«XAFS-спектроскопия и магнитный дихроизм» — четвёртая по внутренней нумерации станция первой очереди Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов».

Станция предназначена для исследования локальной пространственной, электронной и магнитной структуры широкого класса объектов: химических, физических, геологических, биологических, археологических и других материалов. Установленный в качестве источника синхротронного излучения сверхпроводящий ондулятор, генерирующий излучение высокой яркости и интенсивности, позволит также проводить in situ/operando исследования функциональных материалов, в том числе катализаторов, используемых в химической промышленности.

«Инициатором создания станции «XAFS-спектроскопия и магнитный дихроизм» стал ФИЦ Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН, так как изучение катализаторов и каталитических процессов сегодня практически невозможно без применения методов спектроскопии рентгеновского поглощения. Помимо этого, особенность станции в том, что она дает возможность исследовать объекты без привязки к их структурной упорядоченности и в любом агрегатном состоянии: различные твёрдые материалы, сплавы, кристаллы, растворы, наночастицы и так далее. Метод полезен и для решения экологических задач, когда необходимо определить химические формы тяжёлых элементов-загрязнителей в почве, сточных водах. Важно отметить, что спектроскопию рентгеновского поглощения практически невозможно реализовать в условиях лаборатории и на лабораторном оборудовании, поэтому XAFS — исключительно синхротронный инструмент», — отметил заместитель директора ЦКП СКИФ по научной работе доктор физико-математических наук Ян Витаутасович Зубавичус.

3D модель станции 1-4 «XAFS – спектроскопия и магнитный дихроизм»

Кто занимается созданием станции и оборудования для нее?

Созданием станции и её инженерных систем, обеспечивающих стабильную и непрерывную работу, а также основной частью научно-экспериментального оборудования занимается Институт сильноточной электроники СО РАН (Томск). Одна из основных задач при конструировании станции — обеспечение синхротронного излучения с заданными параметрами и доведение его до изучаемого объекта. В объём работ по созданию станции сотрудниками ИСЭ СО РАН входит разработка эскизного проекта, конструкторской документации, изготовление и закупка необходимой техники, монтаж и пусконаладочные работы, а также инструктаж будущего персонала станции по вопросам её функционирования и радиационной безопасности. По словам учёных, все этапы будут завершены к концу 2024 года.

«Станция включает более сорока элементов различных инженерных систем, куда входит оборудование ограничительных конструкций, — оптического и экспериментального хатча (от англ. hutch — бункер/хижина), а также контрольной кабины и комнаты пробоподготовки. Есть держатель исследуемого образца, блок размещения образца сравнения, чтобы можно было сопоставить спектры эталона со спектрами изучаемого образца, а для записи спектров применяются кремниевые дрейфовые детекторы и ионизационные камеры. Мы разрабатываем мониторы положения пучка синхротронного излучения, вакуумную систему, опорные конструкции и виброзащиту. Некоторые узлы изготавливают наши коллеги из других научных и образовательных организаций, среди которых Томский политехнический университет и Новосибирский государственный технический университет, а также ряд других партнеров», — рассказал руководитель работ по созданию станции заведующий лабораторией пучково-плазменной инженерии поверхности ИСЭ СО РАН кандидат технических наук Владимир Викторович Денисов.

Как отмечают учёные, станцию «XAFS-спектроскопия и магнитный дихроизм» справедливо назвать самой универсальной из всех станций СКИФ. Её универсальность обусловлена тем, что предъявляются минимальные требования к исследуемым объектам — можно изучать твёрдые тела, аморфные материалы, газы, жидкости, вещества в сверхнизких концентрациях и другие. Несмотря на доступность метода в техническом плане, обработка получаемой с его помощью информации считается сложной. Чтобы качественно обрабатывать данные, специалисты должны обладать многолетним опытом и специальными навыками работы с программным обеспечением, используемым для расчётов.

3D-модель рентгенооптического оборудования в оптическом хатче

Что такое XAFS-спектроскопия?

«Спектроскопия рентгеновского поглощения — один из самых актуальных методов на каждом синхротроне. Он считается достаточно простым в реализации, не требующим сложных рентгенооптических устройств, при этом его востребованность в научном сообществе чрезвычайно высока. Особенность этого инструмента, в отличие от рентгеновской дифракции или фотоэлектронной рентгеновской спектроскопии, в том, что в 98 % случаев он способен работать только на синхротронных установках. Метод XAFS-спектроскопии позволяет получить полную и детальную информацию об исследуемом образце, а также локальном строении вещества, поэтому её можно считать одним из самых серьёзных информационных методов для характеризации твёрдых тел в частности. Спектроскопия рентгеновского поглощения предоставляет важные и нужные сведения для самых разнообразных объектов: от катализаторов и полупроводниковых плёнок до геологических и археологических находок и даже объектов культурного наследия. Имеет значение и то, что метод неразрушающий и нет необходимости по-особенному готовить образцы для изучения», — рассказал координатор разработки и создания станции старший научный сотрудник отдела синхротронных методов ЦКП СКИФ кандидат физико-математических наук Андрей Александрович Сараев.

Из трёх базовых методов на текущем этапе конструирования станции пока будет реализована только спектроскопия рентгеновского поглощения. Методы рентгеновской эмиссионной спектроскопии и спектроскопии магнитного дихроизма будут осуществлены на последующих этапах развития станции. Для того чтобы в будущем не было больших проблем с реализацией двух оставшихся методик, станция имеет резервы по инженерной инфраструктуре. Планируется, что к декабрю 2024 года будет представлена версия станции, имеющая всё необходимое оборудование для работы спектроскопии рентгеновского поглощения, а каждый шаг в направлении модернизации уже проработан. Так, следующим этапом развития станции станет установка эмиссионного спектрометра, что позволит максимально использовать возможности уникального сверхпроводящего ондулятора.

«XAFS применяется в первую очередь для уточнения параметров локальной структуры. Крайне важно, чтобы объект был предварительно охарактеризован другими различными методами, такими как рентгеновская дифракция, рамановская спектроскопия, просвечивающая электронная микроскопия. Если у учёных уже есть идея или модель локального окружения поглощающего атома, то мы можем проверить состоятельность данной модели и уточнить её параметры. Предварительная информация об объекте необходима для того, чтобы уменьшить количество переменных и рационализировать работу. В настоящее время мы видим большой интерес со стороны научного сообщества к спектроскопии рентгеновского излучения. Это позволяет нам смело говорить, что в ближайшие годы станция будет загружена работой», — отметил Андрей Сараев.

Из каких элементов будет состоять станция? 

Станция «XAFS-спектроскопия и магнитный дихроизм» будет состоять из оптического и экспериментального хатчей, а также контрольной кабины. Основной оптический элемент, расположенный в оптическом хатче, — это двухкристальный рентгеновский монохроматор. Его функциональное назначение заключается в том, чтобы из широкого энергетического спектра, генерируемого ондулятором, выделять заданный энергетический диапазон. В качестве источника СИ будет использован сверхпроводящий ондулятор, являющийся разработкой Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН. При использовании ондулятора сканирование по энергии осуществляется за счёт изменения магнитного поля в межполюсном зазоре, что позволяет непрерывно и с высокой точностью смещать спектр излучения ондулятора. Это важно для метода спектроскопии рентгеновского поглощения, так как энергия фотонов, попадающих на исследуемый образец, должна непрерывно изменяться в заданном диапазоне.

После монохроматизации пучок попадает в экспериментальный хатч, где его формируют до необходимых размеров, определяют профиль и измеряют интенсивность. Исследуемый образец располагается между двух ионизационных камер, при этом одновременно можно измерять интенсивность рентгеновской флуоресценции с помощью многоэлементного энергодисперсионного детектора. В контрольной кабине располагаются операторы, контролирующие эксперимент, следящие за общим состоянием систем станции. В контрольной кабине также располагаются управляющие серверы и системы хранения данных, связанные с Центром обработки данных СКИФ.

Опорные конструкции оптического хатча Станции 1-4

Какие исследования будут проходить на станции?

«Основными пользователями ресурсов станции, в частности спектроскопии рентгеновского поглощения, можно считать специалистов, занимающихся разработкой и исследованием катализаторов, твердотопливных элементов, батарей, газовых сенсоров и других функциональных материалов. Спектроскопия рентгеновского поглощения работает при любых температурах и давлениях, благодаря чему можно исследовать изменения фазового состава вещества, его локального окружения. Возможности синхротронного излучения предоставляют разные варианты для проведения экспериментов: ex situ — изучение свойств объекта до и после функционирования, а также, что особенно важно, in situ/operando — исследование материала в процессе его функционирования. Подход operando позволяет получить наиболее ценную информацию о том, что происходит с исследуемым объектом в конкретный момент времени под воздействием заданных условий. Подобная информация в комбинации с результатами других методов позволяет построить, в случае катализатора, механизм протекания реакции, зная который, можно этой реакцией управлять, например направлять реакцию в сторону получения какого-либо продукта», — рассказал Андрей Сараев.

Одними из будущих пользователей станции «XAFS-спектроскопия и магнитный дихроизм» станут сотрудники лаборатории дозиметрии и радиоактивности окружающей среды (ДиРОС) Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова. В первую очередь учёным интересны возможности инструмента для изучения радиоактивных элементов, в частности актинидов, так как они обладают сложными химическими свойствами и большим разнообразием степеней окисления. XAFS-спектроскопия позволяет определить степень окисления элемента в различных соединениях и его локальную структуру. Поскольку все актиниды радиоактивны и не имеют стабильных аналогов, возможности XAFS-спектроскопии на синхротронном излучении позволяют исследовать малое количество материала, не подвергая персонал опасности.

«Список научных задач может быть достаточно большим. Я бы выделила наши последние работы по исследованию структур актинидов в различных соединениях, которые могут образовываться в ближней зоне хранилищ радиоактивных отходов, таких как оксиды, фосфаты, карбонаты. Актиниды относятся к малоизученным элементам. Открытие плутония, например, произошло только в начале 1940-х годов. Кроме того, из-за сложности работы с ними лишь небольшое число лабораторий может проводить такие исследования. В результате даже для таких, казалось бы, простых структур практически отсутствуют надежные данные. При этом информация необходима для понимания и предсказания поведения актинидов в условиях окружающей среды, для строительства надежных хранилищ и подбора правильных инженерных материалов. Также хотелось бы получить возможность измерения проб из загрязнённых радионуклидами объектов, анализ которых опять же помогает строить прогнозы поведения радионуклидов в условиях окружающей среды. Появление комплекса СКИФ поможет в решении этой задачи, так как такие уникальные эксперименты возможно проводить только в своем национальном научном центре», — пояснила старший научный сотрудник ДиРОС МГУ им. М. В. Ломоносова кандидат химических наук Анна Юрьевна Романчук.

Метод спектроскопии рентгеновского поглощения интересен также для биологических и геологических исследований, где необходимо изучить объекты с включением металлов. Благодаря высокоинтенсивному источнику СИ на станции возможно исследование объектов со сверхнизкими концентрациями какого-либо вещества. XAFS-спектроскопия может использоваться и для изучения археологических находок и объектов культурного наследия. Метод позволяет локально исследовать химический и фазовый состав материала, понять какие вещества были использованы при изготовлении, что поможет специалистам построить предположения об уровне развития общества того времени. Перемещаемая система позиционирования образца относительно пучка излучения обеспечивает полное построение химического состава поверхности.

«Ресурсы станции актуальны в большей степени для химических исследований и наук о материалах, но также могут быть полезны для физиков, геологов, биологов, археологов. При дальнейшей модернизации станции диапазон научных исследований будет расширяться. Одна из наших задач — показать специалистам из самых разных научных областей, что наши методы применимы и для их объектов», — добавил Андрей Сараев.

Сегодня станция «XAFS-спектроскопия и магнитный дихроизм» находится на этапе производства оборудования и тестирования отдельных узлов. До конца 2024 года будут пройдены все этапы её оформления в полноценную функционирующую станцию с подготовленным персоналом.

Текст: Кирилл Сергеевич.
Источник «Наука в Сибири».