Зубавичус_основы_использования_СИ

1.

Возможные направления и тематики исследований на СКИФ
Ян Зубавичус, ЦКП «СКИФ», р.п. Кольцово
НГТУ, 27.10.2025

2.

3.

Классификация рентгеновских методов исследования
1. Дифракционные
методы
2. Рентгеновская
спектроскопия
3. Методы
визуализации
Fluorescence Yield
Re L2
Re L3
10.50
Pt L3
10.75
11.00
11.25
11.50
11.75
12.00
Photon Energy, keV
3

4.

1. Дифракционные методы
(макромолекулярная кристаллография)
Монокристаллы размером
до 1 мкм
Время полного набора
данных ~с
4

5.

2. Рентгеновская спектроскопия
Ni-N=1.925A
Ni-N=1.955A
0,035
0,030
absorption, [a.u.]
0,025
0,020
0,015
0,010
Длина связи M-N
0,005
0
20
40
60
80
E-E0, eV
5

6.

3. Методы визуализации
(рентгеновская микроскопия и томография)
Система кровеносных сосудов мозга
Сверхпроводящий провод Nb3Sn
микро-ТВЭЛ
Позвонок геккона
Мозг мыши
6

7.

Важность рентгеновских методов в жизни
По итогам интернет-опроса,
проведенного в 2009 году
Британским музеем науки и
технологий в Лондоне с
участием более 50 000
респондентов,
Рентгеновское излучение
признано главным открытием
человечества за всю историю.
Следом расположились
пенициллин и антибиотики,
двойная спираль ДНК,
космическая миссия Аполло…
7

8.

Важность рентгеновских методов в науке:
россыпь Нобелевских премий по физике
Год
Лауреат(ы)
Тема
1901
Вильгельм Конрад Рентген
Рентгеновское излучение
1914
Макс фон Лауэ
Дифракция рентгеновского излучения на кристаллах
1915
Уильям Генри Брэгг и Уильям Лоренс Брэгг
Применение рентгеновской дифракции для анализа
структуры кристаллов
1917
Чарлз Главер Баркла
Характеристическое излучение атомов
1921
Альберт Эйнштейн
Внешний фотоэффект
1922
Нильс Бор
Строение атома и атомные спектры
1924
Карл Манне Георг Зигбан
Рентгеновская спектроскопия
1927
Артур Холли Комптон
Неупругое (комптоновское) рассеяние
8

9.

…новая и новейшая история
Год
Лауреат(ы)
Тема
1961
Рудольф Мёссбауэр
Резонансное поглощения гамма-излучения ядрами
(эффект Мёссбауэра)
1981
Кай Манне Бёрье Зигбан
Электронная спектроскопия высокого разрешения
1991
Пьер Жиль де Жен
Строение жидких кристаллов и полимеров
2010
Андрей Гейм и Константин Новоселов
Графен
2014
Исаму Акасаки, Хироси Амано, Сюдзи Накамура
Синие светоиспускающие диоды на основе
нитридных гетероструктур
2016
Дэвид Тулесс, Дункан Халдейн, Майкл Костерлиц
Топологические изоляторы
9

10.

А по химии – не меньше
Год
Лауреат(ы)
Тема
1936
Петер Йозеф Вильгельм Дебай
Молекулярное строение газов по данным
рентгеновского рассеяния
1946
Джеймс Батчеллер Самнер, Джон Ховард
Нортроп, Уэндел Мередит Стэнли
Методы очистки и кристаллизации белков
1954
Лайнус Карл Полинг
Природа химической связи
1962
Макс Фердинанд Перуц и Джон Кодери Кендрю
Строение глобулярных белков
1964
Дороти Кроуфут Ходжкин
Становление белковой кристаллографии (витамин B12)
1969
Дерек Харолд, Ричард Бартон и Одд Хассель
Концепция молекулярной конформации
1972
Кристиан Бемер Анфинсен
Белковый фолдинг
1973
Эрнст Отто Фишер и Джефри Уилкинсон
Рождение металлоорганической химии (ферроцен)
1975
Владимир Прелог
Стереохимия органических молекул и реакций
1976
Уильям Нанн Липскомб
Строение боранов
10

11.

А по химии – не меньше
Год
Лауреат(ы)
Тема
1980
Пол Берг, Уолтер Гилберт и Фредерик Сенгер
Строение нуклеиновых кислот
1985
Херберт Аарон Хауптман и Джером Карле
Прямые методы решения кристаллических
структур
1988
Роберт Хубер, Хартмут Михель и Иоганн
Дайзенхофер
Фотосинтетический реакционный центр
1996
Роберт Кёрл, Харолд Крото и Ричард Смолли
Фуллерены
2011
Дэн Шехтман
Квазикристаллы
2019
Джон Гудинаф, Стэнли Уттингхэм, Акира
Йошино
Li-ионные аккумуляторы
11

12.

Нобелевские премии по физиологии и медицине
за рентгеновские методы
Год
Лауреат(ы)
Тема
1946
Герман Джозеф Мёллер
Связь рентгеновского излучения и мутаций
1962
Морис Уилкинс, Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик
Двойная спираль ДНК
1979
Аллан Кормак и Годфри Хаунсфилд
Рентгеновская томография
12

13.

Источники синхротронного излучения на базе
ускорителей
• Непрерывный (белый) спектр
• Интенсивность выше на 15-20 порядков, чем у лабораторных источников
• Варьируемая поляризация (линейная / круговая)
• Особая временная структура (импульсы) временное разрешение
• Частичная когерентность (фотография голография)
13

14.

Специфика применения синхротронных методов
Максимально широкое комбинирование методов
Исследование образцов в нестандартных условиях
in situ/operando, экстремальные условия, электрические/магнитные
поля, неравновесное воздействие - механический/термический удар
Картографирование пространственно-неоднородных образцов с
высоким пространственным разрешением (чем мельче, тем интереснее)
Мониторинг динамических процессов с высоким временным
разрешением (чем быстрее, тем интереснее)
14

15.

Виртуальная экскурсия по российским
синхротронным центрам – проект
ИЯФ СО РАН
российского научного фонда
«Наука в формате 360 »
НИЦ «Курчатовский
институт»
15

16.

Обработка в режиме пайплайнов:
автоматизированная последовательность
этапов обработки в пакетном режиме
16

17.

Белковая кристаллография на СИ
Сибирский Кольцевой Источник Фотонов
17

18.

Создано лекарство
против вирусного
гепатита С.
Создано несколько
препаратов от
коронавируса
15

19.

Система кровеносных
сосудов мозга
16

20.

Промышленная кооперация:
SPRing-8 (Япония)
4
7%
13
23%
2
3%
Станции
Общего доступа
26
46%
12
21%
Организацииучредителя (RIKEN)
Сторонних
организаций
(академических)
Сторонних
организаций
(коммерческих)
• BL33XU Toyota - Исследование
материалов автомобильной
промышленности
• BL16XU, BL16B2 Консорциум
SUNBEAM (Sumitomo Electric,
Fujitsu и др.) – аккумуляторы,
полупроводники, катализаторы,
топливные элементы и пр.
• BL03XU Консорциум Frontier
Soft materials – полимеры,
волокна и тонкие пленки
20

21.

Перегорающий предохранитель
ESRF, рентгеновское
кино (110 нс
экспозиция, 5
миллионов кадров в
секунду)
21

22.

Работающий двигатель мотоцикла
Как продлить срок службы?
22

23.

Кто виноват, если
шоколад невкусный?
Продукты питания и
потребительские товары
Фазовая диаграмма и фазовые
переходы в шоколадном масле
23

24.

Объекты культурного и природного наследия
Наскальные рисунки и петроглифы
Угасшие надписи
Faded letters
Палеонтология
~800mm
~50mm
Археология
10 mm
Brachiopoda
Данные : Курчатовский источник синхротронного излучения, НИЦ «Курчатовский институт» (2015-2018)
24

25.

Синхротронные исследования в СМИ

26.

sn.ntr.ru
26

27.

ФНТП синхротронно-нейтронных исследований
ПИК,
Гатчина
ТНК
«Зеленоград»,
Москва
СИЛА,
Протвино
КИСИ-Курчатов,
Москва
ОМЕГА,
Протвино
Российская федерация
СКИФ,
Новосибирск
РИФ,
о. Русский
27

28.

СКИФ : предыстория
Поручения Президента Российской Федерации В.В. Путина от
18.04.2018 г., пункт 1б., 4
Паспорт национального проекта «Наука» (утвержденный
президиумом Совета при Президенте РФ по стратегическому
развитию и национальным проектам, протокол от 24.12.2018
№ 16)
Указ Президента Российской Федерации В.В. Путина от
25.07.2019 № 356 «О мерах по развитию синхротронных и
нейтронных исследований и исследовательской
инфраструктуры в Российской Федерации», подпункты «б» и
«г» пункта 1
Постановление Правительства РФ от 23.12.2019 № 1777 «Об
осуществлении бюджетных инвестиций в проектирование и
строительство объекта капитального строительства «Центр
коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник
фотонов» (ЦКП «СКИФ»)», с изменениями от 20.06.2022
№1103
28

29.

Рабочий поселок
Кольцово, имеющий Кольцово
– участник пилотного проекта АСИ «Новая миссия
городов». Лидер рейтинга по индексу комфортности
городской среды среди городов с ВНТП (2023)
статус наукограда РФ
29

30.

План зданий СКИФ по проекту
4
3
1 Ускорительно-накопительный
комплекс (объекты
использования атомной
энергии)
5
1.2
1.3
6
ФОТО 1.4
1.1
2
7
1.1 Здание основного
накопителя
1.2 Здание инжектора
1.3, 1.4 Отдельные здания
экспериментальных станций
2 Административный корпус
3 Корпус стендов и испытаний
4 Корпус инженерного
обеспечения
5 Лабораторный корпус
6 Корпус электрохозяйства
7 Столовая
…
Всего 34 здания и сооружения
на площади более 30 га
30

31.

Статус
Общая строительная
готовность зданий – 86%
Работа инженерных систем
зданий по постоянной схеме
Сборка гирдеров накопителя
в КСИ
Монтаж оборудования
станций в здании накопителя
и в отдельных зданиях
станций 1-3, 1-5
Работа федеральной
комиссии по оценке
соответствия параметров
СКИФ
Мероприятия по получению
ЗОС
31

32.

Планы
2025 г.
Октябрь : Получены проектные параметры бустера (3 ГэВ)
Ноябрь:
Осуществлен перепуск пучка электронов (3
ГэВ) в здание накопителя
Декабрь:
Завершено создание источника СИ
поколения 4+ и одной экспериментальной станции (1-7) в
соответствии с Указом Президента РФ
2026 г.
Июнь: Завершены Тестовая эксплуатация СКИФ и
комплексная наладка инженерных систем и научного
оборудования (ИК СО РАН, ИЯФ СО РАН, АО «КОНЦЕРН ТИТАН
2» и др. подрядчики)
Июль: Получен циркулирующий пучок электронов в
накопителе СКИФ, начаты эксперименты с синхротронным
пучком
Сентябрь: Установлены штатные генераторы СИ
Октябрь: Начата Промышленная эксплуатация установки
«В ближайшее время планируем
осуществить технологический пуск еще
одной мощной установки – СКИФ. Она
существенно расширит функционал,
спектр возможностей российской
исследовательской инфраструктуры.»
В.В. Путин
Форум будущих технологий
21 февраля 2025 года
32
32

33.

Строительные работы
Общестроительные работы:
3 тыс. шт. Сваи
40 тыс. шт.
Раскатные сваи
3
76,5 тыс. м
Стабилизационный грунт
3
129 тыс. м
Бетон
15,5 тыс. т
Арматура
2
164 тыс. м
Отделка
2
35 тыс. м
Кровля
3,7 тыс. т
Металлоконструкции
2
9,7 тыс. м
Остекление
Система электроснабжения:
• 60 кабельных камер и колодцев
• 32,5 км силового кабеля
• 12 распределительных подстанций 10/0,4кВ
• 125 опор освещения
Проложено и смонтировано:
• 920 км или 570 тонн кабеля
• 5,5 тыс. осветительных приборов
• 11 тыс. ед. электротехнического оборудования
Инженерные сети:
31 тыс. м2
69 км
Воздуховоды
Трубопроводы
Благоустройство:
1,1 га
Асфальтовое покрытие
13 га
Озеленение
Корпус стендов и испытаний –
99%
Инжектор–
99%
Станция 1-3 –
92%
Станция 1-5 –
92%
Корпус инженерного
обеспечения – 99%
Корпус электрохозяйства –
92%
Лабораторный корпус –
92%
Административный корпус –
99%
Накопитель–
72%

34.

Ускорительный комплекс
Энергия электронного пучка
Периметр накопительного кольца
Эмиттанс электронного пучка
Число прямолинейных промежутков
Число экспериментальных станций
3 ГэВ
476 м
75 пм·рад
14
30
Полное импортозамещение компонентов и систем, попавших под санкции
недружественных стран. В частности, созданы уникальные клистроны (3 ГГц, 50 МВт)
Произведен запуск линейного ускорителя и бустерного синхротрона, получены
проектные параметры
Начат монтаж оборудования в тоннеле накопителя
o В декабре 2025 г. планируется завершить создание источника СИ поколения 4+ и
перейти к этапу комплексной пуско-наладки и получению проектных параметров
СКИФ в цифрах:
1000 тонн
12 МВт
40 м3/час
2 млн нормочасов
Электромагнитов
50 мкм
Потребляемой мощности 2 мкм
Водоснабжение
10 тыс.
Трудоемкость
Вакуум
точность выставки элементов
размер пучка электронов
каналов управления и контроля
= высоте 600 км над Землей
1°С
0.1°С
100 нм
стабильность t в тоннеле
стабильность t воды линака
амплитуда вибраций фундамента

35.

Экспериментальные станции
4 интегратора экспериментальных станций:
Томский политехнический университет, г. Томск (1-1, 1-6)
Институт сильноточной электроники СО РАН, Томск (1-2, 1-4)
Институт гидродинамики им. Лаврентьева СОРАН, г.
Новосибирск (1-3)
Конструкторско-технологический институт научного
приборостроения СО РАН, г. Новосибирск (1-5)
1500+
88
4
30 +
98%
контрактов с субподрядчиками на изготовление
элементов станций
Элементов сконструировано и изготовлено в России впервые
Задействованных студенческих конструкторских бюро в вузах
городов–география исполнителей
готовность оборудования станций
На станции 1-3 установлена САМАЯ БОЛЬШАЯ в мире взрывная камера
Идет монтаж в 2-х отдельных зданиях станций 1-3,
1-5 и в экспериментальном зале (хатчи)
«Горячая» пусконаладка с синхротронным пучком –
в 2026 г.
Создана кооперация производства в России
недостающих элементов для станций второй
очереди

36.

Экспериментальные станции первой очереди
1-4 XAFS
спектроскопия и
магнитный
дихроизм
1-7 Базовые методы
синхротронной
диагностики
1-3
Быстропротекающие
процессы
1-5 Диагностика в
высокоэнергетическом
рентгеновском
диапазоне
1-1 Микрофокус
1-2 Структурная
диагностика
1-6 Электронная
структура
36

37.

Научная программа СКИФ
Ключевые направления исследований
на экспериментальных станциях
первой очереди и концепция
инфраструктурного развития до
2035 года
20.09.2023 – Заслушана и одобрена
на заседании Президиума СО РАН
23.04.2024 – Заслушана на
совместном заседании Президиума
РАН и НТС синхротроннойнейтронной ФНТП
09.2025 – Проведена актуализация
Научной программы
Файлы доступны для скачивания: https://disk.yandex.ru/d/gxEIdsjIalIvHw 37

38.

Уникальность научной программы
До 2000 групп пользователей в год
Прикладные междисциплинарные исследования и кооперация с
предприятиям реального сектора экономики (катализ и химические
технологии, фармацевтика, машиностроение, нефтедобыча,
геологоразведка и др.)
Использование современной исследовательской инфраструктуры
Мегасайенс для подготовки научных и инженерных кадров
(специализированная «студенческая» станция 1-7)
Использование сфокусированных микропучков для
картографирования элементного, фазового состава
пространственно-неоднородных образцов (геология,
экология, объекты культурного наследия) с разрешением
~100 мкм
Реализация когерентных методик (когерентный
дифракционный имиджинг, птихография)
Мониторинг динамических процессов с высоким
временным разрешением (<10 нс)
Разномасштабная визуализация от целого объекта до
атомных размеров
Комбинирование взаимно комлементарных методик,
единое планирование экспериментов в области
химического материаловедения на станциях 1-2, 1-4 и 1-6
Акцент на исследование образцов в нестандартных
условиях (in situ/operando, экстремальные условия,
электрические/магнитные поля, неравновесное
воздействие - механический/термический удар, взрывная
волна)

39.

Ожидаемые прорывные результаты
• Импортоопережение в ключевых технологиях
каталитической нефтепереработки и нефтехимии,
фото- и электрокатализа, химических источников
тока и топливных элементов
• Структурно-направленный дизайн новых
лекарственных препаратов, ускорение цикла
разработки
• Оптимизация технологий лазерной сварки, переход
от заклепочных соединений к сварным в
самолетостроении
• Создание новых жаропрочных покрытий для
работы конструкционных сплавов в экстремальных
условиях
• Повышение нефтеотдачи пластов

40.

Инженерное
материаловедение (НГТУ)
Комплекс вирусологических
станций «Вектор»
(1.0-50 кэВ) – отдельное здание
для работы с возбудителями
до 1 класса патогенности
Станция
когерентного имиджинга
(птихографии)
Станция
исследования радиоактивных
материалов (радиоэкология,
ядерная медицина, топливный цикл) –
отдельное здание (открытые
радионуклидные источники, III класс по
ОСПОРБ-99/2010)
Рассматриваемые
станции второй
очереди
(финансирование
не утверждено,
создание до 2035 г.)
Станция
ИК-диагностики
Комплекс
станций белковой
кристаллографии
…всего 30
станций с
учетом станций
первой
40
очереди

41.

Информационный
телеграм-канал:
t.me/srfskif
41