Система вывода синхортронного излучения с одного из участков накопителя ВЭПП-2М. Новосибирск, Институт ядерной физики.

С развитием науки и техники человек все более широко использует электромагнитные волны для научных исследований и в ряде технологий. Для их генерирования создано множество разнообразных приборов - это различные лампы, клистроны, рентгеновские трубки и т.д. Электромагнитное излучение, испускаемое ими, обусловлено обусловлено одним и тем же - ускоренным движением заряженных частиц.

В циклических укорителях и накопителях, используемых в качестве источников СИ, электроны движутся в магнитном поле , направление которого перпендикулярно вектору скорости частиц. Действие магнитного поля сводится не к изменению абсолютной величины скорости, а к изменению направления движения. В этом случае такой участок траектории представляет собой элемент окружности, а электроны испытывают центростремительное ускорение. Оно то и является основной причиной электромагнитного излучения электронов в магнитном поле. В 1944 году советские физики Иваненко и Померанчук создали теорию этого явления. Экспериментально оно было обнаружено Блюитом и Хабером (1947 год), которые визуально наблюдали свет от электронов, ускоряемых в синхротроне. Отсюда и название - синхротронное излучение.

Характерные особенности СИ обусловлены тем, что сам источник излучения - сгусток электронов в вакуумной камере - движется со скоростью, очень близкой к скорости света. Мы имеем дело с так называемыми ультрарелятивистскими электронами, энергия которых составляет десятки и сотни МэВ (миллион электрон-вольт) и даже десятки ГэВ (миллиард электрон-вольт). Это существенно (в сотни и тысячи раз) больше массы покоя электрона, которая, как известно, равна 0.5 Мэв.

Благодаря чрезвычайно высокой скорости излучателей-электронов, движущихся по направлению к наблюдателю, частота принимаемого им электромагнитного излучения резко возрастает за счет эффекта Допплера. Практически синхротронное излучение на шкале электормагнитных волн занимает громадный спектральных диапазон, перекрывая инфракрасную, видимую, ультрафиолетолвую и рентгеновскую области. За исключением спектрального интервала, занмаемого лазерами, эта интенсивность в 10-100 тысяч раз больше, чем у традиционных источников света.

     медицина

Из наиболее многообещающих применений СИ в современной медицине следкет назвать прежде всего ангиографию - оперативную рентгеноскопию состояния кровеносных сосудов пациента. Рентгенодиагностика с применением синхротронного излучения и новых эффективных детекторов, например, запоминающих экранов, позволяет существенно снизить радиационные нагрузки на пациента. Другое, не менее важное применение - анализ элементного состава медицинских препаратов, т.е. неразрушающий контроль и сертификация медикаментов а уровне чувствительности к малым (вредным в том числе) примесям, недоступным для других методов. На снимке - коронарная артерия человека с бляшкой и тромбами.

     микромеханика

Яркий (интенсивный) пучок СИ можно использовать в качестве "микрорезца" для размерной обработки материалов и изготовления  различных деталей, механизмов и увтройств микроскопических размеров. Это так называемый LIGA - процесс, активно развиваемый сегодня. Типичный размер изделий, изготавливаемых по этой технологии, порядка нескольких микрометров, что и определяет первую из возможных областей применения: медицина, механические устройства, поддерживающие жизнедеятельность организма (насосы в кровеносной системе, например! ). Подобная техника, находящаяся сегодня на стадиии лабораторных разработок, получит интенсивное развитие в ближайшее десятилетие.

     микроэлектроника

Технология рентгеновской литографии на основе СИ - нанесение на поверхность кристалов проводящих покрытий заданной конфигураци - позволяет на один-два порядка уменьшить размеры нынешних элементов электронных схем. Это дает возможность резко увеличить быстродействие вычислительной техники. В недалеком будущем будут исчерпаны воозможности современных субмикронных технологий и произойдет переход на нанометровый уровень ("нанотехнологии"). Сегодня подобные разработки ведутся на источниках СИ передовыми электронными фирмами мира (IBM и другие).

     материаловедение

Методы рентгеноструктурного и элементного анализа на основе СИ находят сегодня широкое применение в разработке новых материалов. Уровень чувствительности и быстродействия анализа на основе СИ позволяет вывести разработку новых материалов но уровень, недостижимый для традиционых методов. СИ также используется при разработке новых эфективных люминесцентных детекторов, в частности, сцинтиляторов. Для получения полимерных материалов с заданными свойствами необходимо эффективно влиять на процессы их формирования.  Процессы эти идут очень быстро, и, чтобы управлять ими, нужно непрерывно получать подорбную информацию. СИ позволяет исследовать кинетику структурных превращений при полтмеризации, информацию о структуре можно получить за доли секунды.

   экология

Высокочувствительные методы элементного (рентгенофлуоресцентного) анализа на основе СИ, развитые сегодня , позволяют выйти на качественно новый уровень контроля состояния окружающей среды. При этом решается проблема точного измерения концентрациималых примесей элементов "всей таблицы Менделеева". С помощью СИ  удается регистрировать концентрацию элементов на уровне 10^-8 атомов примеси на атом. Эти методы позволяют осуществить, в частности, анализ состава аэрозолей, осадков  и примесей воды для экологического мониторинга.

 Яркий, коллимированный и стабильный пучок синхротронного изхлучения, который при необходимости можно настроить на любую длину волны, позволил создать рентгеновскую микротомографию. С его помощью можно получать микроскопические изображения поперечных срезов небольших образцов. Достигаемое при этом разрешение составляет чуть больше 1 мкм (миллионная доля метра) - это в 1000 раз лучше, чем для обычных томографов. На снимке: изображение оболочки бактерии с отложениями железа, ширина поля изображения около 5 мкм.

   биология

Современные яркие источники СИ дают возможость резко продвинуться на нескольких направлениях в биологии. Одним из первых таких направлений стал рентгеноструктурный анализ белков, а пионерские работы были выполнены группой исследователей из ИАЭ (РНЦ "Курчатовский институт") и ИТЭБ РАН (Пущино) на накопителе ВЭПП-3 в ИЯФ СО РАН еще в 70-х годах.  Сегодня эти методы в значительной мере определяют развитие генетики, генной инженерии, биотехнологий. Кроме применений СИ в этой области, синхротронное излучение предполагается исползовать для широкого круга исследований: изучение таких объектов, как мышечные волокна, включая динамику структурных перестроек живых объектов ("рентгеновское кино")   кристаллография белка и исследованиея структуры органических молекул; динамика белков, структура активных центров белков и различных биокатализаторов, микрохирургия и фототерапия. На снимке: молекулярная структура нуклеосомы.