Сердце наукограда

«Есть только «МИГ» между прошлым и будущим, именно он называется жизнь»…

Установка "МИГ" ИСЭ СО РАН

Интервью у сотрудников Института сильноточной электроники Сибирского отделения РАН было взято совместно с киностудией «Лавр» (г. Москва). Многие интересные вопросы задавал Станислав Адамов, снимающий документальный фильм о Томске как наукограде для проекта «География российской науки» телеканала «Культура».

Первый вопрос был задан директору ИСЭ СО РАН, членом-корреспондентом РАН, доктором физико-математических наук Николаем Александровичем Ратахиным, который одновременно занимает пост председателя президиума Томского научного центра СО РАН "Какие разработки института стали наиболее практически востребованными в последнее время?"

— Один из примеров реального применения — поставка разработанной институтом установки для плазменного азотирования в Японию, где она была применена в процессе производства бритвенных лезвий. В результате обработки лезвий они упрочняются, их износостойкость повышается в несколько раз. Кроме того, при бомбардировке ионами лезвие дополнительно затачивается. Японцы с помощью нашей установки сумели наладить массовое производство нового качественного продукта для комфортного бритья.

Мы продолжили дискуссию о практической востребованности разработок сильноточной электроники.

— Наш институт — в числе немногих реально работающих по зарубежным заказам. Значительная часть нашей сегодняшней деятельности — разработка и поставка высококлассного оборудования в ведущие исследовательские центры мира. Основатель ИСЭ Геннадий Андреевич Месяц — выпускник Томского политехнического института (сегодня — университета). ИСЭ, основу коллектива которого первоначально составили выходцы из Томского политехнического, был в дальнейшем укреплен выпускниками Томского и Новосибирского госуниверситетов, Томского университета систем управления и радиоэлектроники. Одна из особенностей института в том, что, пока существовал СССР, многие из наших разработкок — мощные импульсные генераторы пучков частиц и излучений, устройства, в которых реализуются экстремальные состояния вещества с высокой плотностью вложенной энергии — были востребованы оборонной отраслью... С началом "перестройки" спрос со стороны этого ведомства прекратился (и только сейчас как-то стал восстанавливаться). Однако институт сумел быстро интегрировался в мировое сообщество, завоевав себе авторитет поставкой уникальных установок для фундаментальных исследований. При этом мы в те трудные годы практически не потеряли людей.

Вот так и сложилось, что сравнительно небольшой Институт сильноточной электроники Сибирского отделения РАН поддерживает в России (и в единственном числе — за Уралом) импульсную энергетику — стратегически важное научно-техническое направление, которое могут позволить себе только крупнейшие мировые державы.

— Не побоюсь громкого слова, сказав, что вершина, Эверест достижений ИСЭ в части применений импульсной энергетики и электрофизики — это состоявшийся в 2011 году запуск мультитераваттной фемтосекундной лазерной системы. В ней сведены вместе последние достижения импульсной техники (импульсные линейные трансформаторы), физики сильноточных электронных пучков, оптики газовых лазерных сред и фемтосекундной лазерной техники.

Установка, созданная в кооперации нескольких подразделений института, размещается в одном из подземных помещений лаборатории газовых лазеров, которую возглавляет доктор физ.-мат. наук профессор В. Ф. Лосев. Валерий Федорович любезно согласился показать нам лабораторию и саму установку. Облачаемся в бахилы: в помещении поддерживается высокая чистота.

— Уникальность установки в том, что она — самая мощная в видимом диапазоне, а также в том, что она построена по гибридному принципу: в мире аналогов нет. Импульс от твердотельного лазерного генератора усиливается в выходном усилителе на газовой активной среде. Такая идеология "проповедуется" в лаборатории Леонида Дмитриевича Михеева в Физическом институте имени П. Н. Лебедева РАН (ФИАНе), ныне возглавляемым основателем ИСЭ академиком Г. А. Месяцем. Геннадий Андреевич и выступил инициатором этой разработки, нашел под нее средства.

— В чем уникальность и особенность гибридного лазера? Что даёт видимый спектр, каковы плюсы?

— Видимый диапазон открывает новые возможности: это в основном фундаментальные исследования взаимодействия мощного излучения с веществом. А вот сгенерировать в видимом диапазоне тераваттный лазерный пучок технически сложно. Мультитераваттные и даже петаваттные лазерные импульсы уже получены — но на основе твердотельных систем, работающих в инфракрасном диапазоне. Для перехода в видимый диапазон требуется получить вторую гармонику. Такие системы технически сложны и дороги. Преобразование из ИК и видимый диапазон происходит в кристаллах, обычно они очень тонкие, и здесь есть свой технический предел. Газовая среда не имеет таких ограничений.

Валерий Фёдорович Лосев, начальник лаболатории газовых лазеров

— Мы используем широкополосные эксимерные газовые среды, которые позволяют усиливать предельно малой длительности — порядка 10 фемтосекунд. Перспективы громадные, пределов нет, это интересно. Выходной лазерный усилитель построен на основе сильноточного ускорителя электронов, созданного под руководством академика Бориса Михайловича Ковальчука. В основе — импульсный генератор на основе линейного трансформатора. Затем формируется радиально сходящийся сильноточный электронный пучок, который с шести сторон вводится в газ — ксенон. Пучок за 200 наносекунд вкачивает энергию около 30 килоджоулей. Возбужденный ксенон излучает на длине волне 172 нанометра. Это своего рода лампа-вспышка, только в ультрафиолете. Внутри "лампы" располагается газовая камера диаметром 25 сантиметров и длиной 1 метр. В ней — уже та эксимерная среда ксенон-фтор, один из квантовых переходов которой может усиливать излучение в голубой части спектра: 475 нм. Сейчас мы получили в видимом диапазоне 14 ТВт, это уже мировой рекорд; следующая амбициозная задача — выйти на 100 тераватт.

— Параллельно мы задумываемся над применением наших лазерных импульсов. При острой фокусировке интенсивность поля в них настолько велика, что под их действием в веществе не только электроны, но и тяжелые ядерные частицы будут приобретать релятивистские энергии... Так что это инструмент для фундаментальных исследований вещества... А еще мы планируем, используя наш импульс для накачки, реализовать рентгеновский лазер. Он будет работать на длине волны в окне прозрачности воды. Такой инструмент очень нужен микробиологам, изучающим структуру живой клетки...

В отделе высоких плотностей энергии старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук Станислав Анатольевич Чайковский познакомил нас с генератором МИГ (многоцелевой импульсный генератор), который запущен в 1996 году и является одним из узнаваемых символов Института сильноточной электроники.

Станислав Анатольевич Чайковский, старший научный сотрудник отдела высоких плотностей энергии

— Генератор МИГ при довольно "небольших" размерах (если только такое можно сказать про сильноточную установку) отличается высокой мощностью — 2,5 тераватта. Как любой импульсный генератор, он предназначен прежде всего для генерации высоковольтного сильноточного электрического импульса. Далее этот импульс можно прикладывать к различного вида нагрузкам. Например, если нагрузка представляет собой вакуумный диод, то в результате будет получен мощный электронный пучок, который, в свою очередь, при взаимодействии с мишенью из плотного металла может генерировать импульс жесткого рентгеновского излучения с высокой мощностью дозы. Другой тип нагрузки — плазменные лайнеры. Электродинамическое сжатие таких лайнеров — отдельная область исследований, лежащая в русле проблем управляемого термоядерного синтеза. Сразу же уточню, что мощности генератора МИГ недостаточно, чтобы впрямую решать эти проблемы. Он может обеспечить ток в импульсе 3 мегаампера, в то время как для "пороговых" термоядерных экспериментов нужны, как сейчас считатеся, 50 мегаампер. Однако, проводя подобные исследования, ученые всегда стремятся получить так называемые законы подобия или скэйлинги (калька с английского), которые позволяют предсказать, как система поведет себя при изменении какого-либо из параметров в несколько раз. Например, как будет сжиматься плазменный лайнер при в несколько раз большем токе импульсного генератора... Получить надежный скэйлинг в таких масштабных исследованиях, направленных в конечном итоге на реализацию импульсного термояда на установках мультимегаамперного диапазона, принципиально важно... Еще одно направление — взаимодействие сверхсильного магнитного поля с поверхностью материалов при высокой скорости нарастания этого поля. Мы исследуем поведение металлов в магнитных полях порядка 6 миллионов гаусс. Оно при таких условиях чрезвычайно интересно, возникают свои неустойчивости... И опять же всё это так или иначе касается проблемы термояда и других практических приложений, где используются экстремально высокие плотности энергии.

Кандидат физико-математических наук Александр Викторович Шишлов, старший научный сотрудник того же отдела, привел нас в отдельный лабораторный корпус института, который целиком занят одной-единственной установкой: генератором импульсных токов ГИТ-12. Чтобы обозреть генератор целиком, поднимаемся на верхнюю галерею зала.

— Первоначально установка проектировалась как электрофизический комплекс ГИТ-16: вы видите, здесь 16 модулей. Однако время внесло свои коррективы, установка строилась в несколько этапов. Когда в начале 90-х она была запущена в эксплуатацию, было подключено 8 модулей, в 1995 году подключили ещё 4. Оставшиеся четыре модуля — сервисные. По сегодняшний день установка и используется в такой конфигурации. Это генератор тераватной мощности, который обеспечивает в электрофизической нагрузке ток с большой амплитудой — до нескольких мегаампер.

— Какие исследования проводятся на установке?

— Здесь исследования ведутся по двум направлениям. Первое — это исследования, направленные на усовершенствование самого генератора, включая отработку различных элементов импульсной техники, таких как разрядники, линии передачи, импульсные трансформаторы. Второе направление — это эксперименты, в которых генератор включается на электрофизическую нагрузку. Основной вид нагрузок, с которым мы работаем — это Z-пинчи.

Александр Викторович Шишлов , старший научный сотрудник отдела высоких плотностей энергий

— Что это за эксперименты? Чем замечательна установка?

— ГИТ-12 — одна из самых крупных импульсных установок в России, и единственная которая оборудована плазменными размыкающими ключами. В таком режиме ток на нагрузке нарастает до 2,5 мегаампер всего за 250 наносекунд. Если плазменные ключи убрать и вывододить энергию из генератора в нагрузку напрямую, то можно получить ток до 4,7 мегаампер. Правда, увеличится время вывода энергии.

— Итак, мы работаем в основном с Z-пинчами. Нагрузка генератора в таких экспериментах выглядит следующим образом. Сначала между двумя электродами создается цилиндрическая перемычка: либо из напускаемого через кольцевое сопло газа, либо в виде множества тонких проволочек, натянутых по образующей цилиндра. Когда к межэлектродному зазору прикладывается сильноточный импульс от генератора ГИТ-12, газ ионизируется (а проволочки — взрываются), в результате вещество переходит в плазменное состояние, а затем под действием магнитной силы протекающего мегаамперного тока эта плазма ускоряется по направлению к оси. Такой сжимающийся плазменный шнур и есть Z-пинч. Поскольку ток в импульсе большой, то и ускорение плазмы велико, и в финале ее скорость достигает нескольких единиц на 10^7 сантиметров в секунду. На оси плазма сталкивается, это называется имплозией — "взрывом внутрь". Как вы помните из курса школьной физики, кинетическая энергия переходит в тепловую. При этом происходит ещё большая ионизация вещества, сильный нагрев. Итак, в этих экспериментах мы разгоняем вещество, стремясь, чтобы оно сжималось устойчиво, и пытаемся достичь неких предельных параметров. Идеология таких экспериментов была предложена еще до начала работ в нашем институте, в 1950-годах. Их стратегическая цель — осуществить импульсным способом реакцию термоядерного синтеза. Сперва казалось, что всё просто. поместим смесь дейтерия и трития между электродами, сожмем ее импульсным током, достигнем параметров, необходимых для "зажигания" термояда... Увы, все оказалось сложнее. Выяснилось, что сжатие плазмы подвержено различным неустойчивостям. Очень быстро стало ясно, что для реализации импульсного термояда нужны установки гораздо большей мощности, чем имелись в распоряжении ученых...

— Плазма Z-пинча интересна еще и как источник мягкого рентгеновского излучения, на его основе можно сделать самый мощный из лабораторных источников. А кроме того, из него можно при соответствующем подборе материала — например, дейтерий — получать и нейтроны. Чем больше энергетика импульсного генератора, тем больше тока он может произвести, тем больше нейтронов можно получить. Получением нейтронов мы занялись сравнительно недавно.

— Есть неожиданные результаты?

— Да. Такие эксперименты проводились на нескольких установках в мире. Самая крупная находится в США, есть несколько установок в России, в Великобритании имеется установка меньшей мощности. Нам захотелось понять и оценить, сколько мы можем сгенерировать нейтронов и как это соотносится с теми результатами, которые получены на других установках.

— В самом начале наших экспериментов мы получили выход 2×10^11 нейтронов. Однако вскоре нам удалось нащупать новый скэйлинг — зависимость выхода нейтронов от тока генератора — более "сильный", нежели известны по предыдущим работам. Поставленная нами точка на графике заставила его идти круче вверх. Мы попробовали модифицировать нагрузку, снаружи убрали одну оболочку дейтерия и поставили плазменную. За счёт этого, как мы считаем, нам и удалось сконцентрировать больше тока. В результате мы сумели повысить выход нейтронов на порядок: в лучших «выстрелах» получилось 3×10^12 нейтронов. Это неожиданно хороший результат. Американцы получили такой выход нейтронов при использовании генератора с током около 10 мегампер. Мы работаем с током 3 мегаампера. Сейчас мы продолжаем исследования с нагрузками такого типа, пытаемся понять, за счет каких механизмов это произошло. Если мы обоснуем, что новый скэйлинг будет работать при токах в десятки мегаампер, это будет означать, что для зажигания импульсного термояда потребуется генератор с меньшей энергетикой, чем предполагается сейчас. При колоссальном масштабе таких установок это критично.

— Как "делается" ваша физика? Теоретики приходят к вам или вы сами намечаете себе эксперимент, результат которого уже отдаете теоретикам на анализ?

— Бывает по-разному. Иногда теоретики предлагают схемы для проверки в эксперименте. Иногда получается наоборот: начали какие-то эксперименты, есть какие-то ожидания, следующие из теоретических предпосылок. Вдруг потом обнаруживается неожиданный результат. Тогда теоретики могут его анализировать, сравнивать с расчетами, предлагать какие-то модели. Это симбиоз, дорога в двух направлениях.

Уместить в одной интернет-публикации весь рассказ о работе Института сильноточной электроники, увы, не получится. Мы увидели гораздо больше, и рассказать есть еще много о чем: как получают сверхмощные СВЧ-импульсы и импульсы сверхширокополосного излучения, как с их помощью видеть сквозь стены, как заставляют работать низкотемпературную плазму в технологических процессах... Институт просто "нафарширован" уникальными электрофизическими установками, здесь же, в стенах ИСЭ, и созданными.

Эта статья — не отчёт о проделанной работе. Это вопрос к Президенту и Правительству, поставивших задачу реформировать Академию наук, и вопрос этот звучит так:

«Эта ли наука достойна того, чтобы в условиях жесткой финансовой "диеты", фактического отсутствия средств на новое оборудование все-таки умудряться выдавать результаты, вызывающие восхищение во всем мире, того, чтобы при этом успевать множить статьи, выполняя предписанные бездушные "показатели эффективности", чтобы исписывать горы бумаги, пытаясь осваивать "трудные деньги" федеральных научно-технических программ? Да еще и делать все это под "эффективным менеджментом" новых директоров, которым по новому закону даже не обязательно иметь ученую степень?»

Да, наука живуча, в нашей стране она пережила и худшие времена. Но запас прочности, накопленный за триста без малого лет существования Академии, может и иссякнуть. И тогда — "оставшиеся в живых позавидуют мертвым".

Сердце большой науки должно биться свободно. Фундаментальная наука не может существовать разрозненными институтами. Науке нужна Академия, нужен свой дом, нужен Наукоград.

Сердце наукограда – это директор Института сильноточной электроники Сибирского отделения РАН, председатель Томского научного центра СО РАН член-корреспондент РАН Николай Александрович Ратахин, блестящий учёный, у которого болит душа за судьбу отечественной науки.

Николай Александрович Ратахин, директор ИСЭ СО РАН

Сердце наукограда – это основатель ИСЭ, ныне руководитель крупнейшего научного института страны ФИАНа академик Геннадий Андреевич Месяц — подвижник, патриот и защитник Академии, чей душевный огонь здесь, в Томске и сегодня вдохновляет и подпитывает его учеников и последователей.

Сердце наукограда — это учёные, инженеры, рабочие. Биение их сердец двигает кровь современной науки.

Т.Котляревская