Синхротронное излучение четвертого поколения сегодня определяет вектор развития фундаментальной и прикладной науки. Строящийся в наукограде Кольцово Сибирский кольцевой источник фотонов (ЦКП «СКИФ») — установка класса «мегасайенс» с энергией пучка 3 ГэВ — установил в ней новые технологические стандарты.
Фото: ЦКП «СКИФ» Осенью 2026 года на СКИФе начнутся первые научные эксперименты
Елена Иванова
Меганаука в одиночку
Осенью этого года на Сибирском кольцевом источнике фотонов СКИФ в Кольцове Новосибирской области начнутся первые научные эксперименты. Стройка самого наукоемкого проекта страны подошла к завершению.
Между тем четыре года назад еще не было понятно, будет ли это начинание осуществлено, и если будет, то когда. Как и всякий проект «мегасаенс», он задумывался как международный. Высокочастотные клистроны должны были поставить японцы, источники питания для магнитов бустеров — датчане, вакуумное оборудование было заказано в Швейцарии.
После того, как в 2022 году поставщики отказались от своих обязательств, оборудование, которое никогда не производилось в России, пришлось делать самим. В результа в 2024-2025 годах проект стал примером высокотехнологического импортозамещения.
Через четыре года в России появился не только уникальный научный объект, но и производство оборудования и агрегатов для мегасаенс.
Фото: СКИФ Клистроны производят и в России
Чем СКИФ отличается от конкурентов
СКИФ — это огромный 500-метровый кольцевой ускоритель, в котором электроны разгоняются до околосветовой скорости. При движении по кругу они излучают мощнейшие пучки фотонов (рентгеновское излучение). СКИФ работает как гигантский супермощный рентгеновский наномикроскоп. Он позволяет ученым заглянуть вглубь материи, вплоть до уровня отдельных атомов.
По своей яркости и качеству пучков он превосходит существующие в России установки примерно в десять тысяч раз. Сибирский кольцевой источник фотонов (СКИФ) конкурирует с передовыми источниками синхротронного излучения четвертого поколения, расположенными в крупнейших научных центрах мира.
Основная конкуренция в этой сфере идет не за размеры самого кольца, а за эмиттанс, или фокусировку пучка, и яркость рентгеновского излучения. Чем меньше эмиттанс, тем тоньше и ярче пучок фотонов и тем более мелкие детали можно разглядеть.
СКИФ относится к классу синхротронов с энергией пучка электронов 3 ГэВ (гигаэлектронвольт). В этой категории у него три ключевых соперника: первый в мире рабочий синхротрон 4-го поколения MAX IV, запущенный в 2016 году в Швеции, бразильский Sirius и SLS II (Швейцария, Институт Пауля Шеррера). Из-за того, что СКИФ проектировался позже шведского и бразильского аналогов, российским физикам из ИЯФ СО РАН удалось заложить в него более современные технические решения. Его называют источником поколения «4+» за счет нескольких уникальных особенностей.
У СКИФа самый маленький в мире эмиттанс среди машин с энергией 3 ГэВ — всего 75 пм·рад. Пучок электронов в нем сжат до экстремально тонкого состояния. Это дает СКИФу непревзойденную пространственную четкость. Главное достижение создателей СКИФа — достижение беспрецедентного горизонтального эмиттанса. Эмиттанс СКИФа составляет всего 75 пм·рад (пикометр-радиан). Для сравнения: у шведского флагмана MAX IV этот показатель находится на уровне 200–300 пм·рад, у бразильского Sirius — порядка 250 пм·рад. Меньший эмиттанс означает экстремально высокую фокусировку и поперечную когерентность электронного пучка. Яркость фотонных пучков СКИФа фактически достигла теоретического «дифракционного предела» для энергии 3 ГэВ — сделать пучок еще более сжатым и ярким в этих физических параметрах невозможно. Благодаря этому время проведения многих экспериментов (например, расшифровка белков) сократится с нескольких часов до считанных секунд.
В отличие от Sirius или MAX IV, которые строились в рамках широкой международной кооперации с использованием американских, японских и европейских узлов, СКИФ — это памятник импортозамещению. Сверхмощные клистроны, прецизионные магниты, вакуумные NEG-насосы и уникальная рентгеновская оптика были полностью созданы внутри России.
Фото: «Наука рф» Геттерные насосы разработаны Институтом ядерной физики (ИЯФ) СО РАН совместно с новосибирской компанией «Оптикон»
Сделано в России: вакуумные насосы, ускорители и рентгеновская оптика
Ускорительный комплекс СКИФ уникален тем, что практически все его технологически сложное оборудование и вакуумные системы спроектированы и произведены в России. Чтобы электроны могли часами лететь по кольцу со скоростью света, не сталкиваясь с пылинками и молекулами газов, внутри труб протяженностью более 900 метров создается сверхглубокий вакуум (в 10¹² раз разреженнее, чем в комнате, или до 10⁻¹¹ Торр).
Для достижения экстремального вакуума на установке используется комбинированная система откачки, состоящая из более чем 800 специальных отечественных насосов. Основу вакуумной системы кольца составляют геттерные насосы (NEG). Они работают на основе нераспыляемых геттеров — специальных сплавов-поглотителей, которые буквально «впитывают» в себя молекулы газов, сверхкомпактны, так как магниты на СКИФе расположены очень плотно. Насосы разработаны Институтом ядерной физики (ИЯФ) СО РАН совместно с новосибирской компанией «Оптикон», а сами геттерные материалы поставляет тульский завод порошковой металлургии «Полема».
Высоковакуумные магниторазрядные насосы применяются в комбинации с геттерными для эффективного удаления газов, которые геттер не поглощает (например, благородных газов). Их поставило новосибирское предприятие «Катод» и компания «Призма» (г. Искитим), которые много лет специализируются на вакуумных технологиях.
В целом комплекс состоит из тысяч сложнейших элементов, закрепленных на специальных 10-тонных подставках-гирдерах, положение которых выверено до микронов.
До недавнего времени мощные СВЧ-клистроны, которые создают высокочастотное поле для разгона электронов, выпускали три страны в мире: США, Франция и Япония. Теперь к ним присоединилась четверная страна — Россия.
Линейный ускоритель и бустер установлены также отечественного производства. Начальная часть комплекса «пушка» генерирует пучок электронов и разгоняет его до 200 МэВ, прежде чем перенаправить в промежуточное бустерное кольцо, а затем в основной накопитель (3 ГэВ).
Магнитная система состоит из сотен прецизионных дипольных, квадрупольных и секступольных магнитов, изготовленных на производственной базе ИЯФ СО РАН. Они удерживают пучок электронов на идеальной круговой траектории внутри вакуумных камер.
Еще одно из достижений ученых и инженеров — рентгеновская оптика и вигглеры/ондуляторы. Когда электроны проходят сквозь них, они колеблются и генерируют то самое сверхъяркое синхротронное излучение. Затем рентгеновские зеркала и монокристаллы фокусируют эти пучки и направляют их на экспериментальные станции.
Фото, СКИФ Камера для исследования взрывов
Какие эксперименты готовятся
Первые эксперименты на СКИФе начнутся этой осенью. Из прикладных выделяется разработка сверхпрочного полиэтилена, который может использоваться в Арктике или авиастроении. Ученые будут также искать новые катализаторы, которые ускорят нефтепереработку и уменьшат промышленные выбросы.
Всего уже запущены семь станций, которые спроектированы для конкретного типа физико-химических и биологических опытов. Помимо прикладных задач, как, например, исследование материалов в процессе работы или диагностика металлических конструкций для создания элементов фюзеляжей или космических аппаратов, ученые будут изучать экстремальные состояния вещества. На этой станции будут проводить эксперименты по имитации условий внутри планет, взрывных процессов, а также исследовать поведение плазмы для управляемого термоядерного синтеза.
Помимо технических опытов, на СКИФе развернутся масштабные биологические исследования, например, расшифровка вирусов, тестирование лекарств на живых организмах. Диапазон исследований чрезвычайно широк — от поиска материалов для квантовых компьютеров до расшифровки состава древних красок в памятниках архитектуры без их разрушения.
Создатели СКИФа говорят, что несмотря на то, что синхротрон построен на 100% на отечественном оборудовании, он по своей сути остается международным проектом. Уникальные характеристики комплекса (мировой рекорд по фокусировке пучка в 75 пм·рад) делают его крайне привлекательным для физиков и биологов со всего мира. Заявки на проведение будущих экспериментов активно подают ученые из стран БРИКС (Китая, Индии, Бразилии), а также государств СНГ и Азии.