Создавать лекарства без побочных эффектов, новые материалы для современных космических кораблей, а также изучать историю в России возможно с помощью ускорителя заряженных частиц. На этих мегаустановках не только решают практические задачи, но и проводят фундаментальные исследования. Кроме того, идет работа над созданием отечественных аппаратов нового поколения.
Курчатовский синхротрон — один из самых молодых российских ускорителей. Он запущен в 1999 году, но исследования несколько выходят за пределы понимания того, чем здесь должны заниматься. Хранитель античных древностей исторического музея привез небольшой сверток, содержимое которого для него — настоящее сокровище.
Речь идет о фигурном сосуде из некрополя Тамани. Чтобы узнать его устройство, способ изготовления и оценить, как артефакт выглядел в IV веке до нашей эры, археологи стараются использовать все возможности. В 2015 году в Курчатовском институте появилась лаборатория, исследующая археологические экспонаты и предметы искусства.
Елена Терещенко, ведущий научный сотрудник, начальник лаборатории естественно-научных методов в гуманитарных науках НИЦ «Курчатовский институт»: «Пошли первые работы, чтобы получить скрытую информацию технологическую, связанную с историческим контекстом. Мы начали постепенно внедрять методы современного материаловедения в изучение объектов культурного наследия, по сути, формируя направление исторического материаловедения как таковое».
Изначально ускорители элементарных частиц создавались для совершенно других целей — изысканий в области физики высоких энергий и создания оружейного плутония. Но особенность работы ускорителя в том, что попутно он генерирует мощное излучение, в том числе рентгеновское, которое позволило проводить исследования на уровне отдельных атомов.
Михаил Ковальчук, президент Национального исследовательского центра «Курчатовский институт»: «Это первый на постсоветском пространстве и один из немногих в мире специализированных источников синхротронного излучения. То есть ускоритель построен не для физики высоких энергий, как обычно, а оптимизирован на получение яркого и мощного рентгеновского излучения».
Ускорители применяются в совершенно разных областях, начиная от создания лекарств и заканчивая предсказанием свойств новых материалов. Но сегодня объект исследования — старый кувшинчик для масла, который, на первый взгляд, не впечатляет масштабом. Первый этап, по сути, обычная томография. На экране заметны скрытые от глаз швы внутри сосуда, он как бы склеен из нескольких элементов.
Денис Журавлёв, хранитель античной коллекции Государственного исторического музея: «Видно, как мастер задумывал этот сосуд, порядок, в котором он соединял элементы. Казалось бы, зачем это нужно? Мы полностью реконструируем технологию его изготовления. Тут что-то другой фактуры. Это, возможно, остатки содержимого. Горлышко узенькое, выковыривать придется осторожно».
Следующие этапы изучения проходят с применением синхротронного излучения. Определяют места, где сохранились следы краски, заодно возьмут образец содержимого сосуда и проведут фазовый анализ, чтобы определить минеральный состав, то есть выяснить, что же хранили в бутылочке.
Денис Журавлёв: «Для нас, для исторического музея, для меня как для хранителя античных древностей сотрудничество с Курчатовским институтом стало неким волшебством, благодаря которому мы смогли ответить на вопросы, которые мучали нас много лет».
Синхротрон универсален, он обрастает десятками станций-лабораторий, каждая для своих задач.
Никита Марченков, руководитель Курчатовского комплекса синхротронно-нейтронных исследований: «Изначально в синхротронном зале, когда запускали, было пять станций экспериментальных. Сегодня уже полтора десятка экспериментальных лабораторий работают, еще есть программа развития, около 10 лабораторий будут построены в ближайшие годы».
Но порой их назначение выходит даже за пределы научных изысканий. Понять, о чем идет речь, можно в Протвине, где расположен самый большой ускоритель в России. Хронология такая: в 1967 году ускоритель был запущен, в 1985-м прошла первая модернизация, добавили малое кольцо, так называемый бустер, и еще один линейный ускоритель. Следующая модернизация происходит сейчас. Меняют в том числе систему охлаждения. На насосах еще советский знак качества. Их всего надо заменить больше 200, но самое интересное, что после этой модернизации не только повышается надежность всего комплекса, но и его назначение расширяется. Кроме высоколобых вопросов фундаментальной науки, здесь будут решаться и вполне практические задачи, понятные нам с вами, например, медицина.
Владимир Калинин, заместитель начальника отделения ускорительного комплекса Института физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт»: «Частицы попадают в канал, который сейчас модернизируется, и по этому каналу они будут переводиться в экспериментально-клинический ионно-лучевой комплекс, где будут расположены кабины с пациентами».
Мишенью для летящих быстрее мысли частиц станет раковая опухоль, которую нужно уничтожить, не повредив здоровые ткани, например, глаз.
Владислав Понитков, заместитель директора по инвестиционному развитию Института физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт»: «Ускоритель по факту превращается в медицинский прибор, некое медицинское изделие. Строительно-монтажные работы планируем завершить в 2025 году, суммарная пропускная способность на три медицинских кабины — 600 человек в год».
Кажется странным, что использовать исполинский ускоритель, чтобы облучать опухоль, — задача ничтожная при его мощности. Во-первых, если установка уже есть, почему бы ею не воспользоваться. Во-вторых, когда здесь начнут лечить людей, это будет что-то вроде прототипа.
Виктор Егорычев, доктор физико-математических наук, директор Института физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт»: «Мы сейчас отрабатываем технологию лечения пациента, а потом источник, то есть сам ускоритель, он будет совершенно другой, меньших размеров, он будет буквально 10–15 метров максимум. Тогда это можно будет размещать в подвале любой поликлиники».
Все же основа новой технологии — пусть и проходящий модернизацию, но синхротрон прошлого века. Блестящий инструмент для решения научных задач, но со своими ограничениями, потому на следующий год запланировано начало строительства нового комплекса.
Виктор Егорычев: «Если вы все время модернизируете стеариновую свечу, вы никогда не сделаете лампочку Эдисона. То есть необходим качественный скачок и в науке тоже. Для этого сейчас по указу президента разрабатывается проект, который называется „СИЛА“».
«СИЛА» расшифровывается как «синхротрон-лазер». Периметр кольца ускорителя — 1 километр 100 метров. Мощность в 6 гигаэлектронвольт позволяет проникать в объекты глубже, видеть их более детально. Но его главная особенность — таких в России еще не строили — изучать в динамике, как формируются атомные структуры.
Михаил Пресняков, начальник управления по созданию исследовательских установок НИЦ «Курчатовский институт»: «Когда вы снимаете объект, он под воздействием лазера разрушается. Видя на уровне единичных атомов, как разрушается структура, вы можете представить, как ее собрать обратно».
Получается что-то вроде сверхзамедленной рентгеновской съемки, запущенной в обратную сторону. Для чего это нужно?
Михаил Ковальчук: «То, что мы делаем повседневно: создание лекарств, создание новых материалов перевести на качественно новый уровень и поддерживать на лучшем уровне в мире, еще и вырываясь вперед и делая то, чего еще ни у кого нет. Вот ответ».
Новые технологии называются «природоподобными». Они позволят, воспроизводя естественные процессы, создавать материалы с заданными свойствами, в том числе и такие, которые раньше считались невозможными.
