Глубинные процессы Земли будут изучать на синхротроне ЦКП «СКИФ»
25 июля 2019
Источник: http://www.sbras.info
Специалистов для одной из станции первой очереди центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» готовят в лаборатории Института геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН, созданной в рамках нацпроекта «Наука». На станции планируют исследовать процессы, протекающие в земных глубинах и недрах других планет.
«Аппарат DISCOVERER-1500, который стоит в лаборатории, моделирует условия, соответствующие тому, что происходит на глубине порядка 1000 км: давление до 30 ГПа и температура до 2000 °C, во время экспериментов они поддерживаются от нескольких минут до 4—5 суток», — говорит ведущий научный сотрудник ИГМ СО РАН, врио заведующего лабораторией фазовых превращений и диаграмм состояния вещества Земли при высоких давлениях доктор геолого-минералогических наук Антон Фарисович Шацкий. 1500-тонный прессовый аппарат и другие установки позволяют геологам воспроизводить процессы, близкие к природным, чтобы выращивать алмазы и изучать глубинное строение нашей планеты. В лаборатории создают параметры, сопоставимые с параметрами верхней мантии (глубина до 410 км), переходной зоны (410—660 км) и частично нижней мантии (660—1000 км) Земли.
В результате геологи получают минералы и кристаллические фазы (то, что в природе еще не нашли), которые нужно идентифицировать: как известно, даже одинаковые по составу вещества могут иметь разные кристаллические структуры, например, углерод — это и алмаз, и графит. «До определенного давления минералы плавно сжимаются, сохраняя свою кристаллическую структуру, а затем не выдерживают и перестраиваются в более плотную. Большинство простых систем, таких как углерод, хорошо знакомы ученым, вместе с тем множество более сложных систем остаются неисследованными. Их изучение неизбежно связанно с открытием новых кристаллических соединений. Проблема в том, что мы можем работать с образцом только после того, как его извлекли из пресса, однако структура многих веществ при снижении давления разрушается, и мы не можем ее увидеть», — рассказывает Антон Шацкий, который координирует блок экспериментальных исследований в лаборатории.
Преодолеть эту проблему и заглянуть в вещество, сжатое и разогретое до колоссальных давления и температуры, позволяет синхротронное излучение (СИ), которое генерируется в циклических ускорителях при повороте заряженных частиц в магнитном поле. Оно более чем в миллион раз интенсивней излучения от рентгеновских аппаратов. «Фундаментальная физика изучает явления, происходящие при соударении частиц, разогнанных на ускорителях до огромных скоростей. Синхротронное излучение, испускаемое заряженными частицами, в таких исследованиях нежелательно, оно приводит к потере энергии, — объясняет Антон Шацкий. — Однако большая интенсивность излучения позволяет реализовать уникальные эксперименты по исследованию микроструктуры вещества, требующие высокого пространственного и временного разрешения. Это крайне полезно для тех, кто занимается структурой разных веществ — специалистов в области прикладной физики, химии твердого тела, биологи, археологии и, конечно, наук о Земле».
Лаборатория фазовых превращений и диаграмм состояния вещества Земли при высоких давлениях организована в рамках нацпроекта «Наука». В ее составе 14 человек, две трети из них — молодые ученые. Заведующий лаборатории — доктор геолого-минералогических наук Константин Дмитриевич Литасов. Основные направления работы: изучение вещества при высоком давлении с использованием прессовых аппаратов и алмазных наковален в лаборатории и на источниках СИ; квантово-химическое (Ab initio) моделирование вещества при высоких давлениях с использованием суперкомпьютеров; исследование минералов высоких давлений в метеоритах и породах, образовавшихся при их ударе о Землю; синтез и изучение свойств нанополикристаллических алмазов, легированных примесями; подготовка кадров для ЦКП СКИФ. У руководителей лаборатории более чем 15-летний опыт экспериментов на источниках СИ (SPring-8, PFAR, ESRF и др.).
Геологические задачи и задачи материаловедения планируется решать на одной из шести станций первой очереди источника синхротронного излучения ЦКП СКИФ, который будет построен в рамках программы «Академгородок 2.0». Для этого линию «Исследование материалов при высоком давлении и температуре» (часть станции «Диагностика в высокоэнергетическом рентгеновском диапазоне») оснастят многопуансонным прессовым аппаратом, обеспечивающим многостороннее сжатие объемных образцов. Предполагается, что работать на нем будут специалисты лаборатории фазовых превращений и диаграмм состояния вещества Земли при высоких давлениях ИГМ СО РАН.
«Наша лаборатория является единственной в стране, где уже установлено и успешно используется данное оборудование, — пояснил Антон Шацкий. —Мы организуем стажировки молодых сотрудников в зарубежных центрах высокого давления, а также поездки на линии синхротронного излучения с целью приобретения навыков, которые позволят успешно работать на нашем ускорителе и проводить рентгенографические in situ (непосредственно в установке. — Прим. ред.) эксперименты».
«СКИФ — грандиозная установка, коллектив для нее нужно формировать заранее, чтобы не было дефицита кадров, — рассказывает ведущий инженер проектного офиса ЦКП СКИФ старший научный сотрудник Института ядерной физики СО РАН кандидат физико-математических наук Константин Эдуардович Купер. — ИГМ СО РАН сильно продвинулся области высоких давлений, ведь больше ни у кого не стоит таких задач научных, как здесь. В институте этим занимается не одно поколение ученых».
На фото: Руководители лаборатории Константин Литасов (стоит, крайний слева) и Антон Шацкий (сидит, крайний справа) с коллегами возле прессового аппарата
