See it all: What is a synchrotron

All of us want to know the structure of the world around us, how to create new materials, why we fall ill and how best to treat our illnesses. For this, it is necessary to know the atomic structure of molecules, including proteins and viruses, and to work purposefully to develop technology and materials.

The synchrotron is the most powerful device for studying the structure of matter and its properties; it is capable of helping us to understand the structure and mechanisms of proteins as well as methods to control them.

Our ancestors studied the surrounding world all the time. First, they relied on their own senses and hands. Later, they devised lenses in an effort to understand the structure of objects around them. And then they invented the optical microscope, which can magnify objects by 2,000X. But up until the late 19th century, all these tools provided information about an object’s external features alone, including its color, size, shape and texture. X-rays, discovered in 1895, completely changed the process of cognition.

While experimenting with electric discharges inside glass vacuum tubes, Wilhelm Roentgen accidentally discovered unknown rays, which were capable of penetrating even the densest obstacles. He decided not to tell anyone until he had independently studied their origin and properties. After 50 days of relentless work, Roentgen disclosed this secret to his wife Bertha, whose hand is depicted in the first X-ray photo ever taken. Roentgen discovered a previously unknown type of radiation that penetrated opaque objects and called it X-rays.

The discovery of X-ray diffraction was a historic discovery in its field. In 1912, German physicist Max von Laue became the first to show the streamlined structure of solid-state crystalline objects. By directing an X-ray tube’s radiation at a zinc blende crystal, he discovered that a photo-plate behind the crystal was covered with several bright spots formed by the beams reflected from the crystal. First, this discovery proved the wave-type (electromagnetic) nature of X-rays. Second, it proved the atomic composition of solid-state objects. Therefore, people realized that atomic structure was real and were later able to see how atoms are arranged in space.

Synchrotron radiation is the electromagnetic radiation of charged particles that move in a magnetic field close to the speed of light. The magnetic field literally "tears" the photon fluxes off the electrons - this is how synchrotron radiation is produced. In the synchrotron, the electrons rotate in an ultrahigh vacuum; they do not touch the walls of the vacuum chamber.

Since the length of the synchrotron radiation wave used in experiments is just a fraction of a nanometer, it allows us to see the internal details of a nano-object, in particular, to determine the atomic structure of molecules, including proteins, various tissues, the structure of artificially created nano-layers, nano-membranes, and so on.

Prior to the early 1960s, X-ray tubes were used as X-ray sources for the study of a substance. With their help you can "see" more than through a microscope, but the possibilities of an X-ray are also limited. In an X-ray tube, it’s impossible to increase the current or voltage to enhance the brightness, otherwise it will simply fuse together. The brightness of synchrotron radiation is more than x-ray radiation by millions of times. It also allows us to illuminate the deep layers of matter - organic and inorganic.

In 1944, Soviet physicists Dmitry Ivanenko and Isaak Pomeranchuk predicted that synchrotron radiation was theoretically possible, but actually discovered it by sheer coincidence some time later when they were able to obtain high-energy flows inside a particle accelerator. The resulting bright white light was a side effect of the main process. The particles used up the energy that scientists had hoped to obtain. It was simply being lost without boosting the energy of electrons in this light. Therefore this process was called parasitic radiation; scientists later learned that it could be used for studying materials. “Parasitic” synchrotron radiation turned out to be an extremely bright type of electromagnetic radiation that includes visible light, ultraviolet and infrared radiation and, most importantly, X-ray radiation.

Synchrotron radiation is no longer considered parasitic and harmful; on the contrary, special huge devices called synchrotrons are being built in order to obtain such radiation. Few countries, however, can afford this sophisticated equipment. About 50 synchrotrons operate in different parts of the world. Two of them are located in Russia, including the Budker Novosibirsk Institute of Nuclear Physics and a specialized generation 2+ source (Editor’s Note: Synchrotron generations are categorized depending on their wigglers and undulators or special radiation-enhancing magnets) at Moscow’s Kurchatov Institute.

A synchrotron is a super-flashlight that emits super-light, and an experimental station is a super-eye, which makes it possible to see this light. Each moving magnet on the synchrotron loop can reroute the synchrotron radiation inside to a separate channel and establish an experimental station for dealing with certain research aspects.

The Kurchatov synchrotron now operates 15 experimental stations, and eight more are in the works. Each station has a system of filters that helps adjust all parameters, including wavelengths, to select the required band and to focus the light beam under the required preset angle during experiments. The x-raying process takes place inside an isolated room because it is not safe to stand near this highly intense stream of light.

The experiment’s results may appear different, depending on the research method used. The stations utilize the three following main methods: diffraction, X-ray/spectral research and direct visualization. In the first case, the researcher obtains an image of rays that are directed at a sample and become dispersed. The sample may include the atomic structure of a crystalline object. X-ray/spectral analysis makes it possible to learn a substance’s chemical composition, and the visualization method provides an object’s direct image. An X-ray photo can serve as an example of this.

After learning the atomic structure of materials, scientists received the opportunity to link this data with the properties of materials. Later, they created new materials and structures with preset properties. This was how many artificial materials we use today came into being.

First of all, synchrotron radiation is used in materials science, solid-state physics, chemistry and nano-bioengineering technologies, micro-mechanics, biology and medicine. Synchrotron radiation also helps in the study of the brains of living creatures and makes it possible to selectively visualize heavy-metal ions inside their brain tissues. Scientists can mark actively working brain cells of a test animal so that they would accumulate ions, and then visualize these functioning neural networks while introducing an experimental cognitive agent. The experiment helps answer numerous questions, including the agent’s effects, the localization of these effects and their influence on various memory systems.

Synchrotrons also help study geological ores, artifacts, organic remains for DNA profiling purposes and art masterpieces. For example, the synchrotron has made it possible to read the contents of scrolls that had been incinerated during the eruption of Mount Vesuvius and had reached us in the form of hardened ashes.

Major companies pay for research conducted on synchrotrons to receive unique data that can considerably improve production parameters. Pharmacological and technological giants, including electronics manufacturers, invest in such research projects most often. For example, France Telecom checks the quality of the silicon chips they use in equipment manufacturing at the ESRF synchrotron in Grenoble. The Diamond installation in the UK tests the properties of steel so that BMW's MINI cars can move faster and serve longer. The Kurchatov Institute’s synchrotron conducts checks of super-thin materials used in manufacturing high-tech devices, such as electronics and aircraft components, and studies radiation damage inside various other devices.

The Kurchatov Institute is among the world’s few agencies where it is possible to study artifacts and art objects at one and the same facility using synchrotron radiation and neutrons, as well as microscopy and chemical methods. We can learn the chemical composition of our objects, their structure, and their internal composition. Once we know this, we can shed light on their age, processes used to produce them and their applications.

For example, we have recently studied silver beads which are almost 5,000 years old. Just imagine: These silver beads, with a diameter of 2 mm, date back to the Bronze Age. How did our ancestors make them? Did they cast them or did they make tubes and cut them up? Do these beads feature wrought or die-cast metal? Metallographic research, a traditional materials science method, calls for cutting the beads apart. But this would destroy a unique artifact. Synchrotron tomography, a more humane method, compiles the sample’s projections and restores its 3D structure. While studying the beads, we discovered cavities and knobs inside them. The beads also had monolithic holes. These results confirmed the conjectures of our colleagues, archeologists from the State History Museum, that the beads are die-cast. In this case, we have verified an existing theory, but the most interesting ideas usually emerge during our own work.

We have also studied medieval Russian encolpion crosses dating back to the 11th-13th centuries, found by Institute of Archeology experts (Editor’s Note: An encolpion is a cross for storing relics, including pierces of fabric, wood and hair). We specified the process for blackening these crosses, and this process proves the high professionalism of Russian craftsmen who lived 1,000 years ago.

One of the encolpions was sealed and its fastenings were broken, meaning that it was impossible to open the cross without breaking it. The archeologists asked us to study the object without opening it up and to see what was inside. A neutron tomography image clearly showed the details of damaged fastenings and the contents of the cross. To everyone’s disappointment, the cross mostly contained clay that had penetrated while it was in the ground. But we have already streamlined our method, and we will study several other similar crosses unearthed near Suzdal.

Jointly with the State Historical Museum we’ve started studying manuscripts on parchment. For quite a long time the main material for the production of books was parchment, a specially prepared animal skin. It was an expensive material, and the scribes, when they lacked new sheets, washed away old records and wrote new texts on the cleaned sheets. Such manuscripts are called palimpsests. Of course, scientists are interested in knowing what was erased. We now have the opportunity to display the washed off texts (затертый текст) with the help of synchrotron radiation. To determine the location of traces of ink on the surface, we use the method of fluorescence mapping. The fact is that the composition of the ink, depending on its color, may include iron, mercury or other heavy elements. During the mapping process every point on the surface of the sheet is illuminated by a synchrotron beam and we get a fluorescent spectrum from it. A matrix is composed of these points. Analyzing the output of fluorescence from certain elements, we can recognize the traces of letters.

We work inside a “clean room” with a special ventilation system where the number of dust particles has been reduced to minimal levels. This is needed to protect the studied objects. For example, a microprocessor would be irretrievably lost if a dust particle settled down on it.

We work in a vacuum of ultraviolet and soft X-rays, radiation levels suitable for space sensors. It turns out that we on Earth provide a spectrum band that can only be available in space.

The spectroscopy method makes it possible to study the electronic structure of a material’s surface at a depth of up three nano-meters. We can obtain large data volumes on the chemical composition, oxidization levels, valency and materials’ properties, such as conductivity.

We needed X-ray radiation for studying this sample. Its dispersing rays formed a diffraction pattern. After calculating it using mathematical methods, we obtained a structure with an atomic resolution and were able to detect chemical compounds responsible for the protein’s activity inside it. After we find out the causes of their activity, we can understand what can stop them. And we can then develop a medication for protecting cattle from diseases caused by these microorganisms.

В 1962 году Нобелевская премия по химии была присуждена Джону Кендрю и Максу Перутцу за расшифровку миоглобина — белка, который содержится в мышцах и помогает запасать кислород для клеток. С помощью рентгеновского излучения стала возможной расшифровка структуры двойной спирали ДНК, которую провели Джеймс Уотсон, Френсис Крик и Розалинд Франклин. Все они использовали в своих исследованиях наработки англичанки Дороти Ходжкин, которая ещё в 1949 году определила молекулярную структуру пенициллина, в 1957-м — витамина В12. В 1964 году эта выдающаяся женщина была удостоена Нобелевской премии за свой вклад в развитие рентгеноструктурного анализа.

Именно открытия, связанные с рентгеновским излучением, были отмечены наибольшим количеством этих престижных научных наград. Кроме самых первых премий Рентгена и Лауэ, они были присуждены по физике:
1915 г. «За заслуги в исследовании кристаллов с помощью рентгеновских лучей» — отцу и сыну Брэггам;
1917 г. «За открытие характеристического рентгеновского излучения элементов» — Чарльзу Барклу;
1924 г. «За открытия и исследования в области рентгеновской спектроскопии», — Карлу Манне Сигбану;
1927 г. «За открытие эффекта, названного его именем» — Артуру Комптону;
1937 г. «За экспериментальное открытие дифракции электронов на кристаллах» — Клинтону Дэвиссону совместно с Джорджем Томсоном;
1936 г. «За вклад в понимание молекулярной структуры в ходе исследований дипольных явлений и дифракции рентгеновских лучей и электронов в газах» — Петеру Йозефу Вильгельму Дебаю;
1982 г. «За вклад в развитие электронной спектроскопии высокого разрешения» — Каю Манне Сигбану;
2002 г. «За изыскания в области астрофизики, которые привели к открытию космических источников рентгеновского излучения» — Рикардо Джаккони.
1946 г. «За открытие появления мутаций под влиянием рентгеновского облучения», Нобелевскую премию по физиологии и медицине получил Герман Мёллер.

Также рентгеновское излучение использовалось для расшифровки структуры гемоглобина (Дж.К. Кендрю, М.Ф. Перутц, Нобелевская премия по химии за 1962 г.).

В 1964 году премию по химии «за определение с помощью рентгеновских лучей структур биологически активных веществ» получила Дороти Ходжкин.

Непосредственное отношение рентгеновское излучение имело и к расшифровке двойной спирали ДНК (Дж.Д. Уотсон, Ф.Х.К. Крик, 1962 г., Нобелевская премия в области физиологии и медицины).

В 1979 году Нобелевскую премию также в области физиологии и медицины за разработку метода осевой рентгеновской томографии получили А. Кормак и Г. Хаунсфилд.

В 2009 году Нобелевскую премию по химии получила Ада Йонат, совместно с Венкатраманом Рамакришнаном и Томасом Стейцем, «за исследования структуры и функций рибосомы кристаллографическими методами».

— Что такое твёрдые тела и как рентгеновское излучение помогает их изучать?

— У любого вещества есть четыре состояния: твёрдое, жидкое, газообразное и плазма. Твёрдое состояние вещества характеризуется постоянством формы (она не меняется без внешнего воздействия). Свойства твёрдого тела во многом зависят от его атомного состава и структуры, которая определяется взаимным расположением атомов — наличием или отсутствием кристаллической решетки и типом ее симметрии.

— Как работает дифракция?

— Дифракция — это рассеяние волны на периодической структуре в виде чередующихся ярких и темных полос или пятен. Причём это может быть любая волна — акустическая, волна на поверхности воды или электромагнитная. Изучая такую дифракционную картину, положение линий или пятен на ней, мы можем очень точно определить расстояние между атомами.
Когда рентгеновский пучок попадает на атомную решетку, каждый атом начинает колебаться с частотой рентгеновской волны и испускает вторичную сферическую волну, которая распространяется во всех направлениях по аналогии с кругами на воде от брошенного камня. Вращая кристалл вокруг рентгеновского пучка и регистрируя дифракционные отражения, мы можем собрать полную картину рассеяния кристалла — от всей кристаллической решетки.
Математический анализ положения и интенсивности дифракционных пятен (это очень сложная задача, состоящая из тысяч уравнений и тысяч неизвестных) позволяет определить сорта и пространственное положение всех атомов. Получается, что рентгеноструктурный анализ — это, по сути, «решение обратной задачи по восстановлению атомной структуры по дифракционной картине».
В развитие рентгеноструктурного анализа минералов, кристаллов и белков большой вклад внесли ученые Института кристаллографии. Сейчас этот метод — важнейший инструмент структурной кристаллографии и материаловедения, позволяющий исследовать новые материалы и изучать их свойства на атомарном уровне.

— На основе данных рентгеновской дифракции можно, действительно, создавать новые материалы?

— Определение структуры и атомного состава твердого тела — это первый, но очень важный шаг для синтеза новых материалов. Именно знание структуры и состава позволяют нам понимать свойства материала, его поведение при различных воздействиях. Зная это, мы можем управлять свойствами твердого тела, изменяя (иногда совсем незначительно) атомный состав или структуру, то есть создавать новые материалы с заданными или предсказанными свойствами. Вот, например, и графит, и алмаз состоят из атомов углерода, но обладают абсолютно разными свойствами. Всё дело в совершенно разных кристаллических решетках: кубической у алмаза и гексагональной у графита. Отсюда и колоссальная разница в твёрдости. Уже сегодня, манипулируя на атомном уровне, мы можем синтезировать совершенно новые материалы, обладающие уникальными свойствами — даже такими, которых нет в природе.

— Есть ещё какие-то рентгеновские методы?

— Их немало. Когда мы переходим к диагностике изделий из кристаллов, элементам микро- и наноэлектронной промышленности, то проникаем в очень тонкий приповерхностный слой, и нужны уже сверхчувствительные рентгеновские методы. Например, метод стоячих рентгеновских волн, позволяющий видеть положение и тип отдельных атомов. В таких исследованиях, при переходе на нанотехнологический уровень, интенсивности обычной рентгеновской трубки уже недостаточно, нужны гораздо более яркие источники — синхротронного излучения.
Эпопея строительства Курчатовского синхротрона совпала с очень трудными для российской науки годами. Она была долгой и непростой. Но в результате 1 октября 1999 года в присутствии тогда председателя правительства РФ В.В. Путина в Курчатовском институте нами был запущен источник синхротронного излучения. Он и по сей день остается единственным специализированным источником синхротронного излучения на всем пространстве бывшего СССР. Современный Курчатовский источник СИ — мощная междисциплинарная исследовательская установка. Мы проводим на ней самые разные исследования: от классических задач кристаллографии, материаловедения, структурной диагностики изделий наноиндустрии и электронной промышленности, до задач структурного анализа белковых молекул, молекулярной биологии, исследований предметов культурного наследия и принципиально новых гибридных материалов, комбинаций биоорганических и неорганических материалов.

Электроны в кольце испускают световой пучок только в момент ускорения. Чтобы усилить излучение, в дополнение к поворотным магнитам на кольце синхротрона устанавливают специальные устройства — вигглеры и ондуляторы. Они состоят из нескольких постоянных магнитов, помещенных на прямых участках кольца. При прохождении электронов через поворотные магниты они «брызжут» электромагнитным излучением во всём спектре — от инфракрасной области до рентгеновской.

В отличие от поворотных магнитов, которые просто меняют траекторию летящих по кольцу электронов, магнитные поля вигглеров и ондуляторов заставляют электроны вилять (отсюда и название «вигглер», глагол «to wiggle» в переводе с английского — «извиваться»). Управляют магнитами токи в десятки тысяч ампер. Результатом этого процесса становится мощный поток фотонов с возможностью задавать нужные параметры излучения.

Появление таких усиливающих излучение магнитов стало возможным благодаря академику Виталию Гинзбургу. Советский физик с коллегами впервые рассчитал изменение излучения, которое происходит при попадании ускоренных до скорости света электронов в периодическое магнитное поле. Проходя через него, поток таких релятивистских электронов приобретает совершенно другую энергию. Так эта простая математическая формула превратилась в многомиллиардную индустрию по производству магнитных устройств — вигглеров и ондуляторов.

Наличие вигглеров и ондуляторов на источнике синхротронного излучения определяет его класс (в данном случае — поколение). Например, на Курчатовском синхротроне используется сверхпроводящий вигглер, так что российская установка относится к поколению «2+». В мире на сегодня работает несколько синхротронов третьего поколения: 8 SPRING в Японии, APS — в США и другие.

Уникальность Курчатовского синхротрона и в его в окружении. Ведь на одной площадке, буквально в соседних зданиях, у нас работают синхротронный и нейтронный источники, суперкомпьютер, нанофабрика, мощный центр электронной микроскопии и медико-биологические лаборатории. То есть, мы используем в комплексе самые разные, взаимодополняющие методы. Это наше безусловное конкурентное преимущество. Получается, мы можем благодаря этому смотреть на микро- и наномир с разных точек зрения «двумя глазами», что даёт возможность перейти на качественно новый уровень диагностики, подобно тому, как бинокулярное зрение дает людям ощущение глубины — третьего измерения.

С помощью синхротронного излучения физики и биологи изучают не только структуру клеточной мембраны, но и процессы прохождения через нее биологически активных веществ — например, тяжелых металлов и лекарств. Кроме того синхротронное излучение используется для изучения самых разных биологических тканей: мышечных волокон, волос, эпителия и прочих. А такие знания об особенностях биологических наноструктур — ключ для создания новых методов медицинской диагностики.

Как известно, современная медицинская рентгенодиагностика основана на том, что кости поглощают рентгеновское излучение больше окружающих тканей, поэтому они хорошо видны на снимке. А в синхротронном излучении луч света преломляется на границе между здоровой тканью и опухолью — допустим, между стенкой кровеносного сосуда и тромбом. По этим углам преломления можно судить о состоянии биологических наноструктур. В результате не только повышается качество изображения органов, точность диагноза, но и значительно снижается дозовая нагрузка на организм.

На нашей станции белковой кристаллографии мы исследуем структуры органических макромолекул, белков, ферментов, вирусов. Этому направлению у нас в последнее время уделяется особое внимание, в частности, мы научились успешно синтезировать белковые кристаллы, используя здесь технологические операции твердотельной микроэлектроники. То есть, мы работаем уже на смычке органического и неорганического мира.

Во всём мире всего несколько подобных научных центров, где есть и синхротрон, и нейтронный источник. Создание, содержание и эксплуатация таких крупных научных мегаустановок — очень важная, можно сказать, стратегическая задача. Такие мегаустановки, благодаря их уникальным исследовательским возможностям, обеспечивают высокий уровень отечественной науки, её самодостаточность, а также технологическую независимость нашей страны.