Базовая установка ОИЯИ ИБР-2 — единственный в мире исследовательский импульсный реактор периодического действия на быстрых нейтронах, входящий в топ-5 наиболее «ярких» источников нейтронов в мире – была переведена в режим временной остановки в октябре 2021 года в связи с необходимостью технического обслуживания и ремонта. Физические эксперименты на установке планируется возобновить лишь к осени 2023 года. Однако в Лаборатории нейтронной физики появился уникальный прибор, позволяющий не останавливать на это время целый спектр исследований, а также выстраивать новое сотрудничество.
Речь идет о станции рентгеновского рассеяния Xeuss 3.0 производства французской компании XENOXS, которая дает возможность продолжить практически весь спектр исследований ОИЯИ с использованием методов рассеяния нейтронов. На приборе можно в режиме реального времени исследовать структуру материалов и наноматериалов от атомного до наноразмерного масштаба.
Среди объектов исследования Xeuss 3.0 наночастицы и коллоиды, неорганические материалы, исследования полимеров, структурная биология, нефть и газ, возобновляемые источники энергии, косметика и продукты питания. На сегодняшний день это единственный действующий прибор такого класса на территории России.
Если упрощенно описать принцип работы Xeuss 3.0, то в нем источник из меди или молибдена генерирует падающий рентгеновский луч, который коллимируется (т.е. его лучи становятся параллельными) оптическими и щелевыми системами в вакуумной трубке. Далее луч проходит через образец, а рассеянный луч, который как раз и дает информацию о структуре, собирается на детекторах. В приборе предусмотрено несколько различных держателей для образцов в различных состояниях: твердое, гелевое, жидкое и так далее.
Xeuss 3.0 работает методами малоуглового (SAXS) и широкоугольного (WAXS) рентгеновского рассеяния, и дает возможность осуществлять их за один проход, экономя время для исследований. При помощи метода малоуглового рентгеновского рассеяния SAXS (англ. Small Angle X-Ray Scattering) изучают строение биологических макромолекул и их комплексов (белков, нуклеиновых кислот, вирусов, мембран и др.), дефекты в металлах, особенности магнитных систем, а также характеристики натуральных и синтетических полимеров как в растворах, так и в твердом состоянии. Жидкости и аморфные тела, поликристаллические и пористые вещества, сплавы, порошки также могут быть изучены этим методом. WAXS (Wide-Angle X-Ray Scattering) — широкоугольное рентгеновское рассеяние по принципу действия аналогично SAXS, но исследует структуру материалов в диапазоне длины меньшем, чем расстояние между атомами. Кроме этого, прибор обладает ультрамалоугловой модой USAXS (Ultra Small-Angle X-Ray Scattering), которая позволяет изучать внутреннюю структуру и форму материалов до микронных масштабов. «В настоящее время прибор пользуется повышенным спросом среди сотрудников ЛНФ и коллег из научных центров России», — комментирует старший научный сотрудник ЛНФ, к. ф.-м. н. Юлия Горшкова, ведущая исследования на новом приборе, Xeuss 3.0.
Малоугловое рассеяние нейтронов на ИБР-2 и рентгеновское рассеяние на Xeuss 3.0 во многом дополняют друг друга, что позволит в будущем получать дополнительную информацию об исследуемых материалах. По словам Юлии Горшковой, применение обоих методов, дает возможность проводить самостоятельные междисциплинарные исследования в области физики конденсированного состояния, материаловедения, химии, биологии, геофизики, фармакологии, медицины, ядерной физики, экологии и других.
При этом после возвращения ИБР-2 в строй в 2023 году новый прибор Xeuss 3.0 не останется без дела. Xeuss 3.0 позволит существенно снизить нагрузку на установку малоуглового рассеяния нейтронов ЮМО на реакторе. Из 14 установок, включенных в Программу пользователей ИБР-2 в ЛНФ ОИЯИ, на этот спектрометр приходится порядка 30 % от общего количества подаваемых заявок пользовательской программы ЛНФ. Также следует учесть, что работа реактора подразумевает остановки и техническое обслуживание, он не может работать беспрерывно. После остановки ИБР-2 «остывает» около месяца, а после включения около недели набирает рабочую мощность. В итоге суммарно в год на реакторе около 100 рабочих дней и спрос на его пучковое время сильно превышает «предложение». В это же время Xeuss 3.0 способен фактически работать в режиме 24/7.
«Вся наша научная программа, которую мы выполняли на реакторе, сейчас благодаря Xeuss 3.0 будет продолжена. Я думаю, что наш отдел выйдет с ним на очень хорошие результаты, в том числе по публикациям», — подвела итог Юлия Горшкова.