Он ће омогућити да се ради на великим открићима у области биологије, хемије, физике, науке о материјалима, чиме ће помоћи развоју високотехнолошких грана индустрије.
Директор Центра за колективну употребу „Сибирског прстенастог извора фотона" (Скиф) и заменик директора Института за нуклеарну физику „Г. И. Будкера“ Евгеније Левичев открио је за Спутњик принцип његовог рада и карактеристике.
Нежељени ефекти убрзања
Научнике често оптужују да су њихова истраживања превише фундаментална и не могу да се користе у пракси. Међутим, развој технике акцелерације је то оповргао. Заиста, велика постројења, чија се цена често пореди са ценом лансирања у космос, направљена су како би се разоткриле мистерије у света. Ова постројења се све чешће користе и за друге врсте задатака. У свету постоје на стотине акцелератора и око шездесет синхротрона.
Синхротрон је кружног облика са вакумском трубом, у којој се убрзавају лако наелектрисане честице као што су електрони.
„Према закону динамике било које наелектрисано тело које се убрзава – зрачи. Што се брже покреће честица то су интересантнија својства зрачења. Прво, приликом убрзања која су слична брзини светлости оне се померају у подручја кратке таласне дужине која представља рендгенски спектар. Друго, појављује се уска трака, електрони не зраче на све стране као што је то случај са антеном, већ у веома оштром конусу у правцу смера кретања, слично као ласер“, објашњава Левичев.
Овај феномен је откривен 1947. године на синхротрону компаније „Џенерал електрик“ из САД. У почетку су открили да постоје нежељени ефекти који честице терају да губе енергију. Током година су схватили да су синхротрона зрачења боља него што их даје рендген. Помоћу њих су и изучили кристалне решетке минерала и рашифровали структуру ДНК.
Синхротрона зрачења су омогућила научна достигнућа и неколико награда Нобел. Научници су могли да дешифрују структуру фермента за синтезу аденозин трифосфат (АТП је у стању да ускладишти и транспортује енергију унутар ћелија). То им је помогло да схвате уређај јонског канала ћелијске мембране, рибозоме, процес синтезе протеина, да открију зелени флуоресцентни протеин и серпентинске рецепторе.
Први синхротрони су предвиђени за зрачење елементарних честица. Сада се извори синхротроног зрачења граде као колективни центри у којима научници из разних земаља истовремено спроводе на десетине експеримената и то бесплатно.
„Направљен је такав начин рада да се научници пријављују, њихове захтеве разматра експертска комисија. Једини услов је да резултати морају бити објављени у облику научног рада. Само комерцијалне компаније често нису спремне да објаве своје податке и плаћају рад научника на лицу места“, изјавио је научник.
Најснажнији синхротрони извор
Најважнија карактеристика Извора за синхротроно лучење (ИССИ) је емитовање и осветљеност.
Левичев је извор упоредио са фењером: „Узмимо као пример да желимо да осветлимо нешто јако ситно. У случају да је извор светлости велики онда ће на објекат пасти мали број фотона и ништа нећемо видети. Значи да је потребан сразмеран извор светлости. Притом, потребно је и да угао под којим се зраци разилазе буде мали, иначе опет неће бити довољан број фотона. Угаона дивергенција (мери интензитет извора или понора векторског поља у одређеној тачки) за одређену величину извора назива се емисија или фазна запремина“.
Осветљеност представља излучивање гама-квантова у секунди. Научницима су потребни извори за синхротроно излучивање јаког осветљења.
Синхротрони прве генерације су имали велику емисију око 300 нанометра по радијану (мерна јединица за угао). Пошто изврше своју мисију, после убрзавања честица они више нису потребни, али могу да послуже у добробит науке. Две такве машине се налазе у Институту нуклеарне физике „Бутер“ – ВЕПП-3 и ВЕПП-4 (контра електрон-позитронским сноповима).
Извори синхротроног излучивања 2. генерације са емисијом од 50-100 нанометра по радијану појавили су се 1980. године. Један од њих је „Киси-Курчатов“ у Москви који су направили новосибирски физичари. Трећа генерација представља један нанометар по радијану, а четврта још мање него трећа генерација.
„Сада боље разумемо законе кретања честица у акцелераторима, правимо елементе на компјутеризованим пољима и развијамо алгоритме управљања. Испројектовали смо машину са емисијом од 75 пикометра по радијану. За сада је то светски рекорд“, наводи физичар.
Нова инсталација је добила име „Скиф“ (Сибирски кружни извор фотона). То је 4+ генерација са снагом на граници могућности физике, који омогућава да се у реалном времену прате брзо пројектујући процеси и значајно убрзају експерименти.
„Ако снимање дифракцијске слике на ИССИ-3 траје око минут, онда ће она на Скиф-у трајати делић секунде. Биће могуће да се снимају рентгенски филмови о узајамном утицају лекова и вируса и хемијске реакције у катализатору", наводи Левичев.
„Скиф" је испред својих претходника и по нивоу кохерентности, када се сви електрони у снопу излучују у једном таласу. За то је одговоран систем магнета или ондулатор. Само у Институту нуклеарне физике их могу претворити у суперпроводнике. Кохерентно излучивање ће омогућити да се направи томографски, односно, детаљан снимак.
„То је јединствена могућност. Научници даље размишљају за које задатке могу још да користе овај метод", приметио је научник.
Научни олимпијци
Физичари Института нуклеарне физике се сматрају једним од најбољих произвођача акцелератора наелектрисаних честица на свету. Оснивач института академик Бункер је још 1960. године научном колективу дао најамбициозније задатке. Тако је Новосибирск ушао у три најбоље лабораторије света где су произведени први акцелератор честица. ВЕП-1 из Института за нуклеарну физику је прадеда Великог нуклеарног акцелератора у ЦЕРН-у. Поред тога, у Институту за нуклеарну физику је активна и експериментална фабрика у којој раде хиљаде људи.
„У време Пересројке, када је финансирање смањено, институт се трудио не само да преживи, већ и да ради у циљу будућих пројеката. Почели смо да радимо на задацима који су потписани са државама целог света. Институт је добио најновије машине. Наша опрема је сада по целом свету од САД до Јапана. Ми смо као спортисти који нон-стоп тренирају. Када смо добили налог да саградимо Скиф ми смо били у веома доброј форми. Ми разумемо процесе који се стварају у таквим акцелераторима, јер имамо одличну опрему", објашњава Левичев.
Одлука да се сагради „Скиф" је донета 2018. године. Федерални истраживачки цетар Института катализатора Руске академије наука. На међународном научно-техничком форуму „Технопром 2021" у Новосибирску је најављен почетак изградње.
Машина има неколико делова. Линијски акцелератор баца снопове електрона у кружни акцелератор-бустер који је малих размера. Тамо се честице убрзавају скоро до брзине светлости и долазе до сонхротрона у којем се смештају у величини у скоро пола километра. Одатле полази на десетине канала у станице. Целокупна апаратура се налази на копну.
Сноп лети кроз металну цев, која је унутра покривена непропусним гетерими (материјал у коме се постиже велики вакум). У цеви се налазе виглери и однулатори који чине систем магнета. Он омогућава да се оформи сноп и да му се доделе одређена својства. У каналима за издвајање се налазе алати за електронско и оптичко фокусирање. Мора се истаћи да није лако управљати рентгенским фотонима с обзиром да они пролазе кроз материјал. Међутим, у Русији се праве и уникатна сочива и многослојна огледала која одбијају рентгенске снимке и формирају сноп правилног облика.
План је да се саграде још два ИССИ под руководством Научног истраживачког центра „Курчаковски институт" на Далеком истоку и у Подмосковљу у Протвину (на шест гигаелекрон волта). „Скиф" има специфичне параметре. Он ће опслуживати око педесет института у Новосибирској области који раде на истраживањима у сфери биологије, физике, хемије, геологије и археологије.
Инсталација великих размера привлаче научнике из целог света. Током пандемије ковида 19 порастао је интерес да се ИССИ користи за изучавање вируса и других микробиолошких честица. Институту је у најкраћем могућем року морао да испланира и део за Државни научни центар вирусологије и биотехнологије „Вектор", а уједно и раде на стварању дигиталног „Скифа".