мире: ее диаметр порядка двух метров, и она рассчитана на взрывы мощностью до 2 кг в тротиловом эквиваленте. Такие исследования необходимы для моделирования свойств авиационных и космических материалов, испытывающих экстремальные нагрузки, уточнения параметров взрывчатых веществ, а также решения задач фундаментальной физики. Например, можно изучать образование наноалмазов из продуктов детонации.

Как же работает СКИФ? Электроны «рождаются» и получают первоначальное ускорение в линейном ускорителе, затем попадают в бустер – кольцевой ускоритель и разгоняются до субсветовых скоростей и проектной энергии. И линейный ускоритель, и бустерный синхротрон находятся в здании инжектора. Из бустера они инжектируются в основной накопитель, который представляет собой огромное кольцо из специальных подставок с оборудованием, значительную часть которого составляют магниты. Накопленный электронный пучок «кружится» по кольцу с неизменными параметрами длительное время и при повороте на магнитных системах генерирует синхротронное излучение (поток фотонов различных длин волн), которое попадает на экспериментальные станции и после модификации под конкретную методику «просвечивает» исследуемый объект.

Это большое накопительное кольцо находится в главном здании СКИФа, похожем на «бублик». Оборудование накопителя окружено толстой и надежной стеной биозащиты. Внутри здания также расположен большой экспериментальный зал, где находятся специальные радиационно-защищенные помещения, снаружи обшитые свинцовыми панелями и наполненные разнообразным оборудованием. Это и есть экспериментальные станции, где ведутся научные исследования. В момент эксперимента внутри этих помещений людей нет. А вот в экспериментальном зале находиться можно – это безопасно.

Движется пучок внутри трубки, в которой создается высокий вакуум. Если в космосе возле МКС давление воздуха в миллион раз ниже атмосферного, то внутри этой трубки оно ниже атмосферного в 100 миллиардов раз.

Если необходимо получать пучки фотонов рекордной интенсивности, используются специальные «генераторы» синхротронного излучения, благодаря которым оно усиливается за счет дополнительных поворотов электронов. К их числу относятся вигглеры и ондуляторы. Они устанавливаются на прямолинейных участках накопителя, и формируемое в них рентгеновское излучение попадает в исследовательские станции. Важно, что степень локализации оборудования СКИФа превышает 95 процентов, а большую часть устройств ускорительного комплекса вообще произвели в Новосибирске: ИЯФ и КТИ НП СО РАН.

Все оборудование, которое используется на синхротроне – невероятно точное. Даже у станины, на которой закрепляются магниты, крайне высокие требования к собственным колебаниям. Сама подставка весит 10 тонн, чтобы то, что на нее поставлено, не дрожало. Ведь точность выставки каждого элемента ускорителя по вертикали – 30 микрон.

Чтобы такое уникальное высокоточное оборудование работало правильно, требуется огромное количество различных инженерных систем. Так, большое внимание на СКИФе уделяется безопасности. На стенах размещены дозиметры: индивидуальные и подключенные к общей сети, за которой следят дистанционно. Еще одна серьезная задача – отведение тепла. Интересно, что часть тепла, которую «забирают» чиллеры, уходит на отопление объекта. Что касается электроэнергии, подведенная ко всему комплексу мощность – 12,5 МВт. Важное значение имеет вентиляция и климат-контроль. Чтобы оборудование работало на проектных параметрах, точность термостабилизации воздуха в помещении накопителя составляет 0,1 градуса. То же самое касается дистиллированной воды, которая подводится к магнитам для охлаждения. Как рассказали на экскурсии, обслуживание всего комплекса потребует слаженной круглосуточной работы около 500 разнопрофильных специалистов.

Отдельный вопрос – сейсмостабильность объекта. Толщина основания здания накопителя СКИФа, например, составляет 12 метров: это специальным образом забетонированные скважины, несколько слоев разных отсыпок и массивная 1,5-метровая фундаментная плита. В целом, бетона в фундаменте двух основных зданий – инжектора и основного накопителя – больше 50 000 кубометров. Для сравнения, объем бетона в фундаменте «Лахта-центра» – 19 624 м³.

В ходе экскурсии по СКИФу члены клуба «СЭР» побывали в экспериментальном зале и в туннеле накопителя, в сервисной зоне, в корпусе стендов и испытаний, в отдельном здании одной из экспериментальных станций, а также в административном корпусе. Интересно, что практически все здания комплекса связаны теплыми переходными галереями.

Станция 1-5 «Диагностика в высокоэнергетическом рентгеновском диапазоне», где удалось побывать участникам экскурсии, имеет две секции, одна из которых находится в отдельном здании, поскольку на ней, помимо прочего, предполагается исследовать лабораторных животных – мышей, крыс, кроликов, минипигов, которые будут жить в мини-виварии. Внутри расположены специальные столы для оборудования, а также расположен пресс, который может скручивать, сжимать и другими способами деформировать объект – это необходимо для исследований конструкционных материалов и изделий машиностроения. Оборудование на такой станции управляется дистанционно из соседней контрольной кабины, поскольку в помещении во время эксперимента людям находиться нельзя. Комнату защищают обшитые свинцом бетонные стены из специального состава более метра толщиной и массивные свинцовые двери.

Есть в комплексе еще одно здание: корпус стендов и испытаний – почти 9 000 квадратных метров. Оно не нужно для работы комплекса и было построено на период сборки оборудования. Как его использовать дальше, пока не решено. По архитектуре и размеру оно подходит для производственного цеха. Но ученые шутят, что могут организовать там диско-зал для праздников или даже залить каток.

После экскурсии прозвучали доклады представителей ЦКП «СКИФ». Главный ученый секретарь Иван Рубцов рассказал, что сегодня уже ведется монтаж оборудования станций первой очереди. Также он напомнил, что СКИФ относится к проектам класса «мегасайенс», является источником синхротронного излучения последнего поколения 4+, а рабочая энергия составляет 3 ГэВ. Длина накопительного кольца – 476 метров. Эмиттанс пучка – 73,2 пм⋅рад.

Начальник отдела инновационной деятельности ЦКП «СКИФ» Александр Николаенко назвал свой доклад «СКИФ – инструмент для тех, кто создает будущее», то есть как раз для тех, кто собрался на встрече клуба. По его словам, СКИФ позволяет заглянуть туда, куда другим способом посмотреть невозможно. Да, в мире синхротронов много, но все они – разного уровня. СКИФ обладает беспрецедентной яркостью и пространственным разрешением. По совокупности характеристик это будет лучший в мире синхротрон в своем классе. И, скорее всего, он начнет эксплуатироваться даже раньше, чем один из основных конкурентов, который сейчас строится в Китае. «То есть мы увидим то, чего другие в принципе не увидят», – пояснил Александр Николаенко.

Он отметил, что все мировые лидеры промышленности сегодня проводят собственные исследования в синхротронных центрах: кто-то выкупает время на существующих станциях, а кто-то имеет свои. Потому что это дает серьезные преимущества. А теперь такая возможность появится и у новосибирских предприятий.

Заместитель директора Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН Станислав Шакиров рассказал о проекте по созданию системы цифровых двойников для процесса литографии при производстве микросхем. Он отметил, что в этой работе также можно применять синхротрон. А полученные на СКИФе данные можно будет использовать для обучения нейросетей, включение которых в работу затем будет повышать производительность труда и качество продукции.

В завершение заседания президент клуба «СЭР» Виктор Архипов поблагодарил представителей ЦКП «СКИФ» за прекрасную организацию мероприятия.

Кстати, один из членов клуба «СЭР» – Новосибирский государственный технический университет НЭТИ – планирует создать на СКИФе собственную экспериментальную станцию. Она была презентована в августе 2025 года в рамках «Технопрома». На этой станции можно будет изучать макрообъекты размером до нескольких сантиметров, тогда как остальные станции в основном посвящены изучению микроскопических объектов. Она будет направлена на исследование материалов, которые используются в промышленности, прежде всего в машиностроении. На станции можно будет подвергать образцы тем же воздействиям, что на реальном производстве, в том числе деформации и плавлению. Это может использоваться как для получения новых материалов, так и для исследования технологий. Помимо различных российских вузов, которые смогут использовать эту станцию в научных и образовательных целях, в ней заинтересовано большое количество индустриальных партнеров, в том числе промышленные предприятия Новосибирска. Станция ЦКП «СКИФ» «2-1 Инженерное материаловедение» уже включена в Постановление правительства РФ. Ее стоимость оценивается в 2,4 миллиарда рублей, а создание займет три года. Кстати, в список индустриальных партнеров проекта еще можно войти, озвучив ответственным сотрудникам университета актуальные для вашего предприятия задачи.

Создание собственной станции – это один из путей партнерства со СКИФом для самых крупных и заинтересованных в этом предприятий. Те же, чьи потребности в синхротронных исследованиях не столь масштабны, могут рассмотреть другие варианты, например, заказать конкретное прикладное исследование или же запланировать НИОКР с использованием этого уникального оборудования.

Как отметил на заседании «СЭР» Александр Николаенко, уже сейчас промышленные предприятия Новосибирска могут приступить к продумыванию и разработке технических заданий для работы на СКИФе. Сформулированные задачи будут поставлены перед учеными, они проработают проблему и, уже начиная с середины лета, можно будет проводить исследования на первых станциях. Важно, что на время отработки технологий это будет бесплатно, чтобы предприятия могли понять, насколько выгодны будут подобные исследования для них в дальнейшем.