Можем, когда надо: новосибирский СКИФ за 47 миллиардов
Источник фотонов СКИФ в наукограде Кольцово
Все дело в пучке
Несмотря на сравнительно скромные объемы государственного финансирования отечественной науки, хорошие новости все-таки имеются. Скорее даже мегахорошие новости. 11 августа 2026 года в наукограде Кольцово Новосибирской области официально начал работу Сибирский кольцевой источник фотонов, который чаще называют по аббревиатуре СКИФ. Строго говоря, это не один прибор, а целый исследовательский комплекс: в его состав входят 34 здания и сооружения, а также оборудование, необходимое для получения и использования очень яркого рентгеновского излучения. В запуске участвовал президент России Владимир Путин. Он осмотрел основные помещения установки, поставил подпись на памятной доске, посвящённой открытию объекта, а затем провёл заседание Совета по науке и образованию.
Во время этого заседания президент отметил, что скорость разработки и внедрения технологий напрямую влияет на суверенитет страны, развитие экономики и решение как гражданских, так и оборонных задач. Сама установка относится к классу «мегасайенс» — так принято обозначать очень крупные исследовательские комплексы, которые не может построить отдельный институт или предприятие: их создают на государственном уровне, а пользоваться результатами могут тысячи научных групп.
СКИФ представляет собой источник синхротронного излучения поколения «4+». Общая стоимость проекта, который стартовал в 2018 году, составила 47 миллиардов рублей. Сейчас СКИФ — это более 30 зданий и сооружений, главным из которых является гигантское круглое здание основного накопителя электронов (периметр кольца составляет 476 метров). Для чего потратили такие гигантские деньги? Чтобы разобраться в необходимости столь масштабного сооружения, придется вспомнить курс физики старшей школы.
Президент на открытии синхротрона СКИФ
Ускорители заряженных частиц существуют уже более полувека, и за это время они несколько раз принципиально менялись. В устройствах первых поколений рентгеновский свет рождался как побочный эффект, когда электроны поворачивали в магнитном поле. Позже появились специальные магнитные устройства, которые заставляли электроны двигаться по извилистой траектории и излучать заметно больше. Каждое следующее поколение давало всё более узкий, направленный и яркий пучок. Четвёртое поколение отличается тем, что электронный пучок делают максимально компактным: это позволяет получать свет, близкий по своим свойствам к лазерному, и изучать объекты с очень высокой детализацией.
В мире сегодня работает несколько установок четвёртого поколения, но СКИФ получил обозначение «4+», потому что по одному из ключевых параметров он превосходит всех действующих конкурентов. Речь идёт о так называемом эмиттансе — величине, которая показывает, насколько собранным и узким получается электронный пучок. Чем меньше эта величина, тем ярче излучение. У СКИФа эмиттанс составляет 75 пикометров-радиан. Для неспециалиста эта цифра мало что говорит, поэтому стоит привести ориентир: у шведского синхротрона MAX IV, который в 2016 году стал первой в мире действующей установкой четвёртого поколения, аналогичный показатель составляет около 330 пикометров-радиан. У бразильского синхротрона Sirius, запущенного в 2020 году, — примерно 250 пикометров-радиан. Французский ESRF-EBS после модернизации в 2020 году достиг значения около 135 пикометров-радиан.
Как видно, у новосибирского комплекса показатель заметно меньше, а значит, пучок получается более собранным и ярким. Это даёт основание говорить о том, что в Кольцово построена установка, которая по качеству пучка опережает известные зарубежные аналоги. При этом важно понимать, что сравнение не всегда прямое: ESRF-EBS работает с вдвое большей энергией электронов, 6 ГэВ вместо 3 ГэВ, что даёт ему преимущество в жёстком рентгеновском диапазоне. СКИФ же рассчитан на энергию 3 ГэВ, как MAX IV и Sirius, и в этом сегменте его параметры являются рекордными. В результате Россия получила инструмент, который задаёт новый уровень для установок данной энергетической группы.
СКИФ всему голова
Теперь стоит объяснить, как устроена эта машина и откуда в ней берётся столь яркий свет. Если описывать процесс простыми словами, всё начинается с электронов — мельчайших заряженных частиц, входящих в состав атомов. В СКИФе электроны сначала получают в специальном устройстве, называемом электронной пушкой, затем собирают их в пучок и отправляют в линейный ускоритель. Там пучок разгоняют до энергии 200 миллионов электронвольт. После этого электроны поступают в бустерный синхротрон — кольцо меньшего размера, где их энергия увеличивается до рабочих 3 миллиардов электронвольт. Готовый пучок переводится в главное накопительное кольцо периметром 476 метров.
Внутри кольца электроны движутся по кругу с огромной скоростью, близкой к скорости света, и удерживаются на нужной траектории при помощи нескольких сотен мощных магнитов. Ключевой момент заключается в том, что, когда заряженная частица меняет направление движения, она теряет часть энергии в виде электромагнитного излучения. Если заставить миллиарды электронов постоянно поворачивать по окружности, то возникает поток рентгеновских фотонов.
СКИФ на раннем этапе строительства. Источник: sib.fm
Для того чтобы излучение было ещё более интенсивным, в кольце устанавливают специальные устройства — ондуляторы и вигглеры. Они представляют собой ряды магнитов, которые заставляют пучок колебаться влево-вправо, и чем чаще происходят эти колебания, тем больше света испускается и тем более определённые свойства он приобретает. Излучение выводится из кольца по касательным каналам и направляется на экспериментальные станции, расположенные вокруг основного круга. Каждая такая станция — это отдельная лаборатория со своим оборудованием и своей научной задачей.
Одни станции предназначены для изучения структуры белков и других биологических молекул, другие — для исследования металлов и сплавов при высоких температурах и давлениях, третьи — для анализа минералов или археологических находок. Всего вокруг кольца планируется разместить несколько десятков станций, часть из них уже готова к работе. Благодаря этому один и тот же пучок света может одновременно обслуживать множество независимых исследовательских групп, что делает установку очень эффективной.
Принципиальный дизайн синхротрона
Следует также упомянуть, что СКИФ создавался с расчётом на дальнейшее развитие: вокруг основной установки предусмотрено пространство для новых станций и оборудования, поэтому комплекс сможет расширяться и совершенствоваться по мере роста научных запросов. В целом конструкция следует устоявшейся мировой схеме «линейный ускоритель — бустер — накопительное кольцо», но конкретные параметры подобраны так, чтобы добиться рекордной компактности пучка. Это результат многолетней работы Института ядерной физики СО РАН и других организаций, которые проектировали и изготавливали оборудование. Важно понимать, что высокая яркость не является самоцелью: именно она определяет, насколько тонкие детали можно рассмотреть в исследуемом образце и насколько слабые сигналы удастся зафиксировать.
На страже технологического суверенитета
Практическое значение установки можно пояснить на нескольких примерах из разных областей. В материаловедении синхротронное излучение позволяет изучать расположение атомов в металлах, сплавах, керамике и полимерах. Зная, как устроен материал на атомном уровне, инженеры могут прогнозировать его прочность, устойчивость к нагреву, износу и коррозии. Это особенно важно для авиационной и космической отрасли, где требуется создавать лёгкие и одновременно очень прочные детали.
В фармацевтике и биологии с помощью яркого рентгеновского света определяют форму и строение крупных молекул — белков, ферментов, рецепторов. Такие сведения необходимы для разработки лекарств, которые действуют точно на нужную мишень, не затрагивая здоровые клетки. Это касается и новых антибиотиков, и противоопухолевых препаратов, и вакцин. В геологии и нефтехимии синхротрон помогает изучать поведение минералов при высоких давлениях и температурах, воспроизводя условия, близкие к земным недрам. Это позволяет точнее оценивать запасы полезных ископаемых и разрабатывать более эффективные катализаторы для переработки сырья.
Есть и неочевидные применения. Во время визита президенту рассказали, что с помощью СКИФа в электронике можно выявлять вредоносное микрооборудование, скрытое на уровне кристаллической структуры микросхемы и не обнаруживаемое обычными антивирусными программами. Речь идёт о так называемых аппаратных закладках — небольших схемах, которые могут быть встроены в чип на этапе производства. Рентгеновский анализ позволяет увидеть лишние элементы даже внутри готового устройства.
Помимо этого, синхротрон используется в археологии и искусствоведении для изучения старинных предметов без их повреждения, а также в экологии — для анализа состава почв, воды и атмосферных частиц. Для российских учёных появление СКИФа означает, что доступ к современному синхротронному излучению больше не требует поездок за границу и многомесячного ожидания очереди на иностранных установках. Любая научная группа из России может подать заявку на проведение эксперимента и после экспертной оценки получит время работы на станции. Это снижает зависимость от внешних условий и ускоряет исследования. В Новосибирской области уже действует Академгородок с его институтами и университетами, поэтому СКИФ логично встраивается в существующую научную среду.
Источник: kcsni.nrcki.ru
Помимо новинки из Кольцово, в России действуют еще два крупных синхротонных комплекса. В столице успешно функционирует Курчатовский специализированный источник «КИСИ-Курчатов» на базе накопительных колец «Сибирь-1» и «Сибирь-2», где ведутся передовые исследования в области нанотехнологий, биотеха и медицины. В новосибирском Институте ядерной физики им. Будкера СО РАН действуют ускорительные комплексы ВЭПП-3 и ВЭПП-4, которые совмещают функции электрон-позитронных коллайдеров и источников яркого синхротронного света для нужд сибирских ученых.
СКИФ не последний «мегасайнс» российской фундаментальной науки. В ближайших планах флагманская мегаустановка «СИЛА» (СИнхротрон-ЛАзер) на базе Курчатовского института в подмосковном наукограде Протвино. Синхротрон объединит в себе возможности мощного ускорителя электронов 4-го поколения и рентгеновского лазера на свободных электронах. Периметр основного накопительного кольца превысит 1 километр. Проект находится на этапе активных инженерно-строительных работ, а вокруг гигантского исследовательского центра возводится сопутствующая инфраструктура, включая научный городок, лаборатории и жилье для сотрудников.
Концепт РИФ на острове Русский
Параллельно запускается строительство специализированного синхротрона «РИФ» (Русский источник фотонов) на острове Русский во Владивостоке. Проект уже успешно прошел Главгосэкспертизу, под него выделена площадка в несколько десятков гектаров, а непосредственная закладка фундамента и сборка машины стартуют в текущем 2026 году. Возведение этой дальневосточной мегаустановки рассчитано на четыре года с плановым завершением к 2030 году. Новый синхротрон станет главным научным форпостом региона и сфокусируется на фундаментальных задачах физики, материаловедения, фармакологии и изучении ресурсов Мирового океана.
В Зеленограде планируется восстановление технологического накопительного комплекса (по-другому — синхротрон), который не успели достроить в Советском Союзе. Помешал развал страны и последующее хроническое безденежье. У проекта есть вполне прикладное назначение. Директор новосибирского Института ядерной физики им. Г. И. Будкера комментирует:
Технологический накопительный комплекс будет востребован для разработки отечественной технологической цепочки производства микроэлектроники. Это будет основной инструмент, который позволит создавать, испытывать и отлаживать технологию так называемых литографов, которые делает фактически одна компания в мире.
Путь восстановления технологического суверенитета тернист и долог, но государству необходимо его пройти. Рождение СКИФа позволяет надеяться на правильный выбор направления движения.
Информация