Версия для печати
Вернуться к списку

Гиротроны из Нижнего завоевали мир

Но доклад академика Александра Литвака, председателя Нижегородского научного центра РАН, директора Института прикладной физики РАН, сделанный на заседании президиума Российской академии наук, поразил многих. Не каждый западный университет имеет на счету столько достижений мирового уровня.

— Александр Григорьевич, сегодня времена для науки в России не самые хорошие. Раскройте секрет: как ваш институт выживал…

— Начнем с того, что почти все прикладные разработки ИПФ РАН созданы на базе собственных фундаментальных исследований. В самые трудные времена, в начале 1990-х гг., мы поняли, что единственный выход — использовать те разработки, на которые уже есть определенный спрос, прежде всего за рубежом. Например, в свое время в нашем институте были впервые созданы гиротроны — мощные источники электромагнитного излучения в миллиметровом диапазоне длин волн. Эти источники имеют самое разное научное и техническое применение. Здесь все зависит от параметров: от мощности излучения, частотного диапазона, длительности импульсов и т.д. Наиболее мощные гиротроны с мегаваттным уровнем мощности используются для нагрева плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза. Нас еще в советские времена очень просили наладить экспорт — уж очень хороши были наши гиротроны, но тогда это было слишком сложно. В 1991 г. мы поняли, что надо создавать свою фирму, которая будет производить гиротроны на продажу. Так родился «ГИКОМ». Это своего рода народное предприятие, ЗАО, где около 30 акционеров, по сути, все те, кто вложился в разработки гиротронов и их производство. Первое, что мы тогда сделали, — бесплатно установили наш прибор на термоядерной установке стелларатор в Институте физики плазмы общества Макса Планка в Германии, чтобы все потенциальные потребители видели, что параметры нашего гиротрона — лучшие в мире. Ну а дальше начались международные тендеры, где мы почти всегда побеждали. Сегодня 2/3 самых мощных гиротронов, стоящих на плазменных термоядерных установках мира, — нижегородские. Мы будем поставлять гиротроны и в международный проект ИТЭР, который обещает впервые в мире запустить фактически экспериментальную термоядерную электростанцию. Все деньги от продаж наших гиротронов шли тогда и идут сейчас на развитие науки, на дальнейшее совершенствование наших уникальных разработок и их адаптацию под конкретные приложения.

Все эти годы мы прекрасно понимали, что фундаментальной и прикладной наукой можно эффективно заниматься только тогда, если есть соответствующая инфраструктура. Это филологу или компьютерному биологу иногда достаточно компьютера. Но если ученый занимается экспериментальной физикой, то без технологических лабораторий (вакуумной, криомагнитной, высоковольтной, радиотехнической и т.д.) и опытного производства не обойтись. Нам удалось все это сохранить в институте и даже значительно модернизировать приборный парк и оборудование.

В институте 1100 сотрудников, среди них около 500 научных работников: 4 академика, 6 член-корров, 70 докторов наук и 200 кандидатов. У нас более 120 грантов Российского фонда фундаментальных исследований, т.е. практически каждая группа ученых в 4-5 человек получает грант на фундаментальные исследования. Это все на конкурсной основе. Но около 50% институтского финансирования приходится на прикладные работы с самыми различными заказчиками. Все это мы зарабатываем сами, используя многолетний успешный опыт научных исследований и разработок.

— А все же, что это за зверь такой — гиротрон?

— В умелых руках — вполне безобидный. Менее мощные гиротроны можно использовать даже в кухонном варианте — как СВЧ-печи, хотя у нас речь идет о технологической обработке материалов за счет СВЧ-нагрева, т.к. большинство диэлектрических материалов имеют более высокое поглощение именно в миллиметровом диапазоне длин волн. Для сравнения: кухонные СВЧ-печи оснащены магнетронами, которые генерируют излучение с длиной волны 12 см. У нас — миллиметровый диапазон, и мощность может быть несравненно выше. С такой «печью» можно делать новые интересные и очень перспективные материалы, поликристаллические и даже монокристаллические. Например, спекать нанокерамику для разных систем. Это очень интересное направление.

«В институте 1100 сотрудников, среди них около 500 научных работников: 4 академика, 6 член-корров, 70 докторов наук и 200 кандидатов. У нас более 120 грантов Российского фонда фундаментальных исследований, т.е. практически каждая группа ученых в 4-5 человек получает грант на фундаментальные исследования. Это все на конкурсной основе. Но около 50% институтского финансирования приходится на прикладные работы с самыми различными заказчиками. Все это мы зарабатываем сами, используя многолетний успешный опыт научных исследований и разработок»

— А что вы делаете в области лазерной физики?

— Другая успешная разработка ИПФ — сверхмощный лазер. Это тоже электромагнитное излучение, но уже оптического диапазона. Рекордно высокие мощности здесь достигаются за счет компрессии, т.е. сокращения длительности первоначально сгенерированного импульса. Речь идет о лазерах с предельно коротким фемтосекундным импульсом. Мощность такого лазера — на уровне петаватта (один петаватт равен миллиарду мегаватт). Это означает, что такой короткий импульс, равный по длительности всего нескольким десяткам колебаний световой волны (фемтосекунда — одна миллиардная доля микросекунды), обладает мощностью, в 30 раз превосходящей мощность всей электроэнергетики на Земле. Это трудно себе представить, но это так.

— Звучит страшно… Это что, такая убойная сила?

— Ни в коем случае. Прежде всего — это умная сила, тем более что энергия такого лазерного импульса совсем небольшая, на уровне десятков джоулей, и ни с какой реальной энергетикой, конечно, сравниться не может. Здесь все дело именно в сверхмалой длительности импульса. Но если сильно сфокусировать такой лазерный луч и тем более группу таких лучей, то можно получить такой уровень полей, который может быть достигнут только на самых мощных гигантских ускорителях современности. Это так называемые релятивистские поля, в которых электроны разгоняются до скоростей, очень близких к скорости света. Причем такой лазерный ускоритель можно уместить на большом столе в лаборатории.

Это очень ценный прибор для фундаментальных исследований строения материи, а также для работ по термоядерному синтезу. К нему сегодня проявляют большой интерес во всем мире. Мы являемся участниками нескольких крупных международных проектов в этой области и претендуем на пилотный проект по разработке лазера с 10-петаваттной мощностью, который явится модулем для создания еще более мощных лазеров (уровня 100 петаватт), состоящих из десятка таких модулей. Но для участия в этом проекте нам нужна помощь государства. Без государственной финансовой подпитки мы не в состоянии осилить создание такого модуля. Это задача государственного уровня. И России в этих проектах надо участвовать обязательно. Тем более что такие проекты реализуются в широкой международной кооперации и интегрируют научный и технологический опыт сразу многих стран-участниц. Вместе проще и даже дешевле решать такие сверхсложные научные проблемы.

Теперь все знают про Большой адронный суперколлайдер и его размеры — почти 30 км. В нем разгоняются до рекордных скоростей тяжелые частицы — протоны и адроны. Самый большой ускоритель электронов в мире находится в Стэнфорде, в США. Он ускоряет потоки электронов и позитронов до энергии в 50 млрд электронвольт при длине установки в 3 км (это линейный ускоритель, частицы в нем разгоняются на прямолинейной траектории). Но, располагая такими лазерными системами, как у нас, мы можем построить электронно-позитронный суперколлайдер с энергией частиц тераэлектронвольт, что в 20 раз больше. А размер такого лазерного ускорителя при этом будет всего 100 м.

— В производстве алмазов у вас тоже приоритет?

— В некоторой степени. Это направление — создание материалов с помощью осаждения молекул из газовой смеси, возбуждаемой СВЧ-разрядом. Алмаз — уникальный материал. Он оптически прозрачен, имеет самую высокую теплопроводность из всех известных материалов, в 4 раза выше, чем у меди. И главное — искусственный алмаз мы можем получить сами, опять же с помощью нашего гиротрона. В СВЧ-разряде, который «зажигается» полем мощного гиротрона в газовой смеси метана и углерода, на подложку оседают слой за слоем атомы углерода в двух модификациях: графит и алмаз.

— Это разновидность фианитов, которые применяются в ювелирном деле?

— Нет, это совсем другой материал, не ювелирный — а поликристаллический алмаз. Фирма «Де Бирс», ведущий мировой производитель подобных изделий, растит такой алмазный диск со скоростью 2 микрона в час. Чтобы получить диск диаметром 100 мм и толщиной 2 мм, требуется 1000 часов работы плазменного реактора. В результате диск стоит больше 100 тыс. евро. Это очень дорого даже для западного потребителя. Мы разработали свою технологию, более производительную, на основе своих гиротронов. В газовом разряде, создаваемом более высокочастотным полем гиротрона, плотность электронов и активных частиц выше, чем в реакторах «Де Бирс», так что у нас алмаз растет в 5-7 раз быстрее и, следовательно, дешевле. Такие алмазные диски очень нужны для микро- и наноэлектроники. На эту технологию у нас есть российские и зарубежные патенты.

— То есть вы перешли дорогу «Де Бирс»?

— Получается так. Еще одна известная наша разработка тоже относится к технике роста кристаллов, но уже совсем другого назначения. Это технология производства водорастворимых кристаллов с особыми оптическими свойствами. Такие кристаллы используются для преобразования частоты лазерного излучения в нелинейной оптике. Большой размер кристалла нужен здесь для того, чтобы интенсивность излучения мощного лазерного пучка, приходящаяся на единицу площади, была относительно небольшой, иначе она просто разрушит кристалл. Наша технология ускоренного роста таких кристаллов уникальная. Сегодня мы, по-видимому, единственные в мире, кто делает такие большие и быстрорастущие кристаллы с площадью поверхности 40х40 см. Они используются при создании многопучковых лазерных установок для термоядерного синтеза.

— Говорят, что вы создали «невидимку»?

— Это очень образное определение. По сути, речь идет о разработке способов электромагнитной маскировки материальных объектов — о покрытии объектов специальными композитными материалами (так называемыми метаматериалами), которые не отражают электромагнитное излучение и не искажают его. Уже есть материалы, которые под определенным углом облучения не видны. Теперь это модное и, возможно, продуктивное направление. Но тут недавно выяснилось, что один из наших сотрудников еще в 1963 г. первым написал статью на эту тему. Это интересная область электродинамики, которой сейчас занимаются многие группы ученых. Аналогичные задачи возникают и в акустике для звуковых волн.

— На повестке дня — создание костюма-невидимки?

— Не совсем так. Но и это уже не из области невозможного. По существу, можно будет делать покрытия из такого материала, которые смогут «защитить» объект от внешнего наблюдения, но только в определенном диапазоне частот.

— А ваши гидроакустические разработки тоже такого пионерского уровня?

— Безусловно. Акустические волны низкой частоты хорошо распространяются в водной среде. Более того, в океане такие волны распространяются особым волноводным образом благодаря наличию в верхнем слое океана подводного звукового канала. Низкочастотный звуковой сигнал, который излучают разработанные у нас излучатели, способен пройти в океане громадные расстояния, в тысячи километров. Это дает уникальную возможность для диагностики океана на таких больших масштабах, поскольку сигнал, распространяясь в подводном канале, «собирает» информацию о его свойствах, которая затем может быть расшифрована в приемной антенне.

Мы делаем лазерные приборы с небольшой мощностью для диагностики биологических тканей и лечения. Если послать очень короткий импульс лазерного инфракрасного излучения в среду, то, регистрируя величину рассеянного сигнала в зависимости от времени, можно увидеть строение и плоскостную структуру биоткани в глубине. Оснастив стандартный эндоскоп волоконным датчиком, можно, например, снять карту всей слизистой оболочки желудка на глубину до 2 мм, и тогда биопсию ткани или операцию делают уже не наугад, а точно по больному участку

— Ваш гиротрон универсален, а для медицины что-то делаете?

— Делаем лазерные приборы с небольшой мощностью для диагностики биологических тканей и лечения. Если послать очень короткий импульс лазерного инфракрасного излучения в среду, то, регистрируя величину рассеянного сигнала в зависимости от времени, можно увидеть строение и плоскостную структуру биоткани в глубине. Оснастив стандартный эндоскоп волоконным датчиком, можно, например, снять карту всей слизистой оболочки желудка на глубину до 2 мм, и тогда биопсию ткани или операцию делают уже не наугад, а точно по больному участку. У нас такие приборы разработаны, сделаны опытные партии. Они уже применяются в медицинской практике.

— Чем же они отличаются от хороших японских или немецких томографов? Там вроде бы все так же.

— Томографов много. Есть рентгеновские, ЯМР, ультразвуковые… Наш основан на оптической когерентной томографии, позволяющей увидеть структуру приповерхностного слоя ткани, куда проникает инфракрасное оптическое излучение. С ним можно увидеть новообразования в тканях на самой ранней стадии, когда они еще не видны никому. Можно дополнительно вводить в ткань специальные нанообъекты, которые будут флуоресцировать и тем самым давать дополнительную маркировку больного органа. Это более высокая ступень в диагностике заболеваний. Еще нас интересуют проблемы мозга и когнитивные технологии — и здесь тоже есть очень интересные результаты.

Дело в том, что по определению не имеет смысла создавать технику даже на отличном японском или немецком уровне. Все, что делается, должно быть на два шага вперед, иначе не стоит браться за работу. Конкуренция на рынке столь высока, что мы можем выйти вперед только за счет новых разработок высочайшего уровня, причем таких, каких еще нет нигде в мире.