CC BY
50
очти полстолетия назад выдающийся российский физик Г. И. Будкер - основатель новосибирского Института ядерной физики, выдвинувший и реализовавший идею об увеличении энергии взаимодействия частиц методом встречцых пучков, - назвал ускорители заряженных частиц микроскопами современной физики, поскольку они позволяют судить о структуре наблюдаемого объекта по картине рассеяния на нем потока частиц, только уже не световых квантов, как в микроскопе, а частиц высокой энергии. С ростом предельных энергий ускорителей началась настоящая революция в теории элементарных частиц и внутриядерных взаимодействий, продолжающаяся и поныне, значение которой для науки и практики трудно переоценить.
Зато магнитотормозное излучение, которое испускали заряженные частицы, движущиеся с релятивистскими скоростями в магнитном поле ускорителей, поначалу казалось досадным побочным продуктом ускорительного процесса, поскольку означало большие энергетические потери, которые требовалось компенсировать. Так как подобное излучение впервые наблюдалось в синхротроне - циклическом резонансном ускорителе,
Ускорения
стало называться синхротронным, хотя его источником в принципе может служить любое устройство, отклоняющее заряженные частицы.
Но синхротронное излучение (СИ) удивительно быстро прошло путь «от Золушки до принцессы», и это превращение было обусловлено такими чертами его «характера», как большая ширина спектра излучения - от инфракрасного до жесткого рентгеновского, высокая степень направленности и поляризации, периодичность в наносекундном масштабе и, наконец, большая мощность (хотя последние качества - это уже заслуга специализированных устройств, его генерирующих). Идею возможности использования излучения релятивистских частиц высказал еще в 1947 г. российский физик-теоретик и будущий Нобелевский лауреат В. Л. Гинзбург, и за последующие полвека синхротронное излучение превратилось в универсальный и очень эффективный инструмент познания окружающего мира.
Существуют три поколения источников синхрот-ронного излучения. К первому относятся синхротроны и накопительные кольца, созданные для физики высоких энергий; ко второму - накопительные кольца, разработанные специально как источники СИ. Излучение в этих источниках обычно генерируется отклоняющими
7
* НАУКА из первых рук sciencefirsthand.ru * *
л.
¡я ГОРИЗОНТЫ НАУКИ . Физика
Участники круглого стола «Новые горизонты ускорительной техники: настоящее и будущее ярких источников синхротронного излучения»: профессор А. Серый (Институт им. Джона Адамса), профессора Э. Харрисон и Р. Уолкер (Diamond Light Source), академик Г. Н. Кулипанов (ИЯФ СО РАН), генеральный консул Великобритании Д. Шарп. Фото Отдела науки и инноваций при Посольстве Великобритании в России
Судя по древним хроникам, с синхротронным излучением человечество впервые столкнулось еще в 1054 г., когда на небе среди бела дня засветилась яркая «звез-да-гостья» - Крабовидная туманность, образовавшаяся в результате взрыва сверхновой. «Изобретателем» СИ считается французский физикА. Лиенар, в конце XIX в. впервые показавший, что движущийся по круговой траектории электрон интенсивно излучает электромагнитные волны. Первое «рукотворное» синхротронное излучение удалось получить в 1947 г. на американском синхротроне компании «Дженерал Электрик», а несколькими годами позже - на советских синхротронах в ФИАН СССР
1. Крабовидная Sfc. туманность.
* Image Credit: , ч NASA, ESA, j^J. Hester, A. Loll (ASU)
sciencefirsthand.ru НАУКА из первых рук
Синхротронное излучение
Отклоняющие магниты
Электрон
Вигглер/ондулятор
РОССИЯ И ВЕЛИКОБРИТАНИЯ ЗА «КРУГЛЫМ СТОЛОМ»
Отдел науки и инноваций при Посольстве Великобритании в России является частью Научно-инновационной сети Великобритании, поддерживаемой британским правительством. Представленная в 29 странах мира, эта сеть способствует развитию научно-исследовательской деятельности и международному обмену знаниями, создает возможности для сотрудничества между ведущими учеными и науч-но-образовательными учреждениями мирового уровня и открывает доступ к крупномасштабной международной научной инфраструктуре.
Одна из целей Отдела науки в России - ближе познакомить Россию с существующими в Великобритании возможностями проведения научных исследований мирового уровня в области космических наук, ускорителей, новых материалов, медико-биологических и полярных исследований. Мы также способствуем привлечению большего количества российских научных публикаций в международные рецензируемые журналы.
Отдел занимается организацией и проведением россий-ско-британских круглых столов, научных кафе и лекций
магнитами, и поскольку оно направлено по касательной к траектории частицы, подобно свету автомобильных фар на повороте, то его пучок имеет веерообразную форму с большим углом рассеяния.
К третьему поколению относятся накопительные кольца с длинными прямолинейными промежутками и встроенными магнитными структурами чередующейся полярности, генерирующими синхротронное излучение, которое обладает меньшими размерами пучка, более высокой интенсивностью и намного более высокой спектральной яркостью. Последний
ведущих британских ученых в крупнейших городах России, участвует в научных фестивалях и семинарах. В 2014 г. благодаря содействию отдела в Москве впервые прошла Российско-британская неделя химии Королевского химического общества Великобритании, в центре которой были вопросы публикации статей в ведущих научных журналах и открытого доступа к научным публикациям. В 2014—2015 гг. было проведено два российско-бри-танских научных круглых стола: «Антарктика и Арктика в фокусе научных исследований» совместно с Арктическим и Антарктическим научно-исследовательским институтом (Санкт-Петербург) и «Новые горизонты ускорительной техники».
В 2015 г. мы надеемся организовать мероприятия, посвященные проблеме антимикробной резистентности, одному из приоритетных вопросов для Правительства Великобритании.
Отдел науки и инноваций при Посольстве Великобритании в России
показатель является наиболее важным параметром, так как определяет величину полезного потока фотонов. Благодаря целенаправленной работе физиков-уско-рителыциков яркость источников рентгеновского СИ увеличивалась на три порядка за каждые десять лет! Тем не менее даже в самых современных источниках СИ величина «полезных» фотонов составляет лишь тысячные доли от полного светового потока, поэтому в последние десятилетие мировое физическое сообщество активно работает над проектами источников СИ нового, четвертого, поколения.
Участники круглого стола Э. Харрисон, Р. Уолкер (Diamond Light Source) и Т. Яковлева (Посольство Великобритании в России) на встрече с редакторами журнала «НАУКА из первых рук». Новосибирск, 2015
©К.В. Золотарев, П.А. Пиминов А.Д. Николенко, В.А. Трунова: Н.В. Полосьмак, К.Э. Купер, 2015
sciencefirsthand.ru НАУКА из первых рук
пять лет
ш
Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера - крупнейшее отечественное академическое учреждение и всемирно признанный научный центр - сотрудникам «НАУКИ из первых рук» впервые удалось посетить более девяти лет назад. «Свежеиспеченных» редакторов недавно созданного журнала, далеких от мира «высокой физики», в ИЯФе потрясло многое. И казавшиеся бесконечными лабиринты «ускорительных» подземелий, и поражающая воображение путаница проводов и конструкций непонятного назначения, и исторические «круглые столы», заведенные еще первым директором института Гершем Ицкевичем Будкером...
А чего стоила удивительная доступность даже самых высоких институтских «чинов» и научных советов, которые, все по той же традиции, мог посетить любой желающий! И конечно, не могло не запомниться поразительно большое число откровенно умных, интересных и запоминающихся мужских лиц (да простят нас за шовинизм): теперь, поднаторев в физических терминах, можно сказать, что здесь, на относительно малом пространстве, удалось добиться удивительно высокой фокусировки интеллектуальных частиц высокой энергии! Все эти впечатления вылились в серию статей-экскурсий «по государству ИЯФ», где нашими экскурсоводами стали молодые физики, аспиранты и сотрудники института.
... Почти десятилетие спустя нас встретили все те же начищенные раритетные кофейники на тех же круглых столах, все то же гостеприимство и немало знакомых лиц разного возраста, но практически не постаревших, - похоже, занятия «высокой» физикой благотворно сказываются не только на интеллектуальном долголетии... Только в уже знакомых подземельях прибавилось путаницы проводов, а до отказа набитый оборудованием экспериментальный бункер для синхротронных исследований на «патриархе» ВЭПП-3 стал навевать устойчивые ассоциации с подземным миром морлоков Герберта Уэллса... Постоянство радует, когда речь идет о традициях, о преемственности, о научном творчестве, но мы надеемся на очередной «экскурсии» по отечественному флагману физики высоких энергий увидеть осуществление давно лелеемых здесь планов о радикальной перестройке ускорительного комплекса
Н
Ч*1
1\1Ё а ЁВО: оТбтёа бпТаоа
Как известно, синхротронное излучение (СИ), которое для своих многочисленных пользователей служит хлебом насущным, для физиков-ускорителыциков является паразитным: ведь с ним уносится немалая часть энергии, которую они с такими усилиями закачивают в пучок заряженных частиц, разогнанных почти до световой скорости. К тому же, если этот хлеб в ИЯФе и не горек, то и не всегда обилен. Дело в том, что источниками синхротронного излучения в институте сейчас служат ускорители ВЭПП-3 (созданный в 1972 г.) и ВЭПП-4М (начавший работу в начале 1980-х гг. и впоследствии модернизированный), на которых также проводятся исследования по физике элементарных частиц. В результате на долю экспериментов с синхротронным излучением приходится лишь около 15% общего времени работы ускорителей.
Таким образом, хотя эксперименты с использованием пучков синхротронного излучения ведутся в ИЯФе еще с 1973 г., для этих целей до сих пор - спустя более сорока лет! - используются ВЭПП-З/ВЭПП-4, т.е. не слишком яркие источники СИ 1-го поколения, работающие в рентгеновском диапазоне (длина волны от 0,01 до 1 нм) и энергией пучка 2 или 4 ГэВ.
Нужно отметить, что с запуском в 2003 г. 1-й очереди лазера на свободных электронах, источника мощных пучков терагерцового излучения, исследовательский арсенал института принципиально расширился, однако это не сняло проблемы создания более мощного источника СИ нового поколения, позволяющего проводить работы в рентгеновском диапазоне.
Для координации усилий, направленных на развитие исследований с СИ, эффективное использование источников СИ и повышение качественного уровня исследований 1 декабря 1981 г. на базе ускорительного оборудования и лабораторий ИЯФ СО АН СССР был создан Сибирский центр синхротронного излучения, в 1991 г. преобразованный в Сибирский международный центр синхротронного излучения (СибМЦСИ) - открытую лабораторию института, в деятельности которой могут принимать участие российские и зарубежные организации и лица. В 2003 г. заработала 1-я очередь лазера на свободных электронах, и в 2005 г. центр коллективного пользования был переименован в Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения (СЦСТИ)
В ускорительно-накопительном комплексе для генерации синхротронного излучения в ИЯФ СО РАН используются ВЭПП-З/ВЭПП-4, причем ВЭПП-3 является бустерным (промежуточным) ускорителем для коллайдера ВЭПП-4 (схема справа). Ускорение происходит от энергии 360 МэВ до энергии 2 ГэВ; в режиме накопителя ускоритель может удерживать пучки с энергией 2 ГэВ и током около 100 мА в течение длительного времени (5—6 ч). Именно в этом режиме и ведутся работы с использованием синхротронного излучения. Справа вверху - прямолинейный участок накопителя ВЭПП-3; внизу- вид экспериментального зала СИ на накопителе ВЭПП-4
¡Я ГОРИЗОНТЫ НАУКИ . Физика
ЗОЛОТАРЕВ Константин Владимирович - кандидат физико-математических наук, заведующий сектором Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (Новосибирск). Доцент кафедры ускорительной физики Новосибирского государственного университета. Автор и соавтор 93 научных работ
ПИМИНОВ Павел Алексеевич -кандидат физико-математических наук, начальник ускорительного комплекса ВЭПП-З/ВЭПП-4 Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (Новосибирск). Автор и соавтор 103 научных работ
Резонатор
Синхротрон
Электронная пушка
Детектор КЕДР
НАУКА из первых рук sciencefirsthand.ru
Сегодня в мире работает несколько десятков крупных научно-исследова-тельских центров с источниками синхротронного излучения 3-го поколения, таких как британский Diamond Light Source, швейцарский Swiss Light Source, французский Soleil и другие, а два более «ярких» источника - американский NSLS-2 и шведский MAX-LV- в настоящее время находятся в состоянии запуска. Все эти центры востребованы и работают с максимальной загрузкой; в них организованы экспертные системы выделения «пучкового времени»: на конкурсной основе - для исследователей, и платной - для остальных пользователей. Типичными платными потребителями являются крупные фармацевтические компании, создающие и тестирующие новые лекарственные препараты - это огромная, постоянная и дорогостоящая работа.
ИЯФ не может конкурировать с крупными центрами на «столбовых дорогах» - у нас не те характеристики пучка, которые были бы конкурентоспособны на «большом рынке». И если у кого-то из отечественных ученых или технологов есть конкретная, серьезная задача - например, протестировать новое лекарство, то им проще съездить в ту же Англию или во Францию, в Европейский центр синхротронного излучения (ESRF), участником которого является и наша страна.
Тем не менее и для наших далеко не «юных» источников хватает работы, как исследовательской, так и рутинной технологической. К примеру, сотрудники из Института катализа СО РАН постоянно анализируют здесь образцы новых катализаторов, которые планируется запускать в промышленное производство. Но главное наше достоинство, пожалуй, в том, что в ИЯФ синхротронное излучение в большей степени сохранило свой изначально нерегламентированный статус поискового инструмента, которым практически любой заинтересованный ученый может проверить свою, пусть даже слегка «безумную» идею.
В этом смысле очень важно то, что наши источники СИ расположены в таком необычном инфраструктурном объекте, как новосибирский Академгородок, т. е. в большом мультидисциплинарном окружении. И те же
В бункере, где используется синхротронное излучение из накопителя ВЭПП-3, работа организована как в знаменитой сказке «Теремок»: в тесноте, да не в обиде. В экспериментальном зале площадью всего лишь 90 м2 расположено 10 пользовательских станций, поэтому плотность оборудования здесь просто зашкаливает.
Вверху справа - уникальная первая станция «Детонация», состоящая из взрывной камеры и блока детектирования, в которой можно использовать заряды взрывчатых веществ весом до 50 г
А это уже «живая» история ускорительной физики -бустерный синхротрон Б-4, где идет предварительное ускорение электронных (позитронных) пучков до энергии инжекции (360 МэВ) в накопитель ВЭПП-3. Вероятно, это единственный в мире работающий синхротрон, достигший «антикварного» возраста
¡Я ГОРИЗОНТЫ НАУКИ . Физика
Сегодня в Сибирском центре синхротронного и терагер-цового излучения работает 12 станций синхротронного излучения и 4 станции терагерцового излучения. Основными целями и задачами центра является проведение фундаментальных и прикладных исследований в физике, химии (в том числе катализе), биологии, медицине, экологии, геологии, материаловедении, а также разработка новых методов и технологий и создание специализированных источников излучения и новых экспериментальных станций
далекие от физики археологи, к примеру, могут практически «по-соседски» обратиться к нам и проанализировать любой артефакт, который их заинтересует. Ведь новые знания, как правило, появляются в результате комбинации уникальных пользовательских образцов и адекватных исследовательских инструментов, которые могут быть реализованы с использованием СИ.
Кроме того, у нас создаются и используются методики, которые в принципе затруднительно развивать в больших синхротронных центрах, в том числе из-за административно-организационных ограничений. Примером может служить изучение детонационных процессов с субмиллисекундным временным разрешением в специальной взрывной камере, расположенной прямо на канале вывода синхротронного излучения. Так как синхротронное излучение выходит не сплошным потоком, а в виде коротких вспышек, повторяющих временную структуру коротких электронных сгустков (в нашем случае длительность таких вспышек составляет 1 не, а период повторения - около 100 не), то, изучая особенности взаимодействия такого излучения с веществом, можно определять текущее состояние вещества с соответствующим временным разрешением. То есть за то мгновение, которое продолжается детонация, изучить характер химических процессов, происходящих в зоне движения детонационного фронта, динамику роста детонационных наноалмазов и другие интересные специалистам эффекты.
Первая экспериментальная станция «Детонация» была установлена на накопителе ВЭПП-3, а позже заработала и вторая станция на накопителе ВЭПП-4: в новой камере стало возможным изучать детонацию зарядов с массой до 200 г. Сейчас эта станция модернизируется: на ней планируется изучать влияние мощных лазерных плазменных импульсов на конструкционные материалы. Знания об этих процессах будут востребованы при проектировании будущих термоядерных реакторов.
Постоянно модернизируются и другие пользовательские станции. Так, благодаря установке новых фокусирующих линз удалось улучшить пространственное
разрешение рентгенофлуоресцентного элементного анализа, с помощью которого можно определить не только химический состав образца, но и пространственное распределение отдельных элементов. И хотя в этом направлении мы не можем конкурировать с другими синхротронными центрами, тем не менее и у нас удалось получить ряд интересных результатов. Например, сотрудники из иркутского Лимнологического института СО РАН обнаружили «отклик» элементного состава донных осадков на изменения климата, такие как циклы Миланковича, что позволяет использовать СИ для изучения палеоклимата. Подобные работы сейчас проводятся и на донных осадках алтайских озер, в частности, оз. Телецкое.
Еще один способ изучения состояния вещества в экстремальных условиях (при сверхвысоких давлениях в несколько гигапаскалей и температурах до тысячи градусов) - метод алмазных наковален, при котором образец зажимают между двумя алмазными остриями. Таким способом можно в маленьком объеме добиться сверхвысоких давлений, тем самым моделируя поведение вещества на больших глубинах, в мантии или даже в центре Земли. «Хозяином» этой станции является новосибирский Институт химии твердого тела СО РАН.
Среди последних наших разработок - «метрологическая» станция «КОСМОС», предназначенная для тестирования спутниковой аппаратуры, и «ПЛАМЯ», которая создается совместно с новосибирским Институтом химической кинетики и горения СО РАН и предназначена для проведения исследований таких быстрых химических реакций, как горение.
Однако место ИЯФ в «мире синхротронного излучения» не ограничивается ролью простого участника -в определенной степени он является и его активным строителем. ИЯФ практически стал мировым монополистом по созданию сверхпроводящих вигглеров - мно-гополюсных магнитов, создающих знакопеременное периодическое магнитное поле, которые устанавливаются в прямолинейные промежутки накопителей электронов для повышения интенсивности излучения. При этом новосибирские физики и инженеры обеспечивают весь цикл производства этого очень сложного устройства, от разработки и производства до тестирования и сборки на месте. Сегодня по всему миру, от Австралии и Бразилии до Америки, работает свыше 20 новосибирских вигглеров. Институт разработал, изготовил и поставил сверхпроводящие устройства практически для всех мировых центров синхротронного излучения, включая японский Spring-8, итальянский ELETTRA, канадский CLS, бразильский и австралийский синхротроны и единственный в России специализированный источник синхротронного излучения - Курчатовский синхротрон в Москве.
Новая станция для изучения детонационных процессов в зале СИ ВЭПП-4 рассчитана уже на заряды весом до 200 г.
Радиационный бокс станции «Рентгеновская фазоконтрастная микроскопия и микротомография», работающий на пучках СИ из накопителя ВЭПП-4, сейчас используется для экспериментов по микропучковой терапии раковых опухолей совместно со специалистами ИЦиГ СО РАН (Новосибирск). На этой стадии работы эксперименты ведутся на лабораторных животных
Сейчас институтская группа, занимающаяся вигглерами, переориентируется на производство ондуляторов - сверхпроводящих устройств с большим числом полюсов и малым магнитным полем. В отличие от вигглеров, в этих устройствах излучение от отдельных полюсов идет в когерентном режиме, благодаря чему можно получить монохроматическое излучение с существенно большей спектральной яркостью. В подобных устройствах заинтересованы все современные центры. Например, предварительное соглашение о совместных работах в данной области заключено с британским «БЬ8>>.
Главной проблемой Сибирского центра синхротронного и тера-герцового излучения было и остается отсутствие собственного специализированного источника СИ, при этом за последние десять лет было предложено, по крайней мере, пять (!) различных вариантов его создания. Все необходимые составляющие для этого, такие как опыт, технологии и производство, в ИЯФе есть. Отсутствует только плановое финансирование.
Этот сверхпроводящий вигглер с магнитным полем до 3 Тл и стоимостью около 1,4 млн евро, ИЯФ СО РАН создал для источника СИ «А1МКА» (Германия). Вся работа заняла около полутора лет. В этом устройстве был впервые использован криостат с косвенным охлаждением магнитной системы, обеспечивающий надежность, экономичность и простоту криогенного обслуживания Подобные вигглеры планируется использовать и в линейном коллайдере С1_1С в ЦЕРНе
Надо сказать, что последний вариант нового источника отличается от всех предыдущих (и отвергнутых) тем, что он максимально экономичен. В проекте предусматривается использовать уже существующий тоннель, где сейчас располагается ВЭПП-3. Также предполагается расширить имеющийся экспериментальный зал, где будут расположены новые пользовательские станции. В качестве излучающих устройств планируется использовать сверхпроводящий вигглер и пару сверхпроводящих дипольных магнитов: специальная магнитная структура кольца будет сочетать предельную компактность с возможностью оптимизации яркости пучков.
В заключение хочется отметить, что за последние десятилетия в мире резко возрос интерес к исследованиям, проводящимся на стыке наук, и в нашем академическом центре сформировалось своего рода мультидисципли-нарное научное сообщество, объединяющее исследователей из институтов новосибирского Академгородка и
других научных центров. Большая заинтересованность этих специалистов в исследованиях, проводимых с использованием СИ, гарантирует нескончаемый поток исследовательских материалов, защит, публикаций и, конечно, предельно эффективное использование всех имеющихся методов и установок. В новом источнике СИ должен быть заинтересован и Новосибирский государственный университет: в нашем синхротрон-ном центре могут проходить практику студенты всех естественно-научных специальностей, как это делается во многих других университетах мира.
ИЯФ давно заслужил право перестать быть «сапожником без сапог», а Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения - получить свой специализированный источник СИ, в котором он остро нуждается. И для этого сейчас нужны лишь плановое централизованное финансирование и политическая воля. Несмотря ни на что, мы сохраняем оптимизм и веру в будущее.
НИКОЛЕНКО Антон Дмитриевич - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (Новосибирск). Автор и соавтор 47 научных работ
Ё I N I I N ё ТЁАI6
Станция синхротронного излучения КОСМОС была создана в 2007 г. в сотрудничестве с Государственным оптическим институтом (Санкт-Петербург). И первой работой, проведенной здесь, стала калибровка «Космического солнечного патруля» - набора спектрометров космического базирования, созданного в этом институте. Эти приборы предназначены для наблюдения за излучением Солнца в мягком рентгеновском и экстремальном ультрафиолетовом (ЭУФ) диапазоне - подобная информация крайне важна для исследований влияния солнечной активности на различные земные процессы, от погодных до биологических. Работать в земных условиях такие спектрометры не могут, поскольку атмосфера не пропускает излучение нужного диапазона, однако тестировать их приходится на Земле.
Так появилась наша станция - маленький кусочек «космического пространства», заключенный в вакуумную камеру, в которую приходит синхротронное излучение от коллайдера ВЭПП-4. Сочетание высокого вакуума и мощных потоков излучения создают в экспериментальных объемах станции условия, сходные с условиями околоземного космического пространства.
Синхротронное излучение обеспечивает поток фотонов в широком спектральном диапазоне - от видимого излучения до жесткого рентгеновского. Чтобы выделить из него фотоны с нужной энергией, на станции установлен монохроматор с дифракционными решетками и многослойными зеркалами. Сейчас мы используем многослойные зеркала собственного
производства, однако в будущем планируется перейти на оптику нижегородского Института физики микроструктур - лидера по производству подобной оптики в России, известного и в мировом научном сообществе. КОСМОС же на сегодня является единственной отечественной станцией синхротронного излучения, работающей для нужд метрологии в мягком рентгеновском и ЭУФ-диапазоне.
Сейчас в нашем экспериментальном «космосе» установлен технологический образец спутникового оборудования московского Института прикладной геофизики (Москва), созданный на НПО «Тайфун» (Обнинск). Этот прибор будет размещен на солнечной панели космической станции, которая обеспечит его постоянную ориентацию на Солнце. Правила космической технической приемки требуют для подобного рода устройств проведения обязательной калибровки, и именно мы даем прибору столь необходимый «билет на спутник». Наша станция также является единственной в России установкой, на которой можно провести подобную калибровку космического оборудования.
Пока мы отрабатываем методику калибровки на опытном образце, но уже к осени ожидается прибытие прибора, который должен отправиться на орбиту.
На станции ведутся и другие метрологические работы: здесь тестируются оптические элементы, работающие в излучении ЭУФ-диапазона, которые могут быть использованы для новейших технологий в производстве наноэлектроники, а также детекторы, предназначенные для наблюдениями за лазерной плазмой в экспериментах по управляемому термоядерному синтезу. Плазма генерирует очень короткие и яркие
Я *г-
Создание космических условий в небольшой по размерам рабочей камере станции КОСМОС требует большой аккуратности и тщательного соблюдения вакуумной «гигиены». Важнейшая часть установки -довольно объемный монохроматор, выделяющий из пучка синхротронного излучения фотоны с требуемой энергией (на фото вверху); на фото внизу - процедура лазерной юстировки золотых фокусирующих зеркал монохроматора
вспышки рентгеновского излучения, и чтобы «не ослепнуть», детектор должен обладать высоким быстродействием и низкой чувствительностью. Такие параметры детектора крайне затрудняют его калибровку на других установках, помимо нашей.
Тот же самый канал вывода синхротронного излучения, на котором установлена станция КОСМОС, используется и для другой станции с «говорящим» названием ПЛАМЯ, которая сейчас создается совместно с новосибирским Институтом химической кинетики и горения. Задача коллег из ИХКиГ СО РАН - собрать установку со встроенной горелкой для получения пламени, установить и запустить анализирующую аппаратуру. Наша - создать пучок синхротронного излучения с нужными параметрами, достаточно мощный и «чистый» по спектральному составу, который будет использоваться как тонко настраиваемый инструмент для выборочной ионизации продуктов горения.
Пламя - это весьма сложное явление: между началом возгорания органики до превращения ее в конечные продукты (в идеальном случае - вода и углекислый газ) происходят тысячи разнообразных химических реакций. Для организации правильного, наиболее эффективного и экологически чистого процесса сгорания необходимо тщательное изучение промежуточных стадий реакции. Обычно для ионизации продуктов реакции используется электронный пучок, однако его частицы недостаточно «выровнены» по энергии, и использование его в качестве тестирующего пучка имеет свои ограничения. Синхротронное излучение в этом смысле существенно отличается в лучшую сторону: с его помощью можно будет прицельно рвать строго определенные химические связи внутри молекул, что даст возможность не только определять химические вещества, образующиеся в ходе горения, но даже различать изомеры одного и того же состава!
Наше ПЛАМЯ станет третьей такой синхротронной станцией в мире после США и Китая и первой в России. Как ожидается, первым исследуемым объектом станет биодизельное топливо - возобновляемый энергоноситель, не нарушающий баланса парниковых газов в атмосфере.
Станция ПЛАМЯ, в силуэте которой романтики усматривают сходство с конем, была разработана в ИХКиГ СО РАН и сейчас находится в стадии сборки. Работы по ее созданию начались два года назад, а первые измерения планируется получить уже ближайшей осенью. Все детали, устанавливаемые внутри станции, требуют тщательной промывки спиртом. А поскольку важной составляющей установки является вакуум, то во время работы постоянно требуется напряжение в 4 кВ для работы насосов и жидкий азот - для вакуумных ловушек.
Станция будет выходить на рабочий режим в течение 10-12 ч
1
Öäeiä lääiTäT aTeTnä
Рентгенофлуоресцентный элементный анализ органических материалов с использованием синхротронного излучения, примененный к археологическим находкам, дает возможность приоткрыть завесу тайны над жизнью народов, давно ушедших с исторической арены.
К таким народам относятся древние пазырыкцы: «замерзшие» могилы этой культуры, датируемые концом IV— началом III в. до н. э., были открыты в 1990-х гг. на плато Укок Республики Алтай (Полосьмак, 1994, 2001; Молодин, 2001). В истории археологии подобные погребения представляют собой поистине редкую и драгоценную находку, так как в толще древнего льда прекрасно сохраняется все содержимое могил, включая человеческие мумии и предметы из органики. Среди поразительных находок из пазырык-ских курганов особо следует отметить волосы и ногти погребенных людей, элементный состав которых может служить своего рода «химической» летописью их жизни, подобно годовым кольцам дерева.
Данные анализа волос древних пазырыкцев из могильников Ак-Алаха 3 и Верх-Кальджин 2 показали аномально высокое содержание меди и соотношение Cu/Zn на фоне большой половозрастной изменчивости (Polosmak et. al., Trunova, Zvereva, 2010). Наименьшая концентрация этого элемента была зафиксирована у детей, самая большая - у мужчин. Как известно, избыток меди в организме может провоцировать такие серьезные нарушения здоровья, как диабет, атеросклероз, болезни печени, болезнь Альцгеймера и другие нейродегенеративные нарушения. Не исключено, что именно этот фактор внес свою лепту в продолжительность жизни пазырыкцев, которая предположительно не превышала сорока лет.
Но откуда бралась эта избыточная медь? На основе имеющихся данных была выдвинута гипотеза, что причина этого явления крылась не в условиях окружающей среды, а в культурной традиции воскурения конопли из бронзовых курильниц, что и было подтверждено анализом конопли
Археологические материалы позволяют реконструировать процесс воскурения конопли в древности, который, по словам Геродота, проходил в «скифских банях». Шатер представлял собой шерстяной войлок, натянутый на деревянную треногу, а конопля находилась в бронзовой курильнице вместе с горячими камнями. При медленном тлении конопли образовывались пары, содержащие токсические металлоорганические компоненты. Рис. Е. Шумаковой
ТРУНОВА Валентина Александровна — кандидат химических наук, старший научный сотрудник Института неорганический химии им. А. В. Николаева СО РАН (Новосибирск)
ПОЛОСЬМАК Наталья Викторовна — член-корреспондент РАН, доктор исторических наук, главный научный сотрудник Института археологии и этнографии СО РАН (Новосибирск). Лауреат Государственной премии РФ (2004)
Станция рентгенофлуоресцентного элементного анализа в ИЯФ СО РАН (Новосибирск)
В медном котелке из 2-го пазырыкского кургана были обнаружены обугленные семена и веточки конопли -следы воскурений (внизу). Государственный Эрмитаж.
Слева - реконструкция Д. Позднякова (Новосибирск)
из курильницы, обнаруженной в одном из больших Пазырыкских курганов. Вдыхая пары конопли, люди постепенно отравлялись парами меди, а более высокие концентрации меди в волосах мужчин свидетельствуют о более высокой частоте и длительности воскурений в течение жизни.
Совсем иные результаты были получены при анализе волос и других органических материалов из курганов хунну в горах Ноин-Ула в Северной Монголии. В этих образцах были обнаружены увеличенные концентрации ряда металлов: меди, железа, марганца. В отличие от «замерзших» могил пазырыкцев, все предметы из хуннских захоронений долгое время находились в жидкой озерной глине, использованной при постройках кургана. Комплексные исследования с помощью ряда методик с использованием синхротронного излучения показали, что в данном случае во влажной среде произошел перенос химических элементов от металлических вещей в органические материалы, находящиеся по соседству (Тгипоуа е£ я/., 2014; 2015).
£0РИЖШэ1 НАУКИ»Физика
ПОЛОСЬМАК Наталья Викторовна -член-корреспондент РАН, доктор исторических наук, главный научный сотрудник Института археологии и этнографии СО РАН (Новосибирск). Лауреат Государственной премии РФ
КУПЕР Константин Эдуардович -кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН и ЦКП «Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения»(Новосибирск)
I аёёбй ёёё бб^ёё абТаа?
В некоторых курганах хуннской знати, захороненной в горах Ноин-Ула на севере Монголии, были обнаружены необычные металлические стержни, по виду медные, назначение которых стало предметом спора археологов. На фото - стержни из 20-го ноин-улинского кургана, обнаруженные Российско-Монгольской арехологической экспедицией в 2006 г.
Высокая проникающая способность рентгеновского излучения дала исследователям уникальный инструмент для исследования объектов без их разрушения, поэтому такие исследования часто являются единственным способом изучения внутреннего строения объектов в таких областях науки, как медицина, геология, археология и др. В том числе рентгеновская микроскопия позволила получать данные о структуре объекта с микронным и субмикронным разрешением за доли секунды. В Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (Новосибирск) рентгеновской микроскопией с использованием синхротронного излучения начали
заниматься еще в 1970-х гг., однако экспериментальная установка «Рентгеновская фазоконтрастная микроскопия и микротомография» на основе современных цифровых детекторов и рентгенооптических элементов, позволивших существенно поднять пространственное разрешение, заработала с 2005 г.
Используя комплекс методик, включающий в себя рентгеновскую и электронную сканирующую микроскопию, а также рентгеноструктурный анализ были исследованы одни из наиболее загадочных предметов, обнаруженных в курганах хунну - массивные медные стержни, закругленные на концах.
Этот металлический стержень был найден в 22-м ноин-улинском кургане на полу внутренней погребальной камеры под слоем шелкового текстиля. Раскопки 2012 г.
Первый исследователь ноин-улинских курганов П. К. Козлов не оставил в своих отчетах и дневниковых записях никаких предположений насчет этих металлических предметов. Позднее А. Н. Бернштам, а вслед за ним и С. И. Руденко посчитали их бронзовыми палицами «чи» - оружием для ближнего боя, описание которого имеется в письменных китайских источниках (Руденко, 1962). Недавно на основе результатов раскопок кургана хунну в пади Царам в Забайкалье было высказано предположение, что эти стержни представляют собой «поручни», которые с помощью «кожаных шнуров крепились к стенкам гроба, для чего в гроб были вбиты железные кольца с шипом» (Миняев, 2010, с. 18). К настоящему времени многие археологи согласились с этим мнением, хотя до сих пор некоторые исследователи продолжают считать эти артефакты предметами вооружения хунну: «такой булавой можно было нанести оглушающий удар противнику по голове» (Никоноров, Худяков, 2004, с. 64).
Раскопки ноин-улинских курганов, проводившиеся в последние годы, не прояснили, а только усложнили ситуацию. Так, в 2012 г. аналогичный медный стержень был найден на полу внутренней погребальной камеры под слоем шелкового текстиля. И хотя в этом кургане гроб сохранился полностью, никаких следов отверстий или железных колец на его стенках не было обнаружено (Полосьмак и др., 2013). Впрочем следы крепления поручней на стенках гроба не были обнаружены и в случае других известных находок гробов в могилах хунну, хотя подобные металлические стержни обнаруживаются практически во всех элитных погребениях хуннской знати.
Признание этих предметов в качестве поручней гроба никак не поясняет тот факт, что для их изготовления применялась очень сложная технология: под внешней бронзовой оболочкой в них прячется железная сердцевина, что отмечал еще С. И. Руденко. Кроме того, в двух погребениях были обнаружены лишь тонкие железные стержни без медной оболочки (Полосьмак, Богданов, 2009; Treasures.., 2011). Авторы последней находки высказали предположение, что «этот железный прут, возможно, имеет отношение к железным прутам, покрытым бронзой, найденным в других элитных хуннских
25
Металлический стержень из 22-го ноин-улинского кургана хунну имеет стальную сердцевину и медную оболочку. Как показало комплексное исследование, медь была нанесена заливкой из расплава в отливочную форму, при этом внутренний стальной прут был зажат с торцов между двух чугунных пластин, о чем свидельствуют отверстия на закругленных концах стержней
/i'lMVji'riv'i'-;.-
ti:
погребениях, но назначение этих прутьев все еще обсуждается» (Miller et. al., 2009, p. 309).
Исследование уникальных находок с использованием синхротронного излучения показало, что медь, покрывающая артефакт, была нанесена заливкой из расплава в отливочную форму, о чем
свидетельствуют наплавы на внутренней стороне изделия. Пористая структура оболочки свидетельствует о фактически моментальном затвердевании меди в теле отливочного тигля. При этом внутренний стальной прут был зажат с торцов в отливочной форме между двух чугунных пластин.
На основе рентгеноструктурного анализа во внутреннем стальном пруте было определено соотношение фаз цементита (карбида железа Fe3C) и феррита (a-Fe) и, соответственно, содержание углерода в стальном стержне, которое варьировало в диапазоне 0,1—0,4%. Абсолютно разнонаправленная ориентация кристаллитов феррита и цементита свидетельствовала об отсутствии механических напряжений в образце.
В составе стальной сердцевины были обнаружены небольшие (менее 0,1%) примеси марганца, никеля и меди, а в составе оболочки - небольшие примеси серебра (0,5%), свинца (0,3%), сурьмы и олова (не более 0,1 %). Наличие этих примесей вполне характерно для железных и медных руд.
В медной оболочке были отмечены микровключения сульфида меди (Cu2S) округлой оплавленной формы с характерными размерами в 20-30 мкм. Сульфид меди распространен в природе в виде минерала халькоцита, который, очевидно, и был использован в качестве руды. Для получения меди из измельченной халькоцитной руды необходима продувка кислородом при температурах 1200-1300 °С, что подразумевает наличие сложного металлургического производства, включая специально оборудованную печь, оснащенную мехами (Hauptmann, 2000).
Микровключения, обнаруженные в образцах стали (вюстит, фаялит и аморфизованный кварц), представляют собой остатки шлака и характерны для производства кричного железа (Buchwald et. al., 2000). Фаялит присутствует во включениях в виде рекристаллизовав-шейся из расплава фазы с примесями оксидов щелочных и щелочно-земельных металлов, а поскольку температура его плавления лежит в пределах 1100-1200 °С, этот факт говорит о том, что железо было получено в тех же температурных условиях, что и медь.
Все включения имеют характерную ориентацию вдоль жезла, что, очевидно, обусловлено направлением проковки стального стержня. Обычно при изготовлении кованого железа науглероживается в основном внешняя сторона, поэтому содержание углерода в стали имеет характерную направленность и падает в центре изготавливаемого предмета. Однако в нашем случае этого не наблюдается, поэтому можно предположить, что стержень был перекован из другого стального предмета.
К сожалению, даже такая детальная информация об этих таинственных артефактах не позволила точно установить их назначение. Интересно, что ни в одном из погребений ханьского времени на территории Китая таких биметаллических предметов обнаружено не было, а упоминаний про «ручки гроба» нет и в китайских письменных источниках. Поэтому не исключено, что они были принадлежностью исключительно культуры хунну и изготавливались только для них. С другой стороны, назначение этих предметов могло быть вполне утилитарным: гробы опускались в глубокие шахты элитных могил с помощью лебедки и, возможно, эти изделия являлись частью конструкции из веревок и ремней, поддерживающих гроб в нужном положении. После установки гроба в погребальной камере стержни вместе с ремнями оставались рядом с ним. Во многих культурах все предметы, использованные в погребальном обряде, остаются в могиле - их возвращение в мир живых считается опасным.
Литература
Козлов П. К. Дневники Монгола-Тибетской экспедиции 1923—1924//Научное наследие. Т. 30. СПб.: Наука, 2003. 1037 с.
Руденко С. И. Культура хуннов и ноин-улинские курганы. М.;Л.: Изд.-во АН СССР, 1962. 203 с.
Полосьмак Н. В., Богданов Е. С., Цэвээндорж Д. Двадцатый ноин-улинский курган. Новосибирск: Инфолио, 2011. 184 с.
Полосьмак Н. В., Богданов Е. С. Исследование ноин-улин-ского кургана №31 (Северная Монголия)//Проблемы археологии, этнографии, антропологии Сибири и сопредельных территорий. Материалы Годовой сессии Ин-та археологии и этнографии СО РАН. Новосибирск: Изд-во ИАЭТСО РАН, 2009. Т. XV. С. 372-376.
