Автор: Румянцев А. Ю.

Если заставить заряженную частицу двигаться по круговой орбите в магнитном поле, перпендикулярном плоскости орбиты, то в направлении по касательной она начнет испускать электромагнитные волны, т.е. фотоны. Это излучение называется магнитотормозным, или синхронным.

Особый интерес представляют частицы, летящие с релятивистской скоростью (сопоставимой со скоростью света). В этом случае почти все испускаемые фотоны движутся в плоскости орбиты; и чем выше ее энергия, тем меньше их (фотонов) расходимость. Таким образом, получается, что источником синхротронного излучения может служить кольцевой ускоритель заряженных частиц, расположенный в перпендикулярно направленном магнитном поле. О характеристиках и возможностях этих установок рассказал директор Российского научного центра "Курчатовский институт" член-корреспондент РАН А. Ю. Румянцев.

Схематично их работа выглядит следующим образом. Электроны

стр. 15

(именно они, а такте позитроны способны обеспечить максимальную яркость излучения), выпущенные электронной пушкой, сначала разгоняются на линейном ускорителе, затем на промежуточном кольцевом синхротроне-бустере, а окончательное их ускорение до необходимых энергий происходит на накопительном кольце.

Только для того, чтобы энергия испускаемых квантов составляла около 100 кэВ, электроны (позитроны), в свою очередь, должны обладать несколькими миллиардами электрон-вольт. У синхротронного излучения есть очень важная особенность - его спектр является сплошным, причем перекрывает диапазоны энергий от оптической области до жесткого рентгеновского и даже гамма-излучения. Последнее обстоятельство было выяснено еще в 1946 г. отечественными учеными академиками Л. А. Арцимовичем и И. Я. Померанчуком.

Кольцевые ускорители заряженных частиц в ведущих исследовательских центрах мира начали сооружать в начале 60-х годов. У нас первые синхротронные источники на встречных электрон-позитронных пучках построили под руководством академика Г. И. Будкера в Институте ядерной физики, ныне носящем его имя (г. Новосибирск.). А в 1999 г. в РНЦ "Курчатовский институт" заработал целый комплекс таких ускорителей. Он находится в здании длиной 80 и шириной 70 м. Здесь электроны из инжектора попадают в линейный ускоритель, где разгоняются до энергии 100 МэВ, а затем в малом накопительном кольце - до 450 МэВ.

Последнее уже само по себе является отдельным специализированным источником излучения и называется "Сибирь-1". Пучки фотонов, выходящие из него, в диапазоне энергий вакуумного ультрафиолетового излучения выводят в малый экспериментальный зал, укомплектованный различными установками. Далее электроны поступают в большое накопительное кольцо "Сибирь-2", где ускоряются до энергии 2,5 ГэВ. Это позволяет им давать синхротронное излучение, соответствующее жесткому рентгеновскому диапазону. Поток таких квантов выводят в большой зал, где находятся более 20 экспериментальных установок. Весь этот комплекс расположен внутри мощной бетонной биологической защиты, обеспечивающей безопасность персонала.

Приведем краткие сравнительные характеристики накопительных колец "Сибирь-1 и 2" (соответственно): энергия электронов - 0,45 и 2,5 ГэВ; длина окружности орбиты - 8,7 и 124,13 м; критическая энергия квантов - 0,21 и 7,1 кэВ; количество каналов из поворотных магнитов - 8 и 24; время жизни электронного пучка в кольце - 4и 10 ч.

Проектирование и строительство такого гигантского комплекса стало возможным только при участии больших коллективов ученых различных институтов в течение многих лет. Работы начали еще в начале 80-х годов XX в. под руководством академиков А. П. Александрова и Ю. М. Кагана, основная же тяжесть реализации проекта легла на плечи академика С. Т. Беляева.

Большую помощь в создании синхротрона оказал Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера. Именно здесь спроектировали большое и малое накопительные кольца (отсюда и названия - "Сибирь- 1 и 2"). Активную поддержку в выполнении задуманного оказала РАН, а также Министерство по атомной энергетике РФ, а на заключительном этапе - Министерство промышленности, науки и технологий РФ, где координирующую роль выполняла научная программа "Синхротронное излучение, лучевые применения" под руководством академика А. Ф. Андреева. Сейчас на базе нового детища в РНЦ "Курчатовский институт" организовали центр коллективного пользования.

Далее А. Ю. Румянцев подробно остановился на характеристиках самого синхротронного излучения и дал краткий обзор его возможностей в исследовании конденсированных сред.

Во-первых, отметил ученый, у этого излучения необычайно широкий сплошной спектр. Он охватывает радиоволны сверхвысокой частоты, инфракрасную область, видимый свет, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи, фотоны сверхвысоких энергий. Во-вторых, ему свойственна очень высокая яркость. Скажем, в рентгеновском диапазоне она на 7-10 порядков превосходит рентгеновские трубки. Кроме того, применяя встраиваемые устройства, создающие знакопеременные магнитные поля вдоль траектории движения электронов (позитронов) на прямолинейных участках, можно увеличить яркость излучения еще на несколько порядков.

Итак, уникальные характеристики синхротронных источников, в первую очередь огромная интенсивность электромагнитного излучения, существенно улучшили экспериментальные возможности в традиционных направлениях изучения вещества в оптическом и рентгеновском диапазонах. Исследуя, допустим, человеческий волос (толщина 20 мкм) пучком излучения, сфокусированным до 1 мкм, можно по его срезу "просмотреть" несколько десятков точек и с помощью рентгеновского флуоресцентного анализа определить не только элементный состав, но и расположение идентичных слоев материала. В таком эксперименте четко регистрируются концентрические окружности, в которых видны калий, медь, цинк, сера. Тот же метод, хотя и косвенно, применим при изучении обмена веществ в организме человека.

А вот иной пример - из области микротехнологий. На подложку наносят слой чувствительного к рентгеновским лучам вещества (обычно полиметилметакрилат) и облучают его пучком синхротронного излучения через специальную маску, изготовленную методом микроскопии. Поскольку рентгеновские кванты имеют большую энергию, а пучок - высокую интенсивность, излучение проникает на значительную глубину - до долей миллиметра. Затем облученный слой вытравливают и после металлизации получают литейные формы для изготовления деталей, конфигурация которых определена маской. Это мо-

стр. 16

гут быть шестерни, трубки, валы, сложные камеры и т.д. Затем из них собирают полноценные электродвигатели, насосы, рычажные механизмы, но размером в пределах одного миллиметра.

Помимо прикладного применения, развитие синхротронных методов изучения вещества стимулировало новые направления фундаментальных исследований, в том числе с конденсированными средами, находящимися под высоким давлением. Именно в таких условиях синтезируют сверхтвердые материалы, решают задачи геофизики и изучают физику взрыва. Достижения в этой области знаний весьма значительны. Если в конце 40-х годов можно было создать давление в несколько тысяч атмосфер, то к концу 70-х эта величина перевалила миллионный рубеж. Попадая в подобные условия, вещество кардинально меняет свои характеристики. Это касается даже электронной конфигурации элемента, являющейся своего рода исходной точкой для построения всей физики твердого тела.

В последнее время появилась реальная возможность экспериментально исследовать структуру и свойства вещества в условиях, существующих в центре нашей планеты (давление около 3 Мбар и температура приблизительно 5000 К). Кроме того, удалось смоделировать процессы, происходящие на границе металлического ядра и мантии, изучить не только сжимаемость основного материала ядра Земли - железа - при 3 Мбар (пока достигнуто только такое давление), но и воспроизвести реально существующую там ситуацию одновременного воздействия гидростатического давления и неодноосного сжатия.

А группа физиков США и Франции, используя синхротронный источник, обнаружила новую кристаллическую фазу двуокиси углерода, существующую при давлении свыше 500 кбар. Она имеет структуру нитрида бора и обладает очень большой твердостью.

Если говорить об изучении вещества в принципе, то наиболее перспективны комбинированные исследования структурных, магнитных и электронных характеристик. Подтверждением этому служит цикл работ, выполненных в последние два года, посвященных электронным и структурным переходам в отвердевшем кислороде. Изучение рентгеновской дифракции, электросопротивления и магнитной восприимчивости привели к открытию нового физического явления сверхпроводимости в молекулярном кристалле кислорода при давлении 1,2 Мбар и температуре 0,5 К.

Эксперименты подобного класса полностью реализуемы на синхротроне РНЦ "Курчатовский институт". Кроме того, здесь планируют проводить фундаментальные исследования в различных областях знаний: физики, химии, биологии, микромеханики, экологии, медицины и др.

Синхротрон в Российском научном центре "Курчатовский институт". - Вестник РАН, т. 70, N 8, 2000.

Материал подготовил А. К. МАЛЬЦЕВ

Постоянный адрес данной публикации: