Мегаоптика для мегасайнс

Поговорим немного о вашем проекте в сфере синхротронных исследований. Когда, где и благодаря кому начались работы по изучению и изготовлению оптики для синхротронных установок. Какие научные и повседневные задачи она решает?

Начну с того, что сама рентгеновская оптика возникла, как только Вильгельм Конрад Рентген открыл рентгеновские лучи. Он попытался сделать линзы, понимая, что ему предстоит работа с электромагнитным излучением, но у него ничего не получилось. К сожалению, Рентген выбрал неправильный подход и сделал заключение, что места для рентгеновских линз в рентгеновском излучении нет.

Чем же вообще привлекает внимание рентген? Он проходит сквозь то, во что не может проникнуть видимый свет. Именно поэтому после его открытия сразу же начали просматривать кости и даже предметы одежды и быта — например, обувь для детей, и в обувных магазинах довоенной Германии даже ставили рентгеновские аппараты – педоскопы, чтобы родители могли проверить, жмут или не жмут чаду его новые ботиночки. Ребенка ставили на «рентген», просвечивали и выбирали, что же он все-таки будет носить.

Рентген стал именно первой возможностью посмотреть, что внутри. Понятно, что его применение было особенно актуально для медицины, науки, а также технологий и промышленности, связанной с конструкционными материалами. Но это были первые опыты на обычных рентгеновских трубках, которые находились, например, в лаборатории или в медицинском кабинете.

Основной же принцип генерации рентгена заключался в следующем. Электронный пучок бьет по мишени, затем он тормозится, и из-за этого возникает излучение. Так было до 40-х годов ХХ века. Американские специалисты установили: когда заряженные частицы гоняют на ускорителях - синхротронах, появляется электромагнитное излучение, включая рентгеновское. Этому открытию сначала не придали значения, а излучение отнесли к «паразитному». Но где-то в 70-х годах прошлого века в мире возникло понимание, что синхротронное излучение может быть очень полезно. Именно в те годы произошел толчок, который показал, что рентгеновское излучение в синхротронах намного ярче и сильнее, чем в рентгеновских трубках. В Советском Союзе все бросились в Новосибирск, оказавшийся в "передовом отряде", где были Англия, Америка, Япония и Европа (где синхротронные установки расположились в Гамбурге и Париже). В новосибирском центре – в Институте ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН создали даже не один, а несколько синхротронов, где проводились исследования в области ядерной физики. Они были предназначены для проведения исследований в области физики высоких энергий, чтобы в кольце ускорителя разгонять заряженные частицы -электроны и позитроны- до скорости света, а потом сталкивать их между собой и получать в результате этого определенные реакции и открывать новые частицы.

Тогда все поняли, что синхротроны необходимо использовать. Их стали делать только для того, чтобы использовать именно излучение — не для физики высоких энергий и исследований в этой области, а как источник под рентгеновскую диагностику, а также медицинские и повседневные человеческие задачи. Это были синхротроны второго поколения. [Первое поколение — синхротроны, построенные для экспериментов по физике высоких энергий, где синхротронное излучение было побочным явлением. На этих установках впервые начали отрабатываться методики применения синхротронного излучения в научных исследованиях — ред.] В России были построены две подобные машины, одну из которых запустили в Курчатовском институте. Это был единственный, но вполне приличный и эффективный синхротрон. Далее мир сдвинулся еще и в третье поколение — диаметр окружности кольца увеличился, а длина каналов достигала почти километра. Каждая станция третьего поколения и ее излучение использовались для определенного класса задач (например, для расшифровки белков для лекарств). Это стало одним из мощнейших инструментов для проведения важнейших исследований в разных областях науки.

Чем уникальна оптика для установок класса "мегасайенс", в частности — для синхротронов?

Традиционно рентгеновской оптикой в Советском Союзе занимались сильные группы ученых — в Московском регионе, в Ленинграде и в Сибири. Мы, в свою очередь, начали эту деятельность в Черноголовке, в Институте физики твердого тела РАН (ИФТТ РАН), а далее на базе Института проблем технологии микроэлектроники (ИПТМ РАН). Мы применили новые методы микротехнологий и создали первые уникальные элементы для рентгеновского излучения, нацеленные на синхротронное излучение.

В это же время в 1992 году был создан европейский исследовательский центр во французском Гренобле ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) с ускорительным центром, источником синхротронного излучения третьего поколения. При этом выбор оптики, которая была бы совместима со столь уникальным оборудованием, был ограничен. Со своей первой разработкой, которая называлась Брэгг-френелевской оптикой, мы как раз попали в тренд.

Исследования и разработки в области рентгеновской и синхротронной оптики мы проводили вместе с моей женой Ириной. Знакомство с ней произошло еще в студенческие годы. Мы вместе окончили один университет МИСИС, вместе работали в Институте проблем технологии микроэлектроники (ИПТМ РАН) в Черноголовке, и нам вместе посчастливилось оказаться в Гренобле на синхротроне ESRF в рамках стипендии Гумбольдта.

Мы приняли участие в использовании этого синхротрона с первых дней его запуска, как только полетел первый рентгеновский пучок, поставили нашу оптику и обнаружили массу интересных вещей, которые происходят при взаимодействии синхротронного излучения с веществом и c самой оптикой. Оказалось, что подобно лазерному свету, это излучение является когерентным — включаешь лазер, генерируешь когерентный пучок, и, вместо ровного освещения видишь, как все вокруг мерцает и мигает, образуются спеклы, потому что происходит интерференция на поверхностях оптики и окружающих ее предметах. Это был настоящий прорыв по развитию новых методов радиографии, с использованием интерференции света и формирования изображения с помощью фазового контраста. Такой подход увеличивает чувствительность изображения в сотни и даже тысячи раз по сравнению с традиционными методами, основанными на поглощении излучения, о чем мы упоминали выше.

В 1995 году мы опубликовали первую работу, которая положила начало развитию методов фазово-контрастной имиджинга, включая микроскопию и томографию, и стала самой цитируемой нашей публикацией.

Следует заметить, что в основе природы такой когерентности излучения лежит просто малый размер самого источника – области излучения, которая измеряется десятком микрон. Это в несколько раз меньше человеческого волоса. К этому предельно малому параметру добавляется и сверхмалая расходимость самого пучка излучения, которая определяется уникальными свойствами излучателей – электронов, которые летят со скоростью близкой к скорости света и излучают рентгеновский свет в очень узком угловом интервале, опять же подобно лазеру. На расстоянии 100 м от источника излучение едва выходит за границу миллиметрового пятна. Например, в обычном рентгеновском аппарате, в том же в медицинском кабинете пучок светит, почти как лампочка — у вас есть специальное окно, в котором видно, как просвечивается та или иная область человеческого тела, и вы выбираете нужную область просто экранами, чтобы вырезать этот пучок.

Собственно это свойство малой естественной расходимости позволило нам обратиться к линзам, которые забраковал сам Рентген, так как ошибочно полагал, что линзы должны быть выпуклыми как лупы, с которыми очень часто играют дети и прожигают с помощью солнечного света дырки в бумаге или выжигают что-нибудь, например, на дереве. Но выпуклые линзы не работают для рентгена, так как он имеет обратную природу и для фокусировки надо сделать вогнутые линзы или просто круглые дырки в прозрачном для рентгена материале. Что мы и сделали, насверлив несколько десятков дырок-линз в алюминии. Результаты опубликовали в «NATURE» в 1996 году. Это произвело научный взрыв, скачок в направлении развития преломляющей рентгеновской оптики, которая с этого момента заняла практически все синхротроны второго, третьего, а теперь уже, и четвертого поколения. Надо понимать, что для получения высокого субмикронного разрешения от простого сверления необходимо переходить к более точной технологии, и делать параболический профиль линз, к примеру, методом прецизионного механического прессования, или использовать уникальные методы микроструктурирования, развитые в микроэлектронике.

Оптика, на мой взгляд, является вторым главным элементом или блоком на любом синхротроне, то есть — источник это самый главный элемент, оптика — вторая важная часть, а третья часть – детекторы - осуществляет уже саму запись, регистрацию излучения.

Как правило, используются зеркала и кристаллы, которые отражают излучение. После 1996 года началось бурное развитие преломляющей оптики. Теперь же получилось, что во многих случаях отражать необходимости нет, так как можно работать на просвет. Сама конструкция экспериментальных станций и установок стала проще, включая и методы диагностики.

Давайте немного поговорим об импортозамещении и использовании вместо зарубежных технологий и материалов российских. Какая оптика используется — наша или зарубежная? Ни для кого не секрет, что ранее ученые сотрудничали с зарубежными странами в этих исследованиях — например, с той же Германией. Опережаем ли мы по технологическим характеристикам мировые лаборатории, в которых также есть синхротронные установки?

Сегодня этим вопросом мы занимаемся в Балтийском федеральном университете им. Канта, в рамках лаборатории, созданной по программе 220 мегагрантов. За 10 лет мы полностью освоили подходы, которые, собственно, и предложили в Европе. Именно поэтому речь здесь идет даже не об импортозамещении, а об уникальной оптике, которую мы же придумали и реализовали вместе с соавторами: с российским ученым из Курчатовского института, Виктором Коном и немецким специалистом Бруно Ленгером, который также проводил исследования в данном направлении. Мы тогда вместе решили, что будет правильно опубликовать работу коллективно. Но, с полной уверенностью, можно говорить, что это российское внедрение, российская инновация, созданная на площадке международного центра, пока в России не было нового синхротрона. Сейчас, благодаря нацпроекту “Наука и университеты”, в нашей стране строится Сибирский кольцевой источник фотонов СКИФ в новосибирском наукограде Кольцово. И мы уже приступили к проектированию и изготовлению преломляющей оптики и устройств на ее основе для первых экспериментальных станций.

Сегодня мы живем в прекрасном времени, когда Россия особенно активно развивает собственные установки класса "мегасайенс" и строит синхротроны уже четвертого поколения, к которым относятся и СКИФ в Новосибирске и проектируемая Курчатовским Институтом суперустановка СИЛА в подмосковном Протвино. Как я понимаю, они будут превосходить те машины, которые были построены ранее в Гренобле (ESRF), Гамбурге (DESY: Deutsches Elektronen-Synchrotron), Чикаго (APS: Advanced Photon Source) и других зарубежных центрах.

Можно сказать, что мы просто вернули линзы на родину и создаем теперь оптику для своих новых синхротронов. Но мы пошли дальше, поэтому сегодня у нас есть определенные инновационные разработки, которые учитывают специфику и использование российских технологий — например, алмазная оптика, оптика на базе искусственных совершенных алмазов, — где нам также принадлежит приоритет.

Отличается ли оптика друг от друга на разных установках — например, на строящихся СКИФ, СИЛА и других? На каждой из них будут стоять одни и те же линзы или же это принципиально разные установки именно с точки зрения оптики? Можете ли вы отметить уникальные разработки?

Предложенный нами подход и концепция преломляющей рентгеновской оптики по типу обыкновенных очков или линз, установленных в фотоаппаратах, единые. Эта оптика перекрывает большой диапазон спектра рентгеновского излучения, которое используется на этих синхротронах. Но в зависимости от энергии электронов в кольце, существуют синхротроны, предназначенные для так называемого более "мягкого" излучения со специальными задачами, например спектроскопии. Сейчас же мы говорим о синхротронах, у которых более близкое нам излучение в том смысле, что это излучение используется в очень большом классе лабораторий для исследования материалов, то есть — это "жесткое" излучение. В «жестком» излучении, - которое используется и для просвечивания нас в медицинском кабинете, и для проверки конструкций тяжелых или крупных материалов, — необходимо, чтобы объект был «прозорачен», поэтому такое излучение должно быть высокоэнергетичное, "жесткое". Наши линзы применимы во всем этом диапазоне, но в зависимости от того, какой диапазон мы выбираем, они будут различаться по своим геометрическим характеристикам и материалам. Например, при менее жестком излучении нужно использовать линзы из бериллия, который мало поглощает, но хорошо преломляет. Для "жесткого" излучения необходим более плотный материал вроде алюминия или кремния. Если же нужно их поставить в горячий пучок, то здесь в игру вступают алмазные линзы. Над проектом по разработке алмазных линз для установки СИЛА мы сейчас и работаем. Алмаз – это уникальный, твердый и очень плотный материал, позволяющий выдерживать большие тепловые нагрузки. В России исторически сложились передовые школы роста кристаллов, накоплен уникальный опыт и компетенции по синтезу искусственных алмазов. Не удивительно, что лучшие кристаллы для всего мира делают именно в России.

С точки зрения особенностей геометрии, то размеры линз, а точнее рабочие апертуры линзы - действующее отверстие оптического прибора -, варьируются от нескольких миллиметров до нескольких микрометров. Предположим, вам нужно провести пучок от источника, то используются «большие» миллиметровые линзы. Они работают как прожекторы, которые направляются в небо, формируя мощный параллельный пучок, — эти линзы не предназначены для транспорта пучка. Если же вам необходимо достигнуть микро- и нано- разрешение, то и линзы становятся маленькими, и у них размеры уже десятки микрон — в таком случае размер линзы по сравнению с размером большой линзы меньше примерно в 100 раз. Этим и уникальна оптика, что она от миллиметров или даже, не побоюсь, сантиметров, может переходить в микрон. Таким образом, вы перекрываете три порядка, то есть имеете возможность в 1000 раз уменьшить размеры линзы. Но для микролинз необходимо применять не методы механического прессования, а использовать новейшие технологии — так называемые фокусные ионные пучки, которые прямым методом делают маленькие линзы в материале, или же 3D-технологии как 3D-печать, когда в микро-объемах по кирпичикам складывается нужная конфигурация оптики.

Такая оптика опирается на новейшие инновационные методы микро- и нано- структурирования. С одной стороны, вы делаете полезное дело — создаете инструмент, чтобы сканировать образец, изучать его свойства, например, химический или структурный состав, а с другой — вокруг этого возникает определенный класс новых научных и технологических задач развития оптики. Кроме того, это, безусловно, и образовательный процесс. Такая оптика привлекательна, легко воспринимается студентами и тем, кто только входит в эту тему, потому что начальную оптику все знают со средней школы. Кроме того, важно, что оптика сама стимулирует свое развитие: она использует новейшие методы. Требования к ее изготовлению также двигают технологии. В частности, нам, к примеру, изготовления линз в кремнии потребовало разработки методов глубокого прецизионного травления, которое, в свою очередь, продвинуло MEMS технологии для оптоэлектроники.

Получается, по технологическим характеристикам Россия опережает мировые лаборатории, в которых также установлены синхротронные аппараты? Импортозамещение получается в данной отрасли не требуется или же сейчас мы все-таки переходим с зарубежных линз на отечественную оптику и восстанавливаем ее производство в нашей стране?

Отвечая на этот вопрос, нужно понимать, о какой оптике конкретно идет речь. Если говорить про оптику металлическую, которую мы делаем с помощью механической обработки, здесь мы полностью разработали весь цикл производства и надеемся, что будем его продолжать, так как мы же ее, собственно, в Европе и придумали, и в Европе помогали технологически решить вопрос, как ее использовать. В данном случае слово "импортозамещение" следует переобозначить как "импортоопережение". Мы здесь ничего ни у кого не отбираем, а просто делаем свое дело лучше, и мы полностью самостоятельны в данном вопросе.

Если же говорить о микротехнологии создания кремниевых нанолинз, в России мы первые, кто начал это делать. Исследования проходили на базе института проблем технологии микроэлектроники (ИПТМ РАН) в Черноголовке. Впоследствии эти нанолинзы стали воспроизводить во всем мире и стали создавать микроскопы-нанопробы на базе этих линз. Качество наших линз оказалось выше, чем те, которые пытаются делать в Германии, в Америке и других странах. Нельзя не отметить, что здесь была своя специфика: научный опыт, который мы в свое время приобрели при создании Брэгг-френелевской оптики, с которой мы ворвались в международное синхротронное сообщество 30 лет назад.

Кроме линз в рентгеновской оптике используются зеркала, и здесь у России есть, некоторое отставание. Для когерентного рентгеновского излучения нужны зеркала с атомарно чистой поверхностью, и, к примеру, лучшие зеркала для этих задач сегодня делают японцы. Но в России, к счастью, существуют огромный опыт создания зеркал для космических задач в институте физики микроструктур (ИФМ РАН) в Нижнем Новгороде. Нет сомнения, что наши специалисты справяться с поставленной задачей.

Для понимания — линзы, созданием которых мы занимаемся, не решают всех задач в рентгеновских исследованиях, но они являются наиболее используемыми. Их функционал неизбежно расширяется. Они присутствуют на всех новых установках класса "мегасайенс".

Здесь я повторюсь, мы предлагаем рассматривать использование алмазной оптики. Мы надеемся, что в этой сфере будем впереди, потому что алмазы, которые выращивают в России, являются лучшими и доступными. Лазерные технологии обработки прямого структурирования в нашей стране также имеют свою историю. Достаточно сказать, что советские физики Александр Прохоров и Николай Басов за разработку лазера в 1964 году получили Нобелевскую премию по физике.

Среди людей бытует мнение, что излучение (рентгеновское или любое другое) вредно для здоровья. В массовом сознании ядерный реактор — «страшно, ужасно, страшно опасно». Миф это или правда — расскажите, пожалуйста, поподробнее? Действительно ли, что рентгеновское излучение не содержит радиацию и безопасно для окружающей среды и человека?

Вопрос этот абсолютно правильный. Как я уже упоминал, я окончил Институт стали и сплавов, и у нас там было много рентгеновской тематики — эта область физики была самым нелюбимым моим предметом, так как с молоком матери у меня, как и у большинства людей, был предрассудок, что рентген что-то страшное. Когда я оказался в рентгеновской лаборатории на академической практике, я сказал: "Я не хочу, я не могу". Но — хорошо, мне повезло. Я попал на уникального, не побоюсь этого слова — великого человека и ученого — физика и оптика Виталия Васильевича Аристова, — который из голографии - оптики видимого света пришел в рентген. Он сделал много прорывных открытий. Мне он объяснил, что это абсолютно безопасно, а также исключительно интересно, потому что больше всего Нобелевских премий получили именно в области рентгена. Он рассказал, что в его лаборатории у всех были семьи, дети, и при этом все жили нормально, без каких-либо заболеваний и негативного эффекта от излучения. Рентгеновское излучение опасно при прямом воздействии на вас, на ваше тело без какой-либо защиты. В лабораториях же все достаточно хорошо защищено - продумано это еще на этапе конструкции рентгеновских аппаратов.

В отличии от ядерного реактора рентгеновские источники излучение работаютт по принципу электрических лампочек. Вы их включили — свет есть, выключили — все исчезло, излучения нет. Синхротрон не дает наведенной и остаточной радиации. На европейских синхротронах требования к безопасности очень высокие. На моих глазах после создания синхротронных установок на них отказались от дозиметров, которые раньше использовались каждым сотрудником для проверки дозы облучения. Естественно, никто никакой дозы там не набирал, но эта процедура была обязательной и входила в регламент проведения исследований на установках. Позже, в силу обеспечения электронной и физической безопасности установок, от дозиметров и вовсе отказались. Заходить на синхротрон также разрешили обычным людям. Например, на установку в Гамбурге разрешено приходить даже детям: как с экскурсией, так и просто к родителям-ученым, которые проводят исследования с использованием синхротронного излучения. В отличие от ядерных реакторов, там нет пропускного режима. Просто вы не войдете в ту точку, где происходит эксперимент — она закрыта, но никакого радиационного фона там нет. Обычно люди получают дозу рентгеновского излучения гораздо большую, просто находясь на улице.

Много ли молодежи работает в рамках проекта?

С каждым годом мы вовлекаем все больше и больше молодых людей, которые интересуются наукой. В том числе благодаря программе “Приоритет-2030” национального проекта “Наука и университеты” Минобрнауки России. К слову, наша лаборатория, где сейчас исследуется и производится оптика для установок класса “мегасайенс” была создана по программе мегагрантов и со временем выросла в научный центр. Это прекрасно, что государство оказывает поддержку действительно важных и прорывных исследований. Безусловно, мы ощущаем полную поддержку со стороны университета БФУ им. И. Канта.

Сегодня Россия взяла курс на инновационный прорыв. Наука стала сферой, где талантливая молодежь может найти себя и успешно развиваться. Благодаря национальному проекту «Наука и университеты», реализуемому Минобрнауки России, создаются новые лаборатории, появляются новые технологии, проводятся новые исследования.

Национальный проект «Наука и университеты» направлен на привлечение талантливой молодежи в науку, повышение вовлеченности профессионального сообщества в эффективное решение стратегически важных вопросов в научной сфере, а также формирование у граждан страны полного представления о прорывных достижениях российской науки при взаимодействии государства, научного сообщества и бизнеса.

Текст: Екатерина Вронская