Китай сделал очередной шаг к созданию нового источника синхротронного излучения четвёртого поколения. 20 сентября на строящемся комплексе Hefei Advanced Light Facility (HALF) в провинции Аньхой впервые был получен и выведен электронный пучок. Электронные сгустки, сформированные электронной пушкой, прошли через линейный ускоритель длиной 192 м. Это стало важной вехой в реализации проекта, рассчитанного на создание источника с высокой яркостью и когерентностью излучения.
HALF создаётся как источник синхротронного излучения четвёртого поколения на основе дифракционно-ограниченного накопительного кольца (DLSR). Проектная энергия электронного пучка накопительного кольца составляет 2,2 ГэВ с возможностью последующего повышения до 2,4–2,5 ГэВ. Установка должна генерировать прежде всего вакуумное ультрафиолетовое и мягкое рентгеновское излучение с существенно более высокой яркостью и когерентностью, чем источники третьего поколения. По данным разработчиков, эти параметры должны увеличиться более чем в 100 раз.
Именно поэтому подобные установки иногда называют «супермикроскопами». Синхротронный источник позволяет получать интенсивное излучение с заданными характеристиками и использовать его для спектроскопии, дифракции, рассеяния и рентгеновской визуализации. Такие методы дают возможность исследовать структуру и свойства вещества на микро- и наномасштабах, включая электронные, химические и магнитные состояния материалов.
Что делает источник четвёртого поколения особенным
В обычном синхротронном источнике электронный пучок движется по накопительному кольцу и при взаимодействии с магнитными структурами генерирует электромагнитное излучение. В источниках четвёртого поколения применяется технология дифракционно-ограниченного накопительного кольца, позволяющая существенно уменьшить эмиттанс электронного пучка — характеристику, связанную с его пространственным распределением и качеством.
Для HALF проектное значение естественного эмиттанса составляет около 86 пм·рад при энергии 2,2 ГэВ. Благодаря этому установка должна формировать пучки излучения с высокой яркостью и значительной долей когерентных фотонов. По данным Национальной лаборатории синхротронного излучения КНР, доля когерентных фотонов при энергии фотонов 1 кэВ может достигать 30%.
В отличие от некоторых более мощных источников, HALF ориентирован на низкоэнергетическую область синхротронного излучения. Основными направлениями станут исследования мягкого рентгеновского и вакуумного ультрафиолетового диапазонов. Это важно для изучения электронных, химических и спиновых состояний материалов, а также для исследований в области функциональных материалов, энергетики, окружающей среды и наук о жизни.
Поэтому сравнение с микроскопом следует понимать как образное. HALF не увеличивает изображение объекта подобно обычному оптическому или электронному микроскопу, а предоставляет исследователям чрезвычайно качественный источник излучения, с помощью которого можно проводить различные виды высокоточной диагностики вещества.
35 экспериментальных станций
Проект HALF предусматривает создание примерно 35 экспериментальных станций, или лучевых линий. На первом этапе планируется построить 10 пользовательских лучевых линий. Они будут работать преимущественно в диапазонах вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгеновского излучения, а отдельные линии позволят расширить рабочий диапазон в сторону более высоких энергий.
Предполагается, что на установке будут проводиться исследования функциональных и квантовых материалов, высокотемпературной сверхпроводимости, энергетических материалов, новых аккумуляторов, химических процессов и биологических объектов. Отдельное направление связано с микроэлектроникой.
В числе перспективных применений HALF рассматривается экстремальная ультрафиолетовая (EUV) литография. Использование источника синхротронного излучения для исследований в этой области может дать Китаю дополнительную экспериментальную инфраструктуру для работы с технологиями производства передовых полупроводников.
Однако здесь важно различать исследования EUV-технологий и промышленную EUV-литографию. Наличие соответствующей экспериментальной станции само по себе не означает создание промышленного литографического комплекса или немедленное получение независимой технологии производства передовых микросхем.
HALF и китайская система источников света
Строительство HALF началось в 2023 году, а завершение проекта запланировано на 2028 год. Комплекс должен стать одним из элементов китайской системы современных источников синхротронного излучения и обеспечить стране возможности для исследований в низкоэнергетической области.
Появление нового источника имеет значение не только для фундаментальной физики. Высокая яркость и когерентность излучения позволяют проводить более точные исследования материалов и технологических процессов. Это непосредственно связывает синхротронные установки с разработкой новых полупроводников, аккумуляторов, сверхпроводников, функциональных материалов и биомедицинских технологий.
Параллель с российским СКИФ
Развитие современных источников синхротронного излучения идёт и в России. В Новосибирской области создаётся Центр коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (СКИФ) — источник синхротронного излучения четвёртого поколения с проектной энергией 3 ГэВ.
При этом напрямую сравнивать HALF и СКИФ только по энергии электронного пучка некорректно. Эти установки имеют разную специализацию: HALF относится к низкоэнергетическим источникам, ориентированным главным образом на вакуумный ультрафиолет и мягкое рентгеновское излучение, тогда как СКИФ рассчитан на более широкий диапазон экспериментальных задач. В обоих случаях ключевым преимуществом четвёртого поколения является не только энергия электронов, но и возможность получать высокую яркость, малый эмиттанс и высокую степень когерентности излучения.
Таким образом, Китай сейчас вводит в рабочий цикл один из ключевых элементов строящегося источника HALF — линейный ускоритель и систему формирования электронного пучка. До полноценного запуска комплекса ещё предстоит завершить накопительное кольцо и экспериментальную инфраструктуру. Самое интересное начнётся после ввода пользовательских лучевых линий: сможет ли сверхъяркий источник действительно ускорить разработку новых материалов и микроэлектроники настолько, чтобы лабораторные возможности превратились в технологическое преимущество промышленности?
Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
