Скандинавские нейтроны

Васильев Д.А.
(«ХиЖ», 2018, №9)

Весной 2018 года ESS (European Spallation Source — Европейский импульсный источник) организовал экскурсию для группы научных журналистов, среди которых оказался и наш корреспондент Д.А. Васильев. ESS — многопрофильный исследовательский центр на юге Швеции, возле старинного университетского городка Лунда. Там строится объект, который со временем станет самым длинным линейным протонным ускорителем с самым ярким нейтронным источником. Он будет готов к 2023 году, однако даже сейчас о только строящемся объекте есть что рассказать.


pic_2018_09_02-1.jpg

Будущий комплекс. От кольца ускорителя MAX IV его отделяет несколько зданий.

Изображение: ESS



Есть в Асгарде место Хлидскьяльв. Когда Один восседал там на престоле, видел он все миры и все дела людские, и была ему ведома суть всего видимого.

Младшая Эдда. Видения Гюльви



Место для нейтронов

Исследования с применением нейтронов начались с послевоенных экспериментов Клиффорда Шалла и Эрнеста Уоллена в Окриджской национальной лаборатории США и их канадского коллеги Бертрама Брокхауса из Ядерной лаборатории в Чок-Ривер. Эти исследования позволили впервые получить снимки молекулярных структур вещества, а Шалл и Брокхаус удостоились Нобелевской премии 1994 года «за создание нейтронной спектроскопии». Уоллен не дожил до заслуженного признания.

pic_2018_09_03-1.JPG
Система охлаждения источника

Свои опыты Шалл и Уоллен ставили на нейтронах, которые получались как побочный продукт ядерной реакции в окриджском атомном реакторе. А первый крупный источник, сделанный специально для нейтронной спектроскопии, построили в гренобльском Институте Лауэ и Ланжевена в 1971 году. Однако со временем нейтронные источники на ядерных реакторах приблизились к пределу своих возможностей, и на смену им пришла новая технология — импульсных источников. Главным в ней является ускоритель протонов. Разогнанные в нем сгустки частиц бомбардируют мишень из какого-либо тяжелого металла. Влетающая в ядро высокоэнергичная частица взаимодействует с его отдельными нуклонами и выбивает их из ядра. Остаток находится в состоянии сильного возбуждения, которое снимется за счет испускания гамма-квантов, протонов, нейтронов и более сложных частиц. При этом заряженные частицы быстро теряют энергию на ионизацию материала мишени, а протоны оказываются основной вылетающей из нее компонентой. Их собирают, формируют пучок и отправляют в исследовательский прибор. Первый такой источник построили в Аргонской национальной лаборатории Минэнерго США в 1981 году, а закрыли в 2008-м. Импульсные источники отличаются от реакторных стабильностью работы, безопасностью, высокой яркостью и возможностью создания направленного пучка.

Европейская ассоциация пользователей нейтронных источников (European Neutron Scattering Association, ENSA) высказывалась за строительство самого мощного источника еще с 1993 года, однако этот проект получил зеленый свет лишь в 2011-м, когда 17 стран подписали меморандум о взаимопонимании и определили место постройки будущего комплекса в Швеции с центром обработки и хранения данных в Дании, в Копенгагенском университете. Изначально на роль дома для ESS претендовали еще два города: испанский Бильбао и Дебрецен в Венгрии, но в итоге выбор пал на городок Лунд на юге Швеции. Его выгодно отличали несколько параметров. Во-первых, это старинный студенческий городок; в Лундском университете сегодня находится часть лабораторий, которые позднее переедут в строящиеся для них здания на территории ESS. Во-вторых, он расположен вблизи уже действующего комплекса MAX 4 — мощнейшего источника синхротронного излучения. Это позволит проводить комплексные материаловедческие исследования с применением обоих источников. В-третьих, транспортная доступность: город находится вблизи международного аэропорта Копенгагена и добраться до него можно на поезде за 40 минут. От железнодорожной станции до самого комплекса будет курсировать трамвай, линия которого сейчас строится. Строительство же самого ESS началось в 2014 году.


Нейтроны в физике, химии, биологии

pic_2018_09_04-1.JPG
Испытательный макет детектора нейтронов

Чем хороши нейтроны для разного рода исследований? Будучи нейтральными частицами, они, двигаясь в твердом веществе, как взаимодействуют непосредственно с ядрами атомов, так и проникают в межатомные пространства. Поэтому по рассеянию нейтронов можно судить о пространственном расположении атомов и об изотопном строении вещества. Кроме того, из-за наличия собственного магнитного момента они дают информацию о внутреннем магнитном порядке.

Нейтроны глубоко проникают в вещество, поэтому в камеру для исследований можно поставить небольшую экспериментальную установку и следить за протекающими в ней процессами — динамикой химических превращений, движением биологических объектов, изменением структуры твердых тел. Нейтроны отлично подходят для зондирования: с их помощью можно исследовать атомные структуры и силы различных объектов — начиная от огромной детали и заканчивая медицинскими препаратами или белками. При этом чем ярче источник, тем более высокого разрешения снимка можно добиться. Как раз для обеспечения максимально яркого пучка нейтронов и строится ESS. Сами создатели, сравнивая свое детище с ныне существующими источниками, характеризуют его так: «Разница такая, как если делать фотографии при свече или с мощной вспышкой».

Сам комплекс не будет инициатором научных исследований, его задача — обеспечить доступ исследователям к нейтронному источнику, его приборам и обработать полученные данные. Для проведения эксперимента в ESS нужно будет подать заявку в комиссию, которая решит, кому и в какой очередности предоставить доступ к оборудованию. Приоритет получат, разумеется, страны — основатели проекта. Такой подход также обеспечит недоступность для военных исследований — идея ESS заключается в исключительно мирном использовании, в отличие от того же Окриджа. Заявки можно подавать уже на 2019 год, правда, в это время на ускорителе еще будет производиться отладка оборудования, так что потенциальным исследователям придется мириться с перебоями и остановками в работе источника. Полноценная работа запланирована после 2023 года.

pic_2018_09_03-2.JPG

Ионный источник — первое оборудование, поставленное по схеме «натурального» вклада в проект итальянским Национальны институтом ядерной физики. Его лаборатория в Катаньи делает такое оборудование уже более тридцати лет.

Особый интерес представляет модель обеспечения проекта. Большую часть финансирования (планировали 1,864 млрд. евро, сейчас сумма уже превысила 1,9 млрд.) взяли на себя принимающие государства — Швеция и Дания, остальные же страны-участницы обеспечивают комплекс оборудованием и предоставляют обслуживающий персонал, который будет насчитывать без малого шесть тысяч человек. Так, на момент проведения экскурсии итальянская сторона поставила ионный источник (на фото совсем новый, даже еще в упаковочной пленке).

Скандинавский социализм проявляется не только в свободном доступе к источнику для гражданских исследователей, но и в обработке данных. Все результаты исследований становятся открытыми через три года — этот срок считается достаточным для того, чтобы ученые опубликовала статьи о своей работе или написали диссертацию на ее основе. При такой схеме мощности комплекса предоставляют бесплатно, но тому, кто захочет, чтобы данные сразу попали в открытый доступ, придется заплатить за использование ресурсов ESS. Как заявляет руководство комплекса, такой подход может обеспечить не более 10% финансирования. Кстати, основатели проекта собираются пойти еще дальше: в перспективе создать единую общеевропейскую базу по нейтронным исследованиям, где будут собраны результаты всех экспериментов по этой теме.


Работа источника и приборов

pic_2018_09_02-2.JPG
Тоннель ускорителя протяженностью 600 метров

Сердце комплекса — нейтронный источник, он состоит из протонного ускорителя длиной 600 метров и мощностью 2 ГэВ и вольфрамовой (вместо традиционной для таких источников ртутной) мишени, в результате бомбардировки которой и образуются нейтронные пучки. Вокруг мишени расположены резервуары с водой и с жидким водородом, служащие замедлителями потока, и 15 приборов и инструментов — со временем их станет 22.

Для получения протонов в ускорителе используют ионный источник, где газообразный водород нагревают электромагнитным полем до состояния плазмы. Отделенные от электронов протоны попадают сначала в радиочастотный квадруполь, там они группируются в сгусток и получают энергию в 3,6 МэВ. Далее поперечные и продольные характеристики сгустка анализируются и корректируются в транспортировщике пучков средней энергии. Оттуда пучок направляется в дрейфовые трубки линейного ускорителя. На этом этапе важно скорректировать пучок протонов и придать ему достаточное ускорение. Пролетев по трубкам 50 метров, протоны попадают в сверхпроводящие камеры, которые охлаждаются жидким гелием до -271°C. Далее пучок ускоряется через линейные ускорители — Medium Beta Linac (MBL), High Beta Linac (HBL) — до 96% скорости света и попадает в мишень через транспортировщик пучков высокой энергии.

Сама мишень представляет собой вращающийся диск из стального каркаса диаметром 2,6 м и весом в 11 тонн с вольфрамовыми блоками. Ее охлаждают газообразным гелием, имеется также система резервного водяного охлаждения. Выбор именно в пользу вольфрама в качестве мишени был сделан как из-за прочности материала, так и в силу того, что при бомбардировке вольфрама получается большое количество нейтронов. Именно это решение позволило добиться небывалой яркости источника — она в сто раз выше, чем у любого из существующих нейтронных источников. Образовавшиеся нейтроны попадают в заполненный водородом или водой замедлитель с отражающим слоем из бериллия. (На первом этапе, пока ESS не вышел на полную мощность, замедление будет водяное.) Замедленные нейтроны по специальным каналам в итоге поступают в исследовательские станции, построенные вокруг мишени. Само помещение с мишенью облицовано сталью для предотвращения утечек ионизирующего излучения. Среди других мер безопасности — роботизированная система для замены изношенных материалов, например, стали вокруг вольфрамовых блоков, которая быстро разрушится.

pic_2018_09_04-2.JPG

Мишень с окружающими ее исследовательскими станциями

Изображение: ESS

Аппаратура — это в первую очередь различные дифрактометры, например DREAM (Diffraction Resolved by Energy & Angle Measurements) — порошковый дифрактометр, HEIMDAL — гибридный дифрактометр, MAGiC (Magnetism Single-Crystal Diffractometer) — дифрактометр для исследований по прикладной и теоретической физике, NMX — макромолекулярный дифрактометр, BEER — инженерный дифрактометр. Среди других приборов — рефлектометры ESTIA и FREIA, ODIN — многоцелевой «бог» для получения изображений, для малоуглового нейтронного рассеяния будут построены LoKI и SKADI. Также в распоряжении исследователей будут целых пять спектрометров: BIFROST, CSPEC, MIRACLES, T-REX и VESPA. Нетрудно заметить, что многие приборы получили названия в честь богов скандинавского пантеона, — наверное, это дань уважения принимающей стороне.


Нейтроны в действии

pic_2018_09_5-1.jpg

Яйца динозавра

Фото: Wenzel Schürmann / TUM)

Исследователи Боннского университета Томас Энглер и Ян Цзу-Жуэй решили воспользоваться нейтронной томографией в мюнхенском Исследовательском центре им. Хайнца Майера-Лейбница для изучения ценнейшей палеонтологической находки — яиц динозавров, обнаруженных в Китае в 2006 году. Ее уникальность заключается в том, что в одном гнезде были найдены сразу три яйца, с зародышами на различных стадиях развития. Это выяснили с помощью рентгена, однако он не дал возможности рассмотреть детали. В Германию яйца доставили для того, чтобы с помощью нейтронов под руководством доктора Малгожаты Маковской увидеть, что у них внутри, и построить трехмерные изображения содержимого.

Другим примером применения нейтронов для изучения древностей может служить работа Маковской на той же установке по исследованию черепа штекелерии — слегка похожего на носорога животного, жившего 230 млн назад, в триасовом периоде. Считается, что такие животные воспринимали звук с помощью небольшой косточки на нижней челюсти, но у исследуемого объекта, напротив, подобная косточка очень массивна. Что это — атавизм или она была частью слухового органа? С помощью нейтронной томографии построили компьютерную трехмерную модель черепа, достаточно детальную, чтобы найти биологи смогли поискать ответ на вопрос.

Источник FRM II принадлежит к числу реакторных источников. Работает он так. Из атомного реактора выводится пучок нейтронов. Они бьют по урановой мишени, вызывая реакцию деления и порождая существенное количество новых нейтронов, которые и служат рабочим инструментом исследователя.

pic_2018_09_5-2.jpg

Нейтронная реконструкция черепа штекелерии и сам череп (справа)

Фото: Malgorzata Makowska, Michael Laaß, Ingmar Werneburg



pic_2018_09_5-3.jpg

Вирус гепатита С прикрепляется к клетке

Изображение: Synthelis / Illuscienci

Исследователи компании «Synthelis SAS», Гренобльского университета и Института Лауэ и Ланжевена впервые изучили работу мембранного белка p7 вируса гепатита С в естественной среде и в реальном времени. Этот белок играет ключевую роль в механизме заражения вирусом, но до тех пор оставался малоизученным. С помощью нейтронного рефлектометра FIGARO в Институте Лауэ и Ланжевена, где установлен мощный нейтронный источник, удалось с разрешением в нанометры увидеть структуру белка p7 после его закрепления на липидном бислое, который изображал мембрану клетки. По словам управляющего директора «Synthelis» Бруно Тиллиера: «Нейтроны оказались главными в этом проекте, так как нам нужно было изучить структуру белка p7 в его естественной среде. Теперь мы можем использовать этот метод для изучения других мембранных белков в липидном бислое». Не исключено, что новое исследование поспособствует развитию вакцины от вируса.



pic_2018_09_5-4.jpg

Нейтронные снимки отлично совпадают с расчетными изображениями

Фото: Argonne National Laboratory

Аргонская национальная лаборатория Минэнерго США воспользовалась нейтронами для исследования коррелированных электронных структур в металлах. Обычно электроны в металле не связаны друг с другом, однако есть некоторые вещества, где связи между ними слишком сильны, чтобы можно было их игнорировать, — в этих веществах возникают коррелированные электронные системы. Их стабильность зависит от температуры. Одно из интересных теоретических предсказаний — при высоких температурах в таких системах возникают флуктуации, которые существенно снижают подвижность электронов. Материаловеды изучают подобные электронные структуры уже более полувека, но только благодаря нейтронным источникам удалось соотнести реальное поведение электронов с теми картинками, что дают математические модели. По словам руководителя группы Рэя Озборна: «Нейтронное рассеивание — единственный метод исследования, который чувствителен ко всему спектру электронных флуктуаций». Благодаря этому методу удалось непосредственно увидеть электронные флуктуации и, что самое главное, получить неплохое совпадение с расчетными данными.




Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 9/2018) на с. 2 — 5.

Разные разности

03.12.2018 18:00:00

...космическая система обнаружения дневных астероидов позволит в течение 5 лет выявить не менее 3000 астероидов размером более 10 м...

...Управление по контролю продуктов и лекарственных препаратов США одобрило новый противогриппозный препарат с иным механизмом действия, чем у тамифлю и других; препарат называется ксофлюза...

...исследованы с помощью фМРТ процессы в мозге собаки, когда она слышит знакомые и незнакомые человеческие слова...


>>
30.11.2018 10:00:00

Исследователи из Индианского университета обнаружили способ выделить себя среди производителей крафтового пива: надо объявить себя зеленым пивоваром. То есть таким, который борется за экономию энергии и сохранение окружающей среды.

>>
29.11.2018 12:00:00

Сотрудник МГУ имени М.В. Ломоносова просмотрел огромное число образцов многощетинковых червей, идентифицированных как Thelepus cincinnatus и обнаружил, что перед ним представители не одного вида, а четырёх разных.

>>
27.11.2018 18:15:00

Химики из Чалмерского технологического университета (Швеция) решили запасать солнечное тепло с помощью химической энергии.

>>
06.11.2018 15:40:00

…«Science» опубликовал шесть статей, посвященных финальному этапу исследования Сатурна автоматической межпланетной станцией Кассини…

…в Японии, возможно, будет разрешено редактирование генов человеческих эмбрионов в исследовательских целях...

…британские ученые с помощью CRISPR-Cas9 ввели в геном малярийного комара Anopheles gambiae мутацию, которая делает самок бесплодными при сохранении плодовитости самцов; такая мутация может полностью уничтожить вид…

>>