Представьте гоночный автомобиль, который за одну секунду успевает семь раз обогнуть Землю. Примерно с такой скоростью — почти 300 тысяч километров в секунду — движутся электроны внутри Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ). Рассказываем, как ученые планируют с его помощью создавать новые лекарства, исследовать горные породы и путешествовать во времени.
Ускоритель в четвертом поколении
Первые советские синхротроны появились в середине XX века. С их помощью физики пытались разобраться, из чего состоит материя и как взаимодействуют ее мельчайшие частицы — электроны и позитроны. Для этого их разгоняли почти до скорости света, направляли по кольцу и сталкивали друг с другом. На поворотах электроны слегка «притормаживали» и испускали мощное рентгеновское излучение.
Сначала это излучение было побочным явлением, но биологи, химики и физики быстро нашли ему применение. Рентгеновские лучи подходили для изучения внутренней структуры самых разных объектов — от белков до горных пород.
Новые поколения синхротронов создавали специально для получения все более яркого пучка фотонов. Результатом этой эволюции стал СКИФ — первый в России ускоритель поколения 4+, способный исследовать объекты размером в несколько нанометров и наблюдать процессы длительностью в миллиардные доли секунды.
Полкилометра ради одного луча
Со стороны СКИФ напоминает большую научную фабрику. В ее центре — комплекс из трех установок. Сначала электроны проходят через линейный ускоритель — стартовую полосу, где их собирают в пучок и разгоняют. Затем наступает очередь бустерного синхротрона — кольца длиной 158 метров, в котором за полсекунды частицы набирают почти световую скорость. Последний этап — кольцевой накопитель длиной 476 метров: здесь тысячи магнитов удерживают поток электронов на нужной траектории.
Вокруг ускорителя расположены семь экспериментальных станций. К ним по специальным линиям поступает рентгеновское излучение. Умная оптика из синтетических алмазов собирает его в тонкий луч и «отбирает» фотоны с нужной энергией. Так рентгеновский свет настраивают под конкретный образец и задачу.
За счет присутствия частиц железа размером в десятки нанометров катализатор лучше распределяется в нефтяном пласте и позволяет добиться более равномерного и стабильного нагрева. Частицы железа, поглощая СВЧ-излучение, прогревают пласт и передают тепло катализатору, ускоряя химические реакции преобразования и тем самым дополнительно снижая ее вязкость.
Алексей Гоголев
Кандидат физико-математических наук, проректор по науке и стратегическим проектам Томского политехнического университета
Специальные оптические линии дают возможность управлять пучком фотонов: отклонять, фокусировать и направлять на исследуемый объект. Так его словно просвечивают насквозь и получают картину внутренней структуры. По сути, СКИФ — это огромный рентгеновский микроскоп, с помощью которого можно изучать объекты на уровне отдельных молекул или даже атомов.
Такая точность требует особых условий. Внутри накопительного кольца поддерживают сверхвысокий вакуум, а для каждого магнита разработан собственный источник питания, чтобы ток оставался стабильным. Внешние вибрации гасят 50 тысяч свай под фундаментом. Строго контролируют и температуру: даже небольшое тепловое расширение металла способно сместить электронный пучок и повлиять на результаты эксперимента.
Видеть сквозь камень
Рентгеновское «суперзрение» СКИФа планируют использовать для изучения горных пород — с его помощью геологи смогут детально исследовать их внутреннее строение.
«Благодаря разрешающей способности СКИФа мы увидим тончайшие поры, пустоты и капилляры, в которых может находиться нефть. Проследим за тем, как она взаимодействует с разными вытесняющими жидкостями. Пучок фотонов покажет структуру образца с детализацией, недоступной обычной компьютерной томографии», — рассказал Михаил Фомин, кандидат геолого-минералогических наук, руководитель направления геологии нефти и газа Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН.
Фотоны способны заглянуть не только внутрь породы, но и в ее прошлое. По словам Михаила Фомина, на СКИФе можно будет точно определять минеральный состав образцов. Эти данные помогут восстановить историю конкретного месторождения, точнее спрогнозировать расположение запасов в недрах и подобрать подходящие технологии их добычи.
Новые лекарства и путешествие в мир квантов
Наблюдать скрытые процессы напрямую, а не судить о них по результатам — одна из главных возможностей СКИФа. Например, физики наконец-то смогут рассмотреть квантовые точки — крошечные кристаллы из тысяч атомов. Их применяют в электронике, лазерах и солнечной энергетике для преобразования энергии света.
Квантовые точки — очень сложные объекты, и пока мы понимаем происходящие в них процессы лишь в общих чертах. Сейчас ученые наблюдают их свечение и на его основе строят теории о том, что происходит внутри. При помощи СКИФа мы рассчитываем пронаблюдать все процессы напрямую, установить между ними взаимосвязи, понять особенности и правила.
Андрей Наумов
Член-корреспондент РАН
В медицине и биотехнологиях возможности СКИФа планируют применять для разработки новых лекарств, методов терапии, вакцин и противовирусных препаратов.
«Мы сможем в реальном времени видеть, как устроен тот или иной новый вирус, какова его структура, как он взаимодействует с клетками человеческого организма и как ему в этом помешать», — рассказал младший научный сотрудник направления «Биология и биомедицина» ЦКП «СКИФ» Егор Укладов.
Первые эксперименты на СКИФе стартовали осенью 2026 года. Здесь уже изучают горные породы, структуру новых материалов и даже ищут следы знаменитого Тунгусского метеорита. Ожидается, что ежегодно в научном центре будут работать около двух тысяч ученых.
Хотите узнать больше? ИИ-ПОИСК поможет разобраться.
