Текст уведомления здесь
Начало строительства синхротрона DiamondФото: Courtesy of Diamond Light Source

«Повышение яркости — это тренд»

Ричард Волкер — о том, с какими проблемами сталкиваются и будут сталкиваться строители синхротронов

Россия вступает на путь создания в стране современных источников синхротронного излучения, и потому полезно изучить опыт тех, кто пока чуть впереди. Какие сложности могут возникнуть при строительстве синхротрона? Сколько рабочих мест он может дать? Кому нужны подобные установки? Зачем их модернизировать? Сколько средств необходимо на апгрейд и как их привлечь? Как не упустить своих пользователей и какие трудности могут возникнуть при работе с ними? Ричард Волкер, технический директор Национального источника синхротронного излучения Великобритании Diamond Light Source, рассказал корреспонденту «Чердака» о британском пути развития и помог нам заглянуть в будущее, проанализировав проблемы, с которыми, возможно, придется столкнуться российским специалистам.
Добавить в закладки
Комментарии

[Ch.]: Ричард, сколько времени ушло на постройку Diamond Light Source?

[РВ]: Компания Diamond L.S. была основана в апреле 2002 года, в марте 2003 года началось строительство, а в январе 2007 состоялся первый эксперимент. Получается, мы построили и запустили его меньше чем за четыре года. К этому моменту были готовы административное здание, синхротрон, ускоритель и семь станций.

[Ch.]: Скорость впечатляет!

[РВ]: Это достаточно быстро, мы работали очень динамично.

СПРАВКА «Чердака»
В начале февраля 2018 года в новосибирском Академгородке состоялся Совет по науке и образованию и встреча ученых Сибирского отделения РАН с президентом России Владимиром Путиным. Одним из итогов этих мероприятий должно стать создание специализированного источника синхротронного излучения четвертого поколения (ИССИ-4) в городе Протвино и синхротронного ускорителя в новосибирском Академгородке. Соответствующее поручение президента направлено на реализацию Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации, в которой особое внимание уделяется созданию установок класса «мегасайенс».

[Ch.]: Что было сложнее всего в реализации этого проекта?

[РВ]: На мой взгляд, главная сложность во время строительства комплекса была в нарушении сроков поставок оборудования. Многие компании отставали от утвержденного графика. Из-за этого приходилось корректировать планы работ по сборке и монтажу, уплотнять и распараллеливать эти этапы работ.

Были проблемы и со строительством здания. А ведь здание — критично важная часть всего проекта. Пока оно не построено и не приведено в надлежащее состояние, вы не можете приступить к установке и монтажу научного оборудования.

Также у нас были проблемы с системой водного охлаждения. Она тоже не была вовремя готова по разным причинам. Поэтому мы начали первые тестовые работы с пучком в накопительном кольце в мае 2006 без системы водяного охлаждения.

СПРАВКА «Чердака»
Источники синхротронного излучения — это современный мультидисциплинарный инструмент, который используют физики, химики, медики, биологи, фармацевты, геологи, археологи, криминалисты и многие другие. В области структуры белков и молекулярной биологии около половины Нобелевских премий за последние двадцать лет были получены благодаря использованию синхротронного излучения. Это беспрецедентный «микроскоп», который позволяет изучать самые разные объекты — от предметов искусства до вакцин и вирусов. 
В мире существует более 50 источников синхротронного излучения, при этом в некоторых странах их насчитывается несколько. Например, в США за всю историю в разное время работало восемь синхротронов, в Германии — семь, в Японии — пять. В России на данный момент действует один специализированный источник поколения 2+ «КИСИ-Курчатов» в НИЦ «Курчатовский институт», а также два неспециализированных в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН.

[Ch.]: Насколько я знаю, для идеальной работы синхротрона не должно быть вибраций. Как вы выбирали место для него?

[РВ]: Diamond расположен в очень тихом месте, кроме того, мы сделали все, чтобы минимизировать эффект от вибраций. При строительстве мы использовали 15-метровые сваи. Они составляют основу мощного фундамента, на котором расположены ускоритель, накопительное кольцо и экспериментальный зал. Эта «сборка» изолирована от самого здания комплекса. Мы сделали все, чтобы усилить устойчивость, и это работает, это очень устойчивая конструкция.

Так спустя три года после начала строительства выглядел DiamondФото: Courtesy of Diamond Light Source

[Ch.]: Diamond — огромная и очень сложная научная установка. Как поддерживается ее работа? Сколько сотрудников отвечает за ее работоспособность?

[РВ]: Всего в Diamond работает 600 человек. При этом некоторые из них являются пользователями, то есть могут проводить самостоятельные исследования. Сложно сказать, сколько людей участвует в поддержке работы всего комплекса. Некоторые задействованы только на ускорителе, другие — на каналах вывода излучения и экспериментальных станциях, кто-то и там и сям. Например, у нас только одна вакуумная группа, но при этом вакуум есть и в самой установке, и на станциях, и еще много где. Давайте я вам скажу примерно: в эксплуатации ускорительного комплекса участвует около 100 человек. Они занимаются поддержкой работы установки, разработками, управлением синхротроном, сюда же входит команда операторов.

[Ch.]: А что делает другая часть сотрудников?

[РВ]: Прочие управляют станциями, которые тоже требуют своего персонала, ученых, постдоков, технических работников, так что только в экспериментальной части задействовано 200 человек. Кроме того, существует служба поддержки.

[Ch.]: Подразумевает ли работы источника СИ модернизацию? Как часто она должна проводиться и по каким причинам?

[РВ]: Мы постоянно работаем над модернизацией. Частично она касается станций, на которые устанавливается новая оптика и детекторы, чтобы увеличить их экспериментальные возможности. Модернизация происходит непрерывно. В прошлом большинство средств уходило на создание новых станций. Мы начали с 7 (первая очередь), потом построили еще 14 (вторая очередь), потом еще 11 (третья очередь). Сейчас мы получаем ежегодно около 10 миллионов фунтов на текущую модернизацию и повышение надежности комплекса. Так что это непрерывный процесс, необходимый для того, чтобы поддерживать производительность установки на самом высоком уровне.

[Ch.]: Есть ли у вас планы по глобальному обновлению установки?

[РВ]: Да, это Diamond-2, но пока это только проект, мы начали работать над ним два года назад.

[Ch.]: Что это будет за машина?

[РВ]: Планируется, что это будет машина с более низким эмиттансом и более высокой яркостью.

Ричард ВолкерФото: Courtesy of Diamond Light Source

[Ch.]: А зачем вам еще больше яркости? Уже и так вроде бы куда как ярко.

[РВ]: Повышение яркости — это тренд. Многие источники СИ модернизируются, строятся новые установки с предельными параметрами, в Швеции — MAX-IV, во Франции — установка ESRF скоро закроется на год на крупный апгрейд. Наше обоснование должно быть убедительным для сообщества пользователей, а также для политиков. Эта работа сейчас в самом начале, мы только начали вести обсуждения с пользователями. Нам предстоит разработать проект, заручиться поддержкой пользователей, получить одобрение научного комитета советников и совета директоров Diamond. Обоснование проекта и получение финансирования — это долгий процесс, на него может уйти несколько лет, поэтому новая установка будет построена нескоро, примерно в 2025—2026-м. С момента получения финансирования пройдет около трех лет.

[Ch.]: Во сколько оценивается подобный апгрейд?

[РВ]: Для апгрейда необходимо около ста миллионов фунтов. Сумма может быть больше или меньше, в зависимости от того, что мы в нее закладываем. Если решим глобально модернизировать синхротрон, нужно будет улучшать станции, ставить новую оптику, это будет еще 50 миллионов. Но в целом это гораздо меньше, чем сумма, которая потребовалась бы на абсолютно новую установку.

[Ch.]: Что вы делаете, чтобы получить эти деньги, как вы взаимодействуете со своим правительством? Какова роль пользователей?

[РВ]: При получении финансирования важна поддержка пользователей. В Diamond проводят исследования ученые из самых разных областей науки, и, чтобы продемонстрировать свою заинтересованность в новом проекте, они должны написать письмо, из которого будет следовать, что они сильно нуждаются в апгрейде Diamond. Они должны заявить, что полный апгрейд установки поможет им достигнуть абсолютно нового качества исследований и что они действительно нуждаются в этом.

СПРАВКА «Чердака»
Статистика говорит о том, что в 2017—2018 гг. в Diamond произошел существенный рост количества пользователей, то есть спрос на применение в Великобритании синхротронного излучения существенно возрос. За последние два экспериментальных сезона наблюдается примерно 20-процентный рост количества смен. Это лучшее свидетельство того, что апргрейд установки — актуальная задача.

[Ch.]: В этом вопросе важно мнение только национальных пользователей?

[РВ]: Мы открыты всему миру, но принципиально для нас важно мнение британских пользователей, конечно. Да, мнение сильных иностранных пользователей тоже может быть важно (у нас мощная международная экспертиза благодаря нашему научному комитету советников), но определяющим будет слово британских ученых.

[Ch.]: Сколько всего станций в Diamond?

[РВ]: Этот вопрос звучит как простой, но на самом деле на него сложно ответить. Если станция имеет дополнительный канал отвода излучения, это одна станция или уже две? Если она находится на стадии ввода в эксплуатацию, то ее уже можно считать или пока рано? У нас примерно 27 станций, но среди них есть такие, которые независимо используют излучение от двух разных генераторов СИ, выводимое по одному каналу. Это один канал вывода излучения, но две разные экспериментальные станции. Поэтому не так просто посчитать их, но давайте скажем — 27.

[Ch.]: Этого достаточно для пользователей?

[РВ]: У пользователей есть запрос на дополнительные станции, но у нас нет места. Между станциями расположено оборудование, в том числе сверхпроводящие вигглеры, которые построил Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера. В одном месте форма стены имеет изгиб, и сюда можно вставить станцию с необходимым оборудованием. Это позволит увеличить оснащенность установки.  Этот фактор надо учесть в будущем, потому что есть запрос от пользователей на еще несколько станций, но у нас больше нет места.

[Ch.]: Расскажите подробнее о своих пользователях, кто они?

[РВ]: Пользователи Diamond приезжают со всего мира. В период с апреля 2017 года по март 2018-го у нас было 11 588 пользовательских визитов, из которых 7076 из академической среды. Если один пользователь приходит дважды, то он считается как двойка. В основном они из Великобритании, но у нас также есть европейские и международные пользователи. Более сотни компаний сотрудничают с нами на коммерческой основе, то есть платят за использование установки. Стоимость не фиксированная, она зависит от станции. Примерно это 5—10 тысяч фунтов за восьмичасовую смену. Если пользователи сотрудничают с нами на коммерческой основе, они не обязаны публиковать свои результаты.

[Ch.]: Такая же система, как в ESRF.

[РВ]: Да, в этом случае мы получаем только ту информацию, которая позволяет судить, насколько безопасна эта работа, но научная публикация после исследования не обязательна. При этом многие частные компании работают в партнерстве с университетами, и университеты иногда подают запрос на пучковое время от лица своей организации, не указывая партнерство с бизнесом. То есть это тоже использование в промышленности, но мы не всегда о нем знаем. Вместе с тем эта информация необходима нам, так как мы должны предоставлять ее чиновникам и политикам.

[Ch.]: Как вы решаете эту проблему?

[РВ]: С одной стороны, мы стараемся выявить таких пользователей на самом начальном этапе проекта, узнаем, есть ли у них партнеры из индустрии через Офис пользователей, который взаимодействует с администрациями пользователей и собирают всю эту статистику. У них есть информация о том, какие эксперименты они планируют провести.

С другой стороны, мы должны сохранять баланс. Мы хотим быть конкурентоспособными, но, если ученый столкнется со стеной административных сложностей, он пойдет в другое место, зная, что здесь низкий шанс получить пучковое время.

Таким образом, пользователи не платят, если они из академической среды, время дается бесплатно, кроме коммерческого использования.

[Ch.]: Как много заявок вы получаете от пользователей каждый год?

[РВ]: С апреля 2017-го по март 2018 года 1515 заявок было подано, и 1095 — одобрено. Распределение пучкового времени осуществляется Экспертным советом. Его члены приглашаются для работы в Diamond на срок до трех лет. Diamond выбирает председателя Совета, который занимает свой пост в течение двух лет. В Совете есть 12 отделений для охвата всех исследовательских направлений Diamond.

[Ch.]: Много у вас лояльных пользователей?

[РВ]: Я думаю, ученые движимы наукой, а не привязанностью к конкретной организации. Они лояльны только этому. У них есть возможность подать заявку на установки во Францию, Швецию и другие страны. Европа очень маленькая, пользователи могут подать заявку сразу в несколько стран, чтобы быть уверенными, что получат время. Я думаю, они могут быть лояльны к конкретному синхротрону, только если получат качественные данные, если же нет, быстро уйдут куда-то еще. Конечно, мы хотим, чтобы они приходили к нам. И я знаю, некоторые пользователи говорят, что у нас по определенным параметрам они получают самые лучшие данные в мире. Поэтому мы и должны развивать установку. Если остановить модернизацию, спустишься вниз очень быстро и пользователи уйдут на другие установки.

[Ch.]: Каков цикл заявки?

[РВ]: Цикл прохождения заявки — шесть месяцев, но этот срок варьируется — сюда входит анализ Экспертного совета, который оценивает важность исследования, его научный потенциал. Каждые полгода к нам поступают предложения, которые рассматриваются международными экспертами из разных областей знаний (физические науки, науки о жизни, кристаллография, материаловедение). Затем мы должны распределить между ними время и проинформировать пользователей.

Иногда они могут ждать и девять месяцев или же три-четыре месяца. Есть коллективные заявки, и они могут запрашивать больше времени на всех сразу, и эта схема проще. Есть быстрые эксперименты.

[Ch.]: Сколько длился самый длинный эксперимент?

[РВ]: Экспериментальные смены зависят от типа исследования. Продолжительность смены варьируется от 24 часов до двух недель. Тем не менее у нас есть специальная станция, предназначенная для проведения длительных экспериментов, и на них вы можете запрашивать время до двух раз в год. В июле 2017 года закончился самый длинный эксперимент — он длился 1000 дней. Он был направлен на исследование гидротации цемента, используемого в ядерной промышленности для безопасного хранения отходов. Еще один пример длительного эксперимента — изучение процессов окисления в батарейках. При этом вам не требуется сидеть рядом с ними: образец помещается внутрь на необходимое время, и потом вы вынимаете его, и это не занимает много ресурсов установки.

Некоторые пользователи пишут заявки только на одну смену — восемь часов. Есть эксперименты, для которых этого времени достаточно, например в кристаллографии. С помощью роботов, которые у нас есть, вы можете исследовать тысячи образцов. Робот кладет образцы под пучок, снимает измерения, вынимает. Он обрабатывает один образец в минуту. За одну минуту можно получить информацию, которая уже пригодна для публикации. Если вам достаточно одной минуты, благодаря автоматизации вы можете исследовать за смену много образцов. Это очень быстрые эксперименты. Некоторые, конечно, могут занимать несколько недель, если они более сложные. Это варьируется.

[Ch.]: Какие у вас любимые исследования?

[РВ]: У нас проводится много интересных экспериментов, для меня они все важны — от структуры протеина до экологических работ. Наиболее социально полезными являются исследования, связанные с открытием лекарств и пониманием их структуры, материаловедческие работы, процессы в аккумуляторах, исследования окружающей среды, например о том, как токсины попадают в растения и как они могут быть оттуда извлечены. Интересно все — от среды до здоровья.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы